毕业设计（论文）多路智力竞赛抢答器设计.doc

武汉工程职业技术学院数字电路智力抢答器的设计专业：04级信息工程系 班级：应用电子专业 姓名： 学号：04154132指导老师： 毕业设计（论文）任务书设计题目： 多路智力竞赛抢答器的设计设计人姓名：系 别：信息工程系指导老师：陈 贞 罗 敏进行时期：2006-2007第二学期（1-14周）1、 毕业设计论文的原始资料和基本要求：（1） 见毕业设计论文撰写的内容与要求（2） 多路智力竞赛抢答器的设计功能说明和技术要求2、参考资料：1）数学电路与逻辑设计曹国清主编；中国矿业大学出版社2）电子技术课程设计历雅萍、易映萍编；高等教育出版社3）电子技术课程设计指导彭介华 主编；高等教育出版社4）电子线路设计、实验、测试 谢自美主编；华中理工出版社5）经典集成电路400例任致程主编；机械工业出版社4：进度安排表周次设计内容指导时间地点1下达毕业论文课题2生产实习3-4收集资料512系统设计、撰写论文13修改论文14毕业论文答辩目录摘  要：5第一章前言6第二章方案的选择72.1方案72.2基本功能72.2.1 基本功能72.2.2 扩展功能72.3方案设计82.3.1 选用74系列芯片实现的理由：82.3.2 原理框图82.3.3 原理简述8第三章电路设计103.1抢答电路103.1.1 电路功能103.1.2 与其他电路的接口103.1.3 具体原理103.1.4原理图103.2定时电路123.2.1电路功能：123.2.2与其他电路接口：123.2.3具体原理：123.2.4原理图：133.3报警控制电路153.3.1电路功能：153.3.2与其他电路接口：153.3.3具体原理：153.3.4原理图：163.4时序控制电路163.4.1电路功能：163.4.2与其他电路接口：163.4.3具体原理：173.4.4原理图：17第四章调试204.1单元电路检测204.1.1 抢答电路204.1.2定时电路204.1.3时序控制及报警电路204.2整机电路调试21第五章所用元器件列表22第六章结束语23致谢：24参考文献25多路智力竞赛抢答器设计 摘  要：数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。关键词:抢答电路 定时电路 报警电路 时序控制。第一章 前言在现代社会生活中，各种各样的娱乐活动相继尔出。智力竞赛作为一种生动活泼的教育形式和方法能够引起观众极大的兴趣。而在竞赛中往往分为几组参加，为了体现比赛的公平公正性，就需要一种设备来实现这个目标应此竞赛抢答器就相应产生。目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际。第二章 方案的选择2.1方案目的：设计一个多路智力抢答器，力求使其功能齐全，连线简单，方便举行竞赛活动。本方案有以特点：1、 可由主持人操纵避免有人在主持人说“开始”前提前抢答违反规则的抢答控制和清零装置。2、 具有定时功能，在30秒内无人抢答表示所有参赛选手获参赛队对本题弃权。3、 在规定时间内无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。2.2基本功能2.2.1 基本功能（1） 设计一个多路智力竞赛抢答器，同时供8个选手参赛，编号分别为1到8，每个人用一个抢答按键。给节目主持人一个控制开关，实现系统清零和抢答的开始。（2） 具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，如果有选手按下抢答按键，其编号立即锁存并显示在LED上，同时扬声器报警。此外，禁止其他选手再次抢答。选手编号一直保存到主持人清除。 2.2.2 扩展功能（1） 具有定时抢答功能，可由主持人设定抢答时间。当抢答开始后，定时器开始倒计时，并显示在LED上，同时扬声器发声提醒。（2） 选手在规定时间内抢答有效，停止倒计时，并将倒计时时间显示在LED上，同时报警。（3） 在规定时间内，无人抢答时，电路报警提醒主持人，次后的抢答按键无效。2.3方案设计2.3.1 选用74系列芯片实现的理由：（1） 与我们刚学的 数字电路与逻辑设计联系紧密。能将书面知识自己动手实践下，有利于我们对于知识的掌握。 （2） 74系列芯片价格便宜，用其实现成本较低基本能满足学校场合需要。74系列芯片实现原理图：（详见图1）2.3.2 原理框图 显示译码数据锁存器优先编码器抢答按键抢答显示报警电路时序控制电路主持人控制开关 显示译码定时显示定时电路脉冲产生电路图（1） 原理框图2.3.3 原理简述定时抢答器的总体框图如图（1）所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成，上面一部分为主体电路，下面一部分为扩展电路。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。定时抢答器的工作过程是：接通电源后，主持人将开关拨到"清除"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布"开始"抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：1. 优先级电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；2. 扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；3. 控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；4. 控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。第三章 电路设计3.1 抢答电路3.1.1 电路功能一是将抢答选手的编号识别出并锁存显示到数码管上，二是使其他选手按键无效；三是有人抢答时输出时序控制信号，使计数电路停止工作并报警。3.1.2 与其他电路的接口S： 输入，与主持人总控相接，此处控制数码管的清零；/ST： 输入，74148的使能控制端（由7408输入）；/YEX： 输出，报警时序控制（与74121相连）；CTR： 输出，报警时序控制（与7400相连）；3.1.3 具体原理该部分主要由74148优先编码器、锁存器74279、译码器7448、按键、7段数码管组成。