搶答器課程設(shè)計說明書正文(樣件)

.z.目錄1前言12總體方案設(shè)計22.1方案的設(shè)計22.2方案的論證22.2方案的選擇33單元模塊設(shè)計43.1搶答電路設(shè)計43.2定時時間電路功能介紹93.3控制電路和報警電路103.4振蕩電路113.5計分電路124系統(tǒng)調(diào)試144.1搶答電路仿真144.2計時電路仿真144.3計分電路仿真144.4總體電路仿真145系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)155.1主要功能介紹155.2擴(kuò)展功能介紹155.3電路參數(shù)的計算156設(shè)計總結(jié)167參考文獻(xiàn)17附錄18-.z.-.z.-.z.1前言進(jìn)入21世紀(jì)越來越來多的電子產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的日常生活中，例如企業(yè)、學(xué)校和電視臺等單位常舉辦各種智力競賽,搶答記分器是必要設(shè)備。過去在舉行的各種競賽中我們經(jīng)?？吹接袚尨鸬沫h(huán)節(jié)，舉辦方多數(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*種程度上會因?yàn)橹鞒秩说闹饔^誤斷造成比賽的不公平性。人們于是開場尋求一種能不依人的主觀意愿來判斷的設(shè)備來標(biāo)準(zhǔn)比賽。因此，為了克制這種現(xiàn)象的慣性發(fā)生人們利用各種資源和條件設(shè)計出很多的搶答器，從最初的簡單搶答按鈕，到后來的顯示選手號的搶答器，再到現(xiàn)在的數(shù)顯搶答器，其功能在一天的趨于完善不但可以用來倒計時搶答，還兼具報警，計分顯示等等功能，有了這些更準(zhǔn)確地儀器使得我們的競賽變得更加精彩紛呈，也使比賽更突顯其公平公正的原則。今天隨著科技的不斷進(jìn)步搶答器的制作也更加追求精益求精，人們擺脫了消耗很多元件僅來實(shí)現(xiàn)用指示燈和一些電路來實(shí)現(xiàn)簡單的搶答功能，使第一個搶答的參賽者的編號能通過指示燈顯示出來，防止不合理的現(xiàn)象發(fā)生。但這種電路不易于擴(kuò)展，而且當(dāng)有更高要求時就無法實(shí)現(xiàn)，例如參賽人數(shù)的增加。隨著數(shù)字電路的開展，數(shù)字搶答器誕生了，它易于擴(kuò)展，可靠性好，集成度高，而且費(fèi)用低，功能更加多樣話，是一種高效能的產(chǎn)品。而如今在市場上銷售的搶答器大多采用可編程邏輯元器件，或利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)展設(shè)計，本次設(shè)計主要利用常見的74LS系列集成電路芯片和555芯片，并通過劃分功能模塊進(jìn)展各個局部的設(shè)計，最后完成了八路智力競賽搶答器的設(shè)計。-.z.2總體方案設(shè)計2.1方案的設(shè)計根據(jù)對功能要求的簡要分析，將定時搶答器電路分為主題電路和擴(kuò)展電路兩局部。主體電路完成根本的搶答功能，即開場搶答后，中選手按動搶答器按鈕時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，制止其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成定時搶答及報警功能。比賽開場時，接通電源，節(jié)目主持人將開關(guān)置于"清零〞位置，搶答器處于制止工作狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時顯示器上顯示設(shè)定時間。當(dāng)節(jié)目主持人宣布"搶答開場〞，同時將控制開關(guān)撥到"開場〞位置，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器開場倒計時。假設(shè)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，制止選手超時后搶答。假設(shè)選手在定時時間內(nèi)按動搶答按鈕時，搶答器要完成以下四項(xiàng)工作：1.優(yōu)先編碼器電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進(jìn)展鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號；2.揚(yáng)聲器發(fā)出短暫聲響，提醒節(jié)目主持人注意；3.