多功能數(shù)字搶答器設(shè)計說明說

1 多功能數(shù)字搶答器 設(shè)計說明說 第 1 章 緒 論 題背景 目前數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于計算機，自動控制，電子測量儀表，電視，雷達，通信等各個領(lǐng)域。例如在現(xiàn)代測量技術(shù)中，數(shù)字測量儀表不僅比模擬測量儀表精度高，功能高，而且容易實現(xiàn)測量的自動化和智能化。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，尤其是中，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用范圍將會更廣泛地滲透到國民經(jīng)濟的各個部門，并將產(chǎn)生越來越深刻的影響。隨著現(xiàn)代社會的電子科技的迅速發(fā)展，要求我們要理論聯(lián)系實際，通過對數(shù)字電路的設(shè)計，熟練掌握設(shè)計的方法、步驟。 本課題設(shè)計了一種采用數(shù)字電路制作的多功能數(shù)字搶答器，它主要采用了 74 系列的常用集成電路，它除了具有基本的搶答功能之外，還具有定時報警的功能，和數(shù)顯的功能，當(dāng)搶答開始后，系統(tǒng)會自動倒計時，并且時間是可以預(yù)設(shè)的，期間有人搶答的話系統(tǒng)會停止計時，如果期間沒人搶答，系統(tǒng)會有短暫的報警，提示搶答結(jié)束。 在現(xiàn)在科技進步的世界里 ,無論工廠、學(xué)校和電視臺所舉辦的節(jié)目都可能會有各種智力競賽 ,當(dāng)遇到搶答環(huán)節(jié)時 ,如果要求主持人自己去用肉眼觀察那一個選手搶答的速度最快無疑會對比賽結(jié)果造成很大的影響 ,使比賽失去了公平和公正性 ,這時候 我們想到了搶答記分器是必要設(shè)備，我中學(xué)參加過各種競賽 ,我們經(jīng)常遇到有搶答的環(huán)節(jié)，由于條件有限多數(shù)采用讓選手通過舉答題板的方法判斷選手的答題權(quán)，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性， 所設(shè)計的搶答器通常由數(shù)碼顯示、燈光、音響等多種手段指示出第一搶答者，為了使這種不為了使這種不公平不發(fā)生，只有靠電子產(chǎn)品的高準確性來保障搶答的公平性。 2 計要求 1 具有優(yōu)先搶答功能，先搶答后其余搶答無效電路進行鎖存并顯示選手號碼，同時報警（擴展功能）并具有計時功能。 計題目和設(shè)計指標 題目： 八路搶答器 技術(shù)指標： 4.（擴展功能）并具有計時功能。 計功能 主要功能：具有優(yōu)先搶答功能，先搶答后其余搶答者無效。電路進行鎖存并顯示選手號碼，同時產(chǎn)生報警、 （擴展功能）并具有計時功能 。 3 第 2 章 電路的方框圖 機電路框圖 根據(jù)課題設(shè)計技術(shù)指標的要求，本電路主要由 鎖存電路、 顯示電路 、譯碼電路、控制電路、定式按鈕、優(yōu)先譯碼電路，等幾部分組成。 整機電路框圖 如 2圖 2搶答按鈕 優(yōu)先編碼電路 鎖存器 譯碼電路 顯示電路 主持人控制開關(guān) 控制電路 報警電路 定時按鈕 譯碼電路 顯示電路 4 路的方框圖的原理 如圖 2通電源時，節(jié)目主持人將開關(guān)置于 “ 清除 ” 位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時顯示器顯示設(shè)定的時間，當(dāng)節(jié)目主持人宣布 “ 搶答開始 ” ，同時將控制開關(guān)撥到 “ 開始 ” 位置， 蜂鳴器 給出聲響提示，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器倒計時。當(dāng)定時時間到，卻沒有選手搶答時，系統(tǒng)報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，搶答 器要完成以下四項工作： 優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號 。 蜂鳴器 發(fā)出聲響，提醒節(jié)目主持人注意 。 控制電路要對輸入編碼電路進行封鎖，避免其他選手再次進行搶答 。 控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余的搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當(dāng)選手將問題回答完畢，主持人操作控制開關(guān)，使系統(tǒng)回復(fù)到禁止工作狀態(tài)，以便進行下一輪搶答。 5 第 3 章 單元電路設(shè)計、器件的選擇 55 定時器及其應(yīng)用 件特性 圖 3555 定時器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插 8 腳結(jié)構(gòu)，體積很小，使用起來方便。