如图所示，抢答输入端为74148的/I7到/I0脚，当有选手按键时，74148的相应的引脚为低电平，电路完成以下动作：（1）、74148将编码输入到锁存其中，并通过锁存器由7448译码后显示到数码管上；（2）、74148译码输出端/YEX0，通过控制时序电路使74148的使能端/ST为1，74148停在译码工作，使以后其他选手的按键无效；（3）、时序信号/YEX=0，CTR=1，通过控制时序电路使计时电路停止工作，报警电路报警。3.1.4 原理图图（2） 抢答电路部分表（1） 74LS148的功能真值表3.2 定时电路3.2.1 电路功能：由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路如图(3)所示。3.2.2 与其他电路接口：CLCK： 输入，计数脉冲，时序控制电路产生， 由7411输出；S： 输入，主持人总控，此处控制计数器74192的预置数；BO2： 输出，倒计时时间到时输出低电平0，与时序电路74121相接，控制报警；3.2.3 具体原理：原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如定时电路所示。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG 上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，BO2输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。下面结合图（4）具体讲下标准秒脉冲产生电路的原理。结合图(4)图中电容C的放电时间和充电时间分别为 ，于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为，结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得，即秒脉冲。Ui1Ui2UOT的工作状态0××0导通11截止11截止10导通10导通表（2） 555定时器功能表3.2.4 原理图： 图（3） 定时电路部分图（4） 标准秒脉冲产生电路3.3 报警控制电路3.3.1 电路功能：由555定时器和三极管构成的报警电路如图11、4所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo143（RI2R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。3.3.2 与其他电路接口：/YEX： 输入，由抢答电路提供BO2： 输入，由计数电路提供S： 输入，来自主持人按键PR： 来自74121的/Q，与555的RST脚相接，控制555的振荡振荡与否。3.3.3 具体原理：主要由555时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。单稳态触发器74121通过信号/YEX、BO2、S控制报警与否和报警时间，555时钟电路产生脉冲时钟。当74121输出单稳态触发器的输出延时：。取10uF, =620K,有4.3秒。上电时，74121的状态为，PR=1，555振荡，蜂鸣器按时钟频率鸣叫，表示电路正常工作；当主持人按下键时，不能报警提醒选手，由于121不能实现次功能，这是本设计的缺陷；在规定的时间有人抢答时，/YEX由1跳变到0，74121有状态2，即/Q输出暂态低电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为=4.3秒；如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态2，/Q输出暂态低电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为。3.3.4 原理图：图（5） 报警控制电路部分3.4 时序控制电路3.4.1 电路功能：它要完成以下四项功能：（1）主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。（2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。（3）当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。3.4.2 与其他电路接口：BO2： 输入，由计数电路产生；CTR： 输入，由抢答电路产生；/ST： 输出，控制抢答电路；CLCK： 输出，提供给计数电路；3.4.3 具体原理：该部分主要由定时器555、单稳态触发器74121、与非门7400、三段输入与门7411和相关电路组成。由555产生计数脉冲，通过7400和7411结合控制信号BO2、CTR控制输入到计数电路的脉冲有无。脉冲周期，选择电容为10uF，电阻的值为144.44时t为一秒，本设计中选取20K，62K，0.998S。输出到计数电路的脉冲为，抢答开始时，BO2=/ST=1，故CLCK=CP，计数器正常工作，当计数时间到时（BO2=0）或者有人抢答时（CTR=1），/ST=1，74148使能端为高电平，禁止编码，即此后的抢答无效。3.4.4 原理图：图(6) 时钟产生和时序控制电路根据上面的功能要求以及数字抢答器电路，设计的时序控制电路如时序控制电路所示。图中，与门G1 的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端（即图二中的5端）。 标准秒脉冲产生电路的工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始” 位置时，来自于数字抢答器电路中的74LS279的输出 1Q,即CTR=0，经G3反相，输出为1，则NE555产生的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端（图中用CLCK表示接入到74LS192CPD端的信号），定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则"定时到信号"为 1，门G2的输出 =0，使 74LS148处于正常工作状态，从而实现功能的要求。