控制電路要對輸入編碼電路進(jìn)展封鎖，防止其他選手再次進(jìn)展搶答；4.控制電路要使定時器停頓工作，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。中選手將問題答復(fù)完畢時，主持人操作控制開關(guān)，使系統(tǒng)回復(fù)到制止工作狀態(tài)，以便進(jìn)展下一輪搶答。2.2方案論證與選擇2.2.1方案的論證方案一系統(tǒng)框圖如下圖八路搶答開關(guān)八路搶答開關(guān)八D鎖存器優(yōu)先編碼器七段譯碼器七段數(shù)碼顯示管秒脈沖發(fā)生器主持人控制開關(guān)十進(jìn)制減計數(shù)器七段譯碼器七段顯示數(shù)碼管集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器報警電路圖2.1八路智力搶答器方案設(shè)計框圖方案一所示搶答器工作過程：該方案是將搶答按鈕先直接與鎖存器而不是優(yōu)先編碼器相連，將最先搶答的選手的編號鎖定，再依次經(jīng)過優(yōu)先編碼器、譯碼器和七段顯示器，最后顯示的是搶答選手的編號，經(jīng)過優(yōu)先編碼器后的信號到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又與報警電路直接連接，所以顯示編號的同時可以發(fā)出報警信號。另外由主持人控制開關(guān)和其他局部電路通過門電路實(shí)現(xiàn)對搶答電路、定時電路和報警局部電路的控制。方案二系統(tǒng)框圖如下圖搶答按鈕搶答按鈕優(yōu)先編碼電路鎖存器主持人控制開關(guān)譯碼電路譯碼顯示控制電路報警電路秒脈沖產(chǎn)生電路定時電路譯碼電路顯示電路圖2.2八路智力搶答器方案二設(shè)計框圖方案二所示搶答器的工作過程：主持人按動開場搶答的開關(guān)后，最先搶答的選手的電平信號先經(jīng)過優(yōu)先編碼器，再依次經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器，此時已經(jīng)限制了其他選手的搶答，信號再經(jīng)過譯碼器和七段數(shù)碼顯示器，將最先搶答的該選手的編號顯示出來，并同時產(chǎn)生報警信號，到此完成的是搶答功能；如果沒有人搶答，30秒減計數(shù)器減到00時也會發(fā)出報警信號，此是完成計時功能。2.2.2方案的選擇相比之下，第二種方案更好些。它的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面：這種方案原理比擬簡單。主持人對整體電路的控制只需幾個門電路就可完成，不必用特別的芯片來組成控制電路；更容易實(shí)現(xiàn)報警提示功能，在有選手搶答后或者計時開場和完畢時。既減少了布線使整個電路更直觀簡單，又降低了產(chǎn)生錯誤的可能性。-.z.3單元模塊設(shè)計3.1搶答電路設(shè)計電路選用優(yōu)先編碼器74LS148和鎖存器74LS279來完成。該電路主要完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號〔顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管〕；二是制止其他選手按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：開關(guān)S置于"去除"端時，RS觸發(fā)器的R、S端均為0，4個觸發(fā)器輸出置0，使74LS148的優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端〔圖中5號端〕＝0，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S置于"開場"時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將搶答按鍵按下時〔如按下S5〕，74LS148的輸出經(jīng)RS鎖存后，CTR=1,RBO(圖中4端)=1,七段顯示電路74LS48處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101,經(jīng)譯碼顯示為"5”。