只要在外部配上幾個適當(dāng)?shù)淖枞菰?，就可以?gòu)成史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及自激多諧振蕩器等脈沖信號產(chǎn)生與變換電路。它在波形 的產(chǎn)生與變換、測量與控制、定時電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應(yīng)用。 6 部電路框圖及引腳功能 圖 3555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu) R 5i 1(T H )V i 2(T R )V C c o D i 7 555 定時器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號和管腳排列分別如圖3 引腳功能： 高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標志為 ：低電平觸發(fā)端，簡稱低觸發(fā)端，標志為 制電壓端。 出端。 電端。 復(fù)位端。 555 定時器內(nèi)含一個由三個阻值相同的電阻 R 組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生31個電壓比較器 個由與非門 S 觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管 3。 i c 51 2 3 45678G N D o c i 5.( a ) 5 5 5 的邏輯符號( b ) 5 5 5 的引腳排列圖 3555定時器邏輯符號和引腳 8 復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后 , 基本 發(fā)器的 Q 端為 1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后 ，輸出為 0（低電平）。 分析圖 3 555定時器的 讓 比較器 較器為了學(xué)習(xí)方便，我們規(guī)定： 當(dāng) 的電壓 32為 ，當(dāng) 的電壓 31，寫為 ，當(dāng) 的電壓 31 ，比較器 論 本 =0，使 Q 1，經(jīng)輸出反相緩沖器后， 0； 時稱 555定時器“高觸發(fā)”。 555 定時器的“低觸發(fā)”、“高觸發(fā)”和“保持”三種基本狀態(tài)和進入狀態(tài)的條件（即 0”、“ 1”）必須牢牢掌握。 9 先編碼器 74 374片外觀 4腳功能 圖 374腳功能 746腳的集成芯片，除電源腳 6)和 )外，其余輸入、輸出腳的作用和腳號如圖中所標。其中 I 0 I 7為輸入信號， 1, I O G 由 74148 真值表可列輸出邏輯方程為： 10 (5+7) (36+7) (357) O O E = 67 使能輸入 時，禁止編碼、輸出 (反碼 )： 1,全 1。 當(dāng)使能輸入 時，允許編碼，在 入 余依次為： 5,3,0， 級排列。 O E 為使能輸出端 ，它只在允許編碼 ()，而本片又沒有編碼輸入時為 0。擴展片優(yōu)先編碼輸出端 G S 的邏輯方程為： (1+3+5+7) 片優(yōu)先編碼輸出端，它在允許編碼 ()，且有編碼輸入信號時為 0 若允許編碼而無編碼輸入信號時為 1在不允許編碼 ()時，它也為 1 0 表示“電路工作，而且有編碼輸入”。 4值表 表 34值表 輸 入 輸 出 C A S 1 d d d d d d 0 1 1 1 1 11 1 1 0 d d d d d 0 0 d d d d 0 1 0 d d d d 1 1 1 1 1 11 1 1 1 10 0 0 0 01 0 0 1 01 0 1 0 01 11 0 d d d d 01 1 1 0 d d d 0 11 1 1 0 d d 0 1 11 1 1 0 d 0 1 1 11 1 1 0 0 1 1 1 11 1 1 0 1 1 01 1 0 0 01 1 0 1 01 1 1 0 01 1 1 1 01 由真值表可知，輸入 輸出 有效工作電平均為低電平 0 入端中，下角標號碼越大的優(yōu)先級越高。例如， 為 1 ， 0 時，輸出按優(yōu)先級較高的 碼，即 001，而不是按優(yōu)先級較低的 碼。此后，若 為 1，則按 碼 ,11 。若 變?yōu)?1，輸出才按 碼， 10。輸入 輸出工作狀態(tài)選擇端 (或稱允許輸入端 )，當(dāng) 時，編碼器工作，反之不進行編碼工作； 允許輸出端，當(dāng)允許編碼 (即 )而無信號輸入時， 0。 不允許編碼 (即 )，或者雖允許編碼 ()但無信號輸入 (即 為 1)時 ,。換而言之，允許編碼且有信號輸入 (即 至少有一個為 0)時， 。 出公共端符號 輸入信號 1,三位二進制編碼的呼出信號 使能輸入端 是使能輸出端 片優(yōu)先編碼輸出端 電源 12 地 4腳功能 （ a）引腳排列 (b) 邏輯符號 圖 34腳排列及邏輯符號 加計數(shù)時鐘輸入端， 減計數(shù)時鐘輸入端。 