四路智能搶答器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、電子科學(xué)系電子信息科學(xué)與技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱： 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 課題題目： 四路智能搶答器專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù)姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 課題題目：四路智能搶答器一、課程設(shè)計(jì)目的本次課程設(shè)計(jì)主要是配合模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)理論課程而設(shè)置的一門實(shí)踐性課程，起到鞏固所學(xué)知識(shí)，加強(qiáng)綜合能力，培養(yǎng)電路設(shè)計(jì)能力，提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)，啟發(fā)創(chuàng)新思想的效果。二、初始條件：本課程設(shè)計(jì)，要求用集成電路：74lsl48，74ls192,74ls175，74ls160,74ls00，74ls04，74ls20,74ls48,74ls32,555定時(shí)器和其它器件等，實(shí)現(xiàn)四路定時(shí)搶答功能。 三、要求完成的

2、主要任務(wù): 1、 可同時(shí)供4名選手（或代表隊(duì)）參賽，其編號(hào)分別是1到4，各用一個(gè)搶答按鈕，按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)相對(duì)應(yīng)。給節(jié)目主持人設(shè)置一個(gè)控制開(kāi)關(guān)，用來(lái)控制系統(tǒng)的清零(編號(hào)顯示數(shù)碼管滅燈)和搶答的開(kāi)始。2、搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開(kāi)始后，若有選手按動(dòng)搶答按鈕，編號(hào)立即鎖存，并數(shù)碼管上顯示選手的編號(hào)，同時(shí)揚(yáng)聲器給出聲音提示；同時(shí)封鎖輸入電路，禁止其它選手搶答。3、搶答器具有定時(shí)搶答的功能，且一次搶答的時(shí)間為10秒。當(dāng)主持人啟動(dòng)“開(kāi)始”鍵后，要求定時(shí)器立即進(jìn)行加計(jì)時(shí)，并用顯示器顯示。 4、參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作,顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答時(shí)刻的時(shí)間

3、，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止；如果定時(shí)搶答的時(shí)間已到，而沒(méi)有選手搶答時(shí)，并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答，定時(shí)顯示器上顯示0。目錄1 功能介紹3 1.1主要功能介紹3 1.2擴(kuò)展功能介紹32總體方案設(shè)計(jì)33單元模塊設(shè)計(jì)43.1搶答器控制端電路功能介紹43.2定時(shí)時(shí)間電路53.3控制電路和報(bào)警電路53.4振蕩電路64主要芯片介紹 74.1 優(yōu)先編碼器 74ls14874.2 計(jì)數(shù)器74ls192 85四人搶答器仿真96系統(tǒng)調(diào)試 97設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題和解決辦法 118設(shè)計(jì)成品的優(yōu)點(diǎn)與不足 119心得體會(huì)1210參考文獻(xiàn) 121功能介紹1.1主要功能介紹 （1）搶答器最多可供4名選手參賽，編號(hào)為

4、14號(hào)，各隊(duì)分別用一個(gè)按鈕（分別為j1、j2、j3、j5）控制，并設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清零和搶答控制開(kāi)關(guān)j4,j7，該開(kāi)關(guān)由主持人控制。 （2）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(lái)，直到主持人清零。 （3）開(kāi)關(guān)j4作為清零及搶答控制開(kāi)關(guān)（由主持人控制），當(dāng)開(kāi)關(guān)j4被按下時(shí)搶答電路清零，當(dāng)開(kāi)關(guān)j7松開(kāi)后則允許搶答。輸入搶答信號(hào)由搶答按鈕開(kāi)關(guān)j1、j2、j3、j5實(shí)現(xiàn)。 （4）有搶答信號(hào)輸入（開(kāi)關(guān)j1、j2、j3、j5中的任意一個(gè)開(kāi)關(guān)被按下）時(shí)，并顯示出相 對(duì)應(yīng)的組別號(hào)碼。此時(shí)再按其他任何一個(gè)搶答器開(kāi)關(guān)均無(wú)效，指示燈依舊“保持” 第一個(gè)開(kāi)關(guān)按下時(shí)所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)不變。設(shè)計(jì)要求1.2擴(kuò)展功

5、能介紹 （1）搶答器具有定時(shí)搶答的功能，且一次搶答的時(shí)間為3秒。當(dāng)節(jié)目主持人啟動(dòng)“開(kāi)始”鍵后，要求定時(shí)器立即減計(jì)時(shí)，并用顯示器顯示。（2）參加選手在未開(kāi)始搶答時(shí)按下?lián)尨疰I，則犯規(guī)。顯示器上顯示并閃爍選手的編號(hào)。 （3）參加選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答時(shí)刻的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 （4）如果定時(shí)搶答的時(shí)間已到，卻沒(méi)有選手搶答時(shí)，本次搶答無(wú)效，封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答，時(shí)間顯示器上顯示并閃爍0。2總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求（1）主持人有開(kāi)始鍵和復(fù)位鍵，按下開(kāi)始鍵后才能開(kāi)始搶答，否則犯規(guī)。（2）用數(shù)碼管顯示，正常搶答后顯示搶到的隊(duì)號(hào)，