此外，CTR＝1，使74LS148優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端〔圖中5號端〕＝1，處于制止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時，74LS148的此時由于仍為CTR＝1，使優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端為1，所以74LS148仍處于制止?fàn)顟B(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置"去除〞然后才可能進(jìn)展。優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279以及譯碼顯示電路完成上述功能，其引腳圖及真值表如下列圖所示。圖3.174LS148引腳圖表3.174LS148真值表InputsOuputsE101234567A2A1A0GSEOHLLLLLLLLL********HHHHHHHHHHHHHHHHHL*******LLLLLH******LHLLHLH*****LHHLHLLH****LHHHLHHLH***LHHHHHLLLH**LHHHHHHLHLH*LHHHHHHHHLLHLHHHHHHHHHHLH74LS148是一八線-三線優(yōu)先編碼器，該編碼器由8個信號輸入端，3個二進(jìn)制輸出端，輸入輸出均為低電平有效。EI為輸入使能端，低電平有效，當(dāng)EI為低電平時，編碼器處于工作狀態(tài)；EO為輸出使能端，只有在EI=0，且所有輸入都為1時，輸出為0；GS表征編碼器的工作狀態(tài)，當(dāng)且僅當(dāng)EI為低電平，且輸入至少有一各為有效電平時，GS才有效。因此，可根據(jù)EI、EO、GS功能擴(kuò)展端的特點(diǎn)，對電路進(jìn)展相應(yīng)控制。編碼器在搶答電路中功能是判斷搶答者的編號。圖3.274LS279引腳圖74LS279是由4個RS鎖存器組成，且均為與非門構(gòu)成的RS鎖存器。其中，1S和3S有兩個輸入端，S1和S2均為相與的關(guān)系。本設(shè)計中，將S2均接高電平，僅利用S1控制輸出。其引腳圖如圖四所示，下表為SR鎖存器的功能真值表，值得注意的是S和R不能同時為高電平，否則輸出不確定。表3.274LS279真值表InputsOutputsS(1)RQLLH*LHHHLLHHQ74LS48為七段顯示譯碼器。該集成譯碼器設(shè)有多個輔助控制端，以增強(qiáng)器件的功能。BI/RBO為滅燈輸入，當(dāng)BI=0時，所有字形熄滅。LT為試燈輸入，當(dāng)LT=0且RBO=1時，顯示字形為8，常用于檢測自身的好壞。RBI為動態(tài)滅燈輸入，當(dāng)LT=1，RBI=0且輸入均為0時，輸出均為低電平，數(shù)碼管"滅零〞。其引腳圖和邏輯圖分別如圖3.3和圖3.4所示，真值表如表3.3所示。圖3.374LS48的引腳圖圖3.474L48的邏輯圖表3.374LS48的真值表DecimalorFunctionInputsOutputsLTRBIA3A2A1A0BI/RBOabcdefg0(Note1)HHLLLLHHHHHHHL1(Note2)H*LLLHHLHHLLLL2H*LLHLHHHLHHLH3H*LLHHHHHHHHLH4H*LHLLHLHHLLHH5H*LHLHHHLHHLHH6H*LHHLHLLHHHHH7H*LHHHHHHHLLLL8H*HLLLHHHHHHHH9H*HLLHHHHHLLHH10H*HLHLHLLLHHLH11H*HLHHHLLHHLLH12H*HHLLHLHLLLHH13H*HHLHHHLLHLHH14H*HHHLHLLLHHHH15H*HHHHHLLLLLLLBI(Note2)******LLLLLLLLRBI(Note3)HLLLLLLLLLLLLLLT(Note4)L*****HHHHHHHH由真值表可以看出譯碼器74LS48輸出高電平有效，用以驅(qū)動共陰極數(shù)碼管。七段顯示譯碼器一般與七段數(shù)碼顯示器相連，共同構(gòu)成四輸入端的數(shù)碼顯示電路，如圖7所示。共陰極數(shù)碼顯示器的功能表如表3.4所示。圖3.574LS48產(chǎn)生的顯示數(shù)字圖3.67448組成的四個輸入端的數(shù)碼顯示組合電路表3.4共陰極數(shù)碼顯示器的功能表十進(jìn)制A3A2A1A0abcdefg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601100011111701111110000810001111111910011110011根據(jù)各芯片功能及搶答器的功能要求，搶答器電路如下所示圖3.7搶答電路3.2定時時間電路功能介紹原理及設(shè)計：該局部主要由555定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計數(shù)器74LS192減法計數(shù)電路、74LS48譯碼電路和2個7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。