預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。 復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。 進位輸出： 1001狀態(tài)后負脈沖輸出， 借位輸出： 0000狀態(tài)后負脈沖輸出。 13 4能表 表 3 74能表 14 第 4 章 整機電路的組成 答電路 圖 4答電路 （）搶答器的主體電路設(shè)計 搶答電路的功能有兩個：一是能分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作無效。選用優(yōu)先編碼器 74148 和 存器可以完成上述功能，其電路組成如圖所示。其工作原理是：當(dāng)主持人控制開關(guān)處于 “清除 ”位置時， 發(fā)器的端為低電平，輸出端（ 4Q1Q）全部為低電平。于是 74 =0，顯示器滅燈； 74148的選通輸入端 =0， 74于工作狀態(tài)，此時鎖存電路不工作。當(dāng)主持人開關(guān)撥到 “開始 ”位置時，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態(tài)，即搶答器處于等待工作狀態(tài)，等待輸入端 7. 0輸入信號，當(dāng)有選手將鍵按下時 (如按下 74010， 15 =0，經(jīng) 存器后， l， =1， 74于工作狀態(tài)，401，經(jīng) 74碼后，顯示器顯示出 “5”。此外，使 74端為高電平， 74于 禁止工作狀態(tài)，封鎖了其它按鍵的輸入。當(dāng)按下的鍵松開后， 74由于 以 74處于禁止工作狀態(tài)，其它按鍵的輸入信號不會被接收。這就保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準確性。當(dāng)優(yōu)先搶答者回答完問題后，由主持人操作控制開關(guān) S，使搶答電路復(fù)位，以便進行下一輪搶答。 時電路 圖 4時電路 （ 2）定時電路設(shè)計 原理及設(shè)計：該部分主要由 555定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進制同步加減計數(shù)器 7474段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。具體電路如圖所示。兩塊 74過譯碼電路 74時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。 74192的預(yù)置數(shù)控制端實現(xiàn)預(yù)置數(shù)，由節(jié)目主 持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時間，通過預(yù)置時間電路對計數(shù)器進行預(yù)置，如果要設(shè)置為 30S，就可以在計數(shù)器的預(yù)置數(shù)控制端輸入 00110000。時鐘脈沖由秒脈沖電路提 16 供。按鍵彈起后，計數(shù)器開始減法計數(shù)工作，并將時間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管上，當(dāng)有人搶答時，停止計數(shù)并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，且倒計時時間到時，輸出低電平到時序控制電路，控制報警電路報警，同時以后選手搶答無效。 警電路 圖 4警電路 采用 555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖所示。其中 555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率 其輸出信號經(jīng)三極管推動 蜂鳴器 。 高電平時，多諧振蕩器工作，當(dāng) 路停振 序控制電路 圖 4序控制電路 17 與門 作用是控制時鐘信號 放行與禁止，門 作用是控制 74輸入使能端。主持人控制開關(guān)從 清除 位置撥到 開始 位置時， 741Q,即 ，經(jīng) 出為 1，則 生的時鐘信號 夠加到 74時電路進行遞減計時。同時，在定 時時間未到時，則 定時到信號 為 1，門 =0，使 74選手在定時時間內(nèi)按動搶答按鍵時， 1，經(jīng) 出為 0，封鎖 時器處于保持工作狀態(tài)；同時，門 =1， 74定時時間到時，則 定時到信號 為 0， /， 74于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進行搶答。同時，門 鎖時鐘 定時電路保持 00狀態(tài)不變，此次搶答結(jié)束。 18 第 5 章 電路的組 裝與調(diào)試 器件的檢測 電路組裝調(diào)試之前首先要對所用元器件進行檢測，判斷元器件的好壞和確定元器件的引腳及極性。下面將分別介紹電路中所用到的元器件的檢測方法。 