6、如果犯規(guī)則閃爍顯示隊(duì)號(hào)。（3）如果3秒內(nèi)沒(méi)有搶答，則說(shuō)明該題超時(shí)作廢，用0閃爍表示。（4）復(fù)位鍵用于恢復(fù)犯規(guī)或超時(shí)狀態(tài)如圖1所示為總體方框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開(kāi)關(guān)撥到"清零"狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間；主持人將開(kāi)關(guān)置;開(kāi)始"狀態(tài)，宣布"開(kāi)始"搶答器工作。定時(shí)器倒計(jì)時(shí)。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示。當(dāng)一輪搶答之后，定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。如果再次搶答必須由主持人再次操作"清除"和"開(kāi)始"狀態(tài)開(kāi)關(guān)。

7、圖13單元模塊設(shè)計(jì) 31搶答器控制端電路功能介紹設(shè)計(jì)電路見(jiàn)圖2所示。電路選用優(yōu)先編碼器 74ls148 和鎖存器 74ls175來(lái)完成。該電路主要完成兩個(gè)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(hào)，同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào)（顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管）；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無(wú)效。工作過(guò)程：開(kāi)關(guān)自上而下，分別是j1,j2,j3 j4,j5，j5是控制清零端，當(dāng)j5閉合（清零）時(shí)，計(jì)時(shí)模塊74ls160的mr端和搶答模塊74ls175的mr端都置1，使整個(gè)模塊處于等待工作狀態(tài)；當(dāng)j5斷開(kāi)時(shí)，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(shí)（如按下j2），74ls148的

8、輸出經(jīng)74ls48譯碼器接到七段顯示電路處于工作狀態(tài)，4q3q2q=010,經(jīng)譯碼顯示為“2”。此外，mr1，使74ls148 優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端（圖中2號(hào)端）1，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開(kāi)即按下時(shí)，74ls148的 此時(shí)由于仍為ctr1，使優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端為1，所以74ls148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會(huì)出二次按鍵時(shí)輸入信號(hào)，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將j5開(kāi)關(guān)重新置“清零”然后才可能進(jìn)行。 圖232定時(shí)時(shí)間電路功能介紹 原理及設(shè)計(jì)：該部分主要由555定時(shí)器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74ls160、十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器74ls192、74ls48譯碼

9、電路和1個(gè)7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。具體電路如圖3所示。一塊74ls192實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，通過(guò)譯碼電路74ls48顯示到數(shù)碼管上，其時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供。74192的預(yù)置數(shù)控制端實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)，當(dāng)有人搶答時(shí)，停止計(jì)數(shù)并顯示此時(shí)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間；如果沒(méi)有人搶答，且倒計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)， 輸出低電平到時(shí)序控制電路，之后選手搶答無(wú)效。 圖333控制電路和報(bào)警電路 由555 芯片構(gòu)成多諧振蕩電路 ,555 的輸出信號(hào)再經(jīng)或門控制時(shí)序?？刂齐娐钒〞r(shí)序和報(bào)警兩個(gè)電路 ,如圖3所示?？刂齐娐沸杈哂幸韵聨讉€(gè)功能： 主持人閉合開(kāi)關(guān),多路搶答器電路和計(jì)時(shí)電路進(jìn)入正常狀態(tài); 參賽者按鍵時(shí) ,搶答電路和計(jì)時(shí)電路停止工作; 搶

10、答時(shí)間到 ,無(wú)人搶答 ,搶答電路和計(jì)時(shí)電路停止工作3.4振蕩電路本系統(tǒng)需要產(chǎn)生頻率為500khz的脈沖信號(hào)，用于觸發(fā)器的cp信號(hào)，及頻率為1hz信號(hào)用于計(jì)時(shí)電路。以上電路可用555定時(shí)器組成，也可用石英晶體組成的振蕩器經(jīng)過(guò)分頻得到。4主要芯片介紹 41 優(yōu)先編碼器 74ls14874ls148為8線3線優(yōu)先編碼器，表4.1.1為其真值表，表4.1.2為其功能表,圖4.1.1為其管腳圖。74ls148管腳圖 表4.1.2 74ls148 8線3線二進(jìn)制編碼器真值表 74ls148工作原理如下： 該編碼器有8個(gè)信號(hào)輸入端，3個(gè)二進(jìn)制碼輸出端。此外，電路還設(shè)置了輸入使能端ei，輸出使能端eo和優(yōu)先編

11、碼工作狀態(tài)標(biāo)志gs。 當(dāng)ei=0時(shí)，編碼器工作；而當(dāng)ei=1時(shí)，則不論8個(gè)輸入端為何種狀態(tài)，3個(gè)輸出端均為高電平，且優(yōu)先標(biāo)志端和輸出使能端均為高電平，編碼器處于非工作狀態(tài)。這種情況被稱為輸入低電平有效，輸出也為低電來(lái)有效的情況。當(dāng)ei為0，且至少有一個(gè)輸入端有編碼請(qǐng)求信號(hào)（邏輯0）時(shí)，優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標(biāo)志gs為0。表明編碼器處于工作狀態(tài)，否則為1。由功能表可知，在8個(gè)輸入端均無(wú)低電平輸入信號(hào)和只有輸入0端（優(yōu)先級(jí)別最低位）有低電平輸入時(shí)，a2a1a0均為111，出現(xiàn)了輸入條件不同而輸出代碼相同的情況，這可由gs的狀態(tài)加以區(qū)別，當(dāng)gs1時(shí)，表示8個(gè)輸入端均無(wú)低電平輸入，此時(shí)a2a1a0=111為