具體電路如圖3所示。兩塊74LS192實(shí)現(xiàn)減法計數(shù)，通過譯碼電路74LS48顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。74LS192的預(yù)置數(shù)控制端實(shí)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(jìn)展預(yù)置，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數(shù)器開場減法計數(shù)工作，并將時間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管DPY_7-SEG上，當(dāng)有人搶答時，停頓計數(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。圖3.8定時電路設(shè)計中選用十進(jìn)制同步加/減計數(shù)器74LS192進(jìn)展設(shè)計，74LS192是具有置數(shù)和清零功能，其引腳圖和邏輯圖如圖3.9所示。圖3.974LS192引腳圖和邏輯3.3控制電路和報警電路由555芯片構(gòu)成多諧振蕩電路,555的輸出信號再經(jīng)三極管放大,從而推動揚(yáng)聲器發(fā)聲?？刂齐娐钒〞r序和報警兩個電路,如下圖?？刂齐娐沸杈哂幸韵聨讉€功能。

主持人閉合開關(guān)揚(yáng)聲器發(fā)聲,多路搶答器電路和計時電路進(jìn)入正常狀態(tài);參賽者按鍵時,揚(yáng)聲器發(fā)聲,搶答電路和計時電路停頓工作。搶答時間到,無人搶答,揚(yáng)聲器發(fā)聲,搶答電路和計時電路停頓工作由功能表可以看出，要使電路實(shí)現(xiàn)倒計時〔減法〕功能，應(yīng)使CR=0，PE非=1，CP+=1，CP-=CP?？捎肅R端接電平開關(guān)來控制計時器的工作與否。聲響顯示電路需要在兩種情況下做出反響：一種是當(dāng)有參賽者按下?lián)尨痖_關(guān)時，相應(yīng)電路的發(fā)光二極管亮，同時推動輸出級的蜂鳴器發(fā)出聲響；第二種情況是當(dāng)裁判員給出"請答復(fù)〞指令后，計時器開場倒計時，假設(shè)答復(fù)下列問題時間到達(dá)限定的時間，蜂鳴器發(fā)出聲響。聲響電路由兩局部組成：一是由門電路組成的控制電路，二是三極管驅(qū)動電路。門控電路主要由或門組成，它的兩個輸入，一個來自搶答電路各觸發(fā)器輸出Q非的與非，他說明只要有一Q非為低電平，就使該與非門輸出為高電平通過或門電路驅(qū)動蜂鳴發(fā)生器；另一個來自計時系統(tǒng)高位計數(shù)器的借位信號QB，它說明計時電路在30秒向29秒，28秒，……2秒，1秒，0秒倒計時再向30秒轉(zhuǎn)化時向高位借位時給出一個負(fù)脈沖經(jīng)反相器得到一個高電平。這個高電平信號也能使蜂鳴器發(fā)聲。圖3.10報警電路圖3.11時序控制3.4震蕩電路本系統(tǒng)需要產(chǎn)生三種頻率的脈沖信號，一種是頻率為1KHZ的脈沖信號，用于聲響電路；一種是頻率為500KHZ的脈沖信號，用于觸發(fā)器的CP信號。第三中頻率為1HZ信號用于計時電路。以上電路可用555定時器組成，也可用石英晶體組成的振蕩器經(jīng)過分頻得到。-.z.圖3.14振蕩電路3.5計分電*組答復(fù)下列問題完畢后,主持人做出正確與錯誤的判斷,并宣布所加減的分?jǐn)?shù)值,根據(jù)計分值的多少，按相應(yīng)的按鍵。加分值小于10時按個位計分鍵,在10～100分之間按十位計分鍵。減分時只要同時按住計、減分鍵即可。記分電路可實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)位。在按個、十位鍵時,分別給IC7～I(xiàn)C9的CLK端一個上升沿脈沖,通過計數(shù)器CC4029編碼后在Q0～Q3端輸出相應(yīng)的"8421”編碼,作為BCD27段鎖存譯碼器CC4543的輸入,CC4543把"8421”編碼譯成對應(yīng)于數(shù)碼管的七字段信號,驅(qū)動數(shù)碼管IC1～I(xiàn)C3顯示出相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)碼。