一 、 三極管引腳極性的檢測 大家知道，三極管是含有兩個 據(jù)兩個以分為 測試三極管要使用萬用電表的歐姆擋，并選擇 R100 或 R1表筆所連接的是表內(nèi)電池的負極，黑表筆則連接著表內(nèi)電池的正極 (電流：紅進黑出 )。假定我們并不知道被測三 極管是分不清各管腳是什么電極。 *：測試的第一步是判斷哪個管腳是基極。 這時，我們?nèi)稳蓚€電極 (如這兩個電極為 1、 2)，用萬用電表兩支表筆顛倒測量它的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度；接著，再取 1、 3兩個電極和 2、 3兩個電極，分別顛倒測量它們的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度。在這三次顛倒測量中，必然有兩次測量結(jié)果相近：即顛倒測量中表針一次偏轉(zhuǎn)大，一次偏轉(zhuǎn)小；剩下一次必然是顛倒測量前后指針偏轉(zhuǎn)角度都很小，這一次未測的那只管腳就是我們要尋找的基極。 二、 管型 找出三極管的基極后，我們就可以根據(jù)基極與另外兩個電極之間 萬用表的黑表筆接觸基極，紅表筆接觸另外兩個電極中的任一電極，若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很大，則說明被測三極管為 表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很小，則被測管即為 三、 順箭頭，偏轉(zhuǎn)大 找出了基極 b，另外兩個電極哪個是集電極 c，哪個是發(fā)射極 這時我們可以用測穿透電流 (1) 對于 萬用電表的黑、紅表筆顛倒測量兩極間的正、反向電阻 然兩次測量中萬用表指針偏轉(zhuǎn) 19 角度都很小，但仔細觀察，總會有一次偏轉(zhuǎn)角度稍大，此時電流的流向一定是：黑表筆 c 極 b 極 e 極 紅表筆，電流流向正好與三極管符號中的箭頭方向一致 (“ 順箭頭 ”) ，所以此時黑表筆所接的一定是集電極 c，紅表筆所接的一定是發(fā)射極 e。 (2) 對于 理也類似于 電流流向一定是：黑表筆 e 極 b 極 c 極 紅表筆，其電流流向也與三極管符號中的箭頭方向一致，所以此時黑表筆所接的一定是發(fā)射極e，紅表筆所接的一定是集電極 c 路的組裝與調(diào)試 檢測完元器件的 好壞及引腳極性后便可以進行電路的組裝了，根據(jù)電路原理圖首先在面包板上搭接電路。搭接電路時要注意集成芯片和集成芯片的引腳不要接錯，電解電容的引腳極性不要弄反。在面包板上搭接好電路后就可以進行電路的調(diào)試了。 合設(shè)計要求便可以在萬能板上焊接了，在焊接過程中和焊接好后調(diào)試過程中需要注意以下事項。 不允許帶電使用烙鐵焊接，要確認烙鐵不帶電，最好把烙鐵的外殼接地，對 采用 6 焊接時 要 焊牢，焊錫的堆積、氣孔容易造成虛焊。焊接時 間一般不超過 3秒鐘，烙鐵的功率應(yīng)用內(nèi)熱式 25焊接好的集成電路要仔細查看，最好用歐姆表測量各引腳間有否短路，確認無焊錫粘連現(xiàn)象再接通電源。 20 理布局 電路在安裝前要將各級進行合理布局，一般按照電路的順序一級一級地布局，在此過程中我們本著以下原則： 1. 了解元件管腳功能。 2. 布線盡可能少，合理進行布線。 3. 電源線用紅線，地線用黑線。 4. 布線規(guī)律有制 ,盡量減少交叉。 5美觀大方。 注意事項： 1 電路板各個所用電源，地都連起來。 2 防止接線短路。 3 元件 不可接反、接錯。 4 焊盤上不可壓線。 21 結(jié) 論 八路搶答器 有優(yōu)先搶答功能，先搶答后其余搶答無效 電路進行鎖存并顯示選手號碼，同時報警，并具有計數(shù)功能。 2數(shù)碼管正確顯示選手號碼。 3搶答完畢聲音報警提醒。 通過我們的付出與努力，完成了本次的設(shè)計，并且達到了預(yù)期的效果，實現(xiàn)了其要求的功能和各項指標并做了擴展功能，也達到了預(yù)期的效果。 但是在 設(shè)計的過程中，還是存在一些不足之處，遇到了許多不太好解決的問題。然后對電路進行足部的細致的檢查與分析。在團隊的不斷努力下解決了我們遇到的各種問題 22 收獲與體會 通過本次 電子線路課程設(shè)計，我對萬用板、示波器、萬用表和 555 定時器等電子儀器和電子元件的基本應(yīng)用方法有了更深一步的理解，既檢驗了以前學(xué)過的理論知識又為以后的學(xué)習(xí)打下了非常堅實有力的基礎(chǔ)，也了解到了過去學(xué)習(xí)所未了解到的知識，真正做到了理論與實踐相結(jié)合，更擴充了自己的知識面，而且還加深了團隊合作意識和互助精神，知道了 在一個集體中，個人的力量是渺小的，只有團隊的力量統(tǒng)一起來，事情才變得不再難辦。在這次課程設(shè)計中，我們從開始選課題到電路設(shè)計過程中，遇到了一些分歧，經(jīng)過大家不斷交流分歧得以消除。同時也有過迷茫，制作出的電路有段時間一直有錯誤，我和小組的其他同學(xué)一起討論了好長時間一直沒有找到，最后再請教劉老師，劉老師在看過電路圖之后，一語道破玄機，所有的問題和迷茫都迎刃而解。在制作電路時，我們在制作電路之處，曾做過三、四個方案，經(jīng)過理論分析之后，挑