当选手在定时时间内按动抢答按键时，CTR1，经G3反相，输出为0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能的要求。当定时时间到时，则"定时到信号"为0，/ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关门状态，封锁时钟CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能的要求。图(7) 触发器74LS121集成单稳态触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间（其功能表见表3）,具体原理如下：主要由555时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。单稳态触发器74121通过信号/Ys、BO2、S控制报警与否和报警时间，555时钟电路产生脉冲时钟。在规定的时间有人抢答时，/Ys由1跳变到0，74121有状态2（见表3状态编码），即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为=4.3秒；如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态1，Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为结合图5所示报警电路，分析计算如下：。取100uF, =51K,。有4.3秒。 表(3) 74121功能表第四章 调试4.1单元电路检测4.1.1 抢答电路把主持人的控制开关设置为“清除”位置，用万用表检查RS触发器的端为低电平，输出端（4Q1Q）全部为低电平。于是74LS48的4端/BI/RBO=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端，即5端/ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。然后把主持人的控制开关拨到“开始”位置，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，给8路抢答端口即输入端给上低电平的输入信号，如当有选手将抢答按键按下时（如按下），74LS148的输出=010，=0，经RS锁存器后，74279的输出1Q,即CTR=1，/BI/RBO =1，74LS279处于工作状态，输出端4Q3Q2Q=101，=0，经RS锁存器后，出“5”。此外，CTR=1，使74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。4.1.2定时电路用示波器检查555的输出波形是否为1Hz的方波信号，如不是对555的外围电路进行调整达到要求为止。给74LS192的数据输入端设定一次抢答的时间，如35秒（00110101）的八位数据。观察显示器的显示时间是否进行减计数。有问题按原理进行修改。4.1.3时序控制及报警电路<1> 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。<2> 当参赛选手按动抢答按键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。<3> 当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。4.2整机电路调试 开始时，主持人将控制开关接地，抢答电路部分锁存器74LS279的状态输出全为0，74LS48的灭灯输入与锁存器74LS279的Q1相接，故抢答电路无显示（清除）；与此同时，在计时电路部分，减法计数器74LS192的预置数端为0，将事先的预置数送入减法计数器中。当主持人按键弹起时，计数器开始计数工作，抢答开始。在没有人按键且抢答时间没到时，优先编码器/Yex输出为1，计数器BO2输出为1，74148的5端，即0, 而优先编码器和计数器都正常工作；当在规定时间有人按下抢答按键时，/YEX输出为“0”， CTR=1，/ST=1，优先编码器停止工作，此后选手的抢答无效，电路将按键者的编号显示在LED上；同时，CTR=1，计数部分的计数脉冲=0，计数器停止工作，此时的倒计时时间记录并显示在LED上；74148的/Ys端由1跳变到0，74121有状态2，即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为=4.3秒。如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态2， Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为=4.3 秒；ST=1，抢答电路停止工作，此后的抢答按键无效。第五章 所用元器件列表(1). 集成电路74LS148 1片，74LS279 1片，74LS48 3片，74LS192 2片，NE555 2片，74LS00 1片，74LS121 1片。(2). 电阻 510 2只，1K 9只，4.7k l只，5.1k l只，100k l只，10k 1只， 15k 1只， 68k l只。(3). 电容 0.1uF 1只，10uf 2只，100uf 1只。(4). 三极管 3DG12 1只。(5). 其它：发光二极管2只，共阴极显示器3只。第六章 结束语本设计介绍了一种数字多路智力抢答器的设计方案的功能及在设计过程中所做的改进。这种抢答器主要是用74系列集成芯片和555芯片组成，成本较低，设计简单容易实现。致谢： 感谢武学院提供这次的机会；感谢感谢电子信息系陈贞、罗敏老师在我陷入困境时的点拨；同时感谢各位同学的帮忙，在这里衷心的说声谢谢了！参考文献1 数学电路与逻辑设计曹国清主编；中国矿业大学出版社2 电子技术课程设计历雅萍、易映萍编；高等教育出版社3 电子技术课程设计指导彭介华 主编；高等教育出版社4 电子线路设计、实验、测试 谢自美主编；华中理工出版社经典集成电路400例任致程主编；机械工业出版社5 模拟电子技术基础（第二版）童诗白主编，高等教育出版社，1998年4月6 杨盘洪. 最新集成运算放大器应用手册M.山西科学技术出版社,1998 ,9.7 电子线路设计、实验、测试 谢自美主编；华中理工出版社8 电子线路及应用张洪润、唐昌建、马平安编著，科学出版社，2003年1月