圖3.15計分電路仿真-.z.4系統(tǒng)調(diào)試與仿真電路仿真采用Protues仿真軟件進(jìn)展的。Protues軟件可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件；可提供的仿真儀表資源：示波器、邏輯分析儀信號發(fā)生器、交直流電壓表電流表等。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。因此，選用該軟件對搶答器各單元電路及整體電路進(jìn)展仿真。4.1搶答電路仿真圖4.1搶答電路仿真4.2計時電路仿真圖4.2計時電路仿真-.z.4.3計分電路仿真圖4.3計分電路仿真4.4總體電路仿真-.z.5系統(tǒng)功能5.1主要功能介紹搶答器最多可供8名選手參賽，編號為1~8號，各隊分別用一個按鈕〔分別為S1~S8〕控制，并設(shè)置一個系統(tǒng)清零和搶答控制開關(guān)S，該開關(guān)由主持人控制。搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存功能,并將鎖存數(shù)據(jù)用LED數(shù)碼管顯示出來，同時蜂鳴器發(fā)出間歇式聲響〔持續(xù)時間為0.5秒〕，主持人清零后，聲音提示停頓。開關(guān)S作為清零及搶答控制開關(guān)〔由主持人控制〕，當(dāng)開關(guān)S被按下時搶答電路清零，松開后則允許搶答。輸入搶答信號由搶答按鈕開關(guān)S1~S8實(shí)現(xiàn)。有搶答信號輸入〔開關(guān)S1~S8中的任意一個開關(guān)被按下〕時，并顯示出相對應(yīng)的組別。此時再按其他任何一個搶答器開關(guān)均無效，指示燈依舊"保持〞第一個開關(guān)按下時所對應(yīng)的狀態(tài)不變。5.2擴(kuò)展功能介紹搶答器具有定時搶答的功能，且一次搶答的時間可以由主持人設(shè)定〔如30秒〕。當(dāng)節(jié)目主持人啟動"開場〞鍵后，要求定時器立即減計時，并用顯示器顯示，同時揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)時間0.5秒左右。參加選手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答，搶答有效，定時器停頓工作，顯示上顯示選手的編號和搶答時刻的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。如果定時搶答的時間已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效，系統(tǒng)短暫報警，并封鎖輸入電路，制止選手超時后搶答，時間顯示器上顯示00。中選手搶答完后，主持人可根據(jù)相關(guān)題的加減分對選手進(jìn)展加分或減分。5.3電路參數(shù)的計算發(fā)聲延遲0.5秒，fo＝1．43／［〔R＋2R〕C］，權(quán)衡考慮到元器件的本錢和74LS121的相關(guān)性質(zhì)，最終選擇的電阻值為R1=15K，R2=68K，C=10uF。6設(shè)計總結(jié)經(jīng)過這次課程設(shè)計的學(xué)習(xí)，我確實(shí)學(xué)習(xí)了很多知識，真正的感受到了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，以及這之間莫大區(qū)別，到最后看著自己的結(jié)果心里還是感到很欣慰的。首先擺在我們面前的是要先弄懂所要設(shè)計電路的原理，于是最開場我們在拿到題目之后就查找了大量的相關(guān)的資料，再加上平時理論課的學(xué)習(xí)以及充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源和在圖書館借了相關(guān)的書籍資料，在仔細(xì)分析了這個題目所要到達(dá)的目的之后，我們初步確定了原理圖。接下來的是單元電路的設(shè)計，以及進(jìn)一步的分析其原理，實(shí)現(xiàn)哪些功能需要哪些電路，在此之間我們用到了以前沒有用到過的芯片，但最終我們還是弄清楚了其原理。經(jīng)過幾天的與大家的一起討論，做種確定好了符合要求的電路。看似很復(fù)雜的電路就這樣被我們攻克了。這次課程設(shè)，給我留下了很深的印象。由于接觸不多，開場學(xué)得很費(fèi)力，但到后來就好了。在以后的課程設(shè)計中，遇到問題，最好的方法就是問別人，因?yàn)槊總€人掌握情況不一樣，不可能做到處處都懂，發(fā)揮群眾的力量，復(fù)雜的事情就會變得很簡單。這一點(diǎn)我深