12、非編碼輸出；gs0時(shí)，a2a1a0=111表示響應(yīng)輸入0端為低電平時(shí)的輸出代碼（編碼輸出）。eo只有在ei為0，且所有輸入端都為1時(shí)，輸出為0，它可與另一片同樣器件的ei連接，以便組成更多輸入端的優(yōu)先編碼器。 從功能表不難看出，輸入優(yōu)先級(jí)別的次為7，6，0。輸入有效信號(hào)為低電平，當(dāng)某一輸入端有低電平輸入，且比它優(yōu)先級(jí)別高的輸入端無(wú)低電平輸入時(shí)，輸出端才輸出相對(duì)應(yīng)的輸入端的代碼。例如5為0。且優(yōu)先級(jí)別比它高的輸入6和輸入7均為1時(shí)，輸出代碼為010，這就是優(yōu)先編碼器的工作原理 4.3 計(jì)數(shù)器74ls19274ls192具有下述功能： 異步清零：cr=1，q3q2q1q0=0000 異步置數(shù)：cr

13、=0，ld=0，q3q2q1q0=d3d2d1d0保持： cr=0，ld=1，cpu=cpd=1,q3q2q1q0保持原態(tài) 加計(jì)數(shù)：cr=0, ld=1，cpu=cp，cpd=1，q3q2q1q0按加法規(guī)律計(jì)數(shù) 減計(jì)數(shù)：cr=0, ld=1，cpu=1，cpd= cp，q3q2q1q0按減法規(guī)律計(jì)數(shù)74ls192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。 cpu為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，cpd為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。ld為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。 cr為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。 co為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出 bo為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。圖4.3. 74ls192管腳引線圖5四

14、人搶答器仿真按照總體電路圖在仿真軟件proteus7.5上一一選擇芯片并進(jìn)行連接，然后啟動(dòng)開(kāi)關(guān)觀察。下面，我們分兩部分對(duì)設(shè)計(jì)出的電路進(jìn)行proteus7.5仿真。我們將各部分電路在proteus7.5上連接好后，為各個(gè)電阻和電容選取適當(dāng)值，為各個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)置好適當(dāng)?shù)逆I盤打開(kāi)數(shù)值（例如，為某一開(kāi)關(guān)設(shè)為1連接，則啟動(dòng)proteus7.5m仿真按鈕后，在鍵盤上按1則此開(kāi)關(guān)就由斷開(kāi)狀態(tài)變?yōu)檫B接狀態(tài)）然后打開(kāi)proteus7.5的開(kāi)關(guān)，即可根據(jù)顯示器上顯示的數(shù)字以及二極管的亮滅情況來(lái)判斷電路設(shè)計(jì)是否成功。6系統(tǒng)調(diào)試 把上面所設(shè)計(jì)的單元電路連接起來(lái)可得到整機(jī)電路。7.1搶答顯示功能測(cè)試（圖4）7.2清零功能測(cè)

15、試（圖5）7.3倒計(jì)時(shí)功能測(cè)試(圖6) 圖4圖5圖67、設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題和解決辦法（1）在設(shè)計(jì)方案時(shí)，遇到了信號(hào)不能鎖存的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)查找資料，了解如何通過(guò)d觸發(fā)器的輸出信號(hào)來(lái)反饋回d觸發(fā)器的脈沖端來(lái)進(jìn)行鎖存。（2）在仿真時(shí)遇到了555不能仿真和沒(méi)仿真元件74ls121的問(wèn)題。通過(guò)翻閱書(shū)本了解555如何準(zhǔn)確使用和上網(wǎng)搜索74ls121的代替元件來(lái)解決。（3）當(dāng)焊完電路調(diào)試時(shí)，數(shù)碼管沒(méi)顯示。于是對(duì)照電路圖來(lái)逐一檢查，發(fā)現(xiàn)有些管腳沒(méi)接上。例如數(shù)碼管的接地端沒(méi)接地、74ls192的clr腳沒(méi)接地等等。8、設(shè)計(jì)成品的優(yōu)點(diǎn)與不足優(yōu)點(diǎn)：元器件較少，功能滿足要求不足：（1）在設(shè)計(jì)時(shí)，用了d觸發(fā)器來(lái)進(jìn)行搶答信號(hào)

16、的篩選和鎖存，在同時(shí)按下s0和s1時(shí)（其同時(shí)按下的幾率較小，其可精確到微秒甚至納秒級(jí)，但情況還是會(huì)存在的）會(huì)顯示“3”，而按s2時(shí)也會(huì)顯示“3”，所以顯示“3”的幾率大一點(diǎn)，但幾率很小。改良：可改用編碼器和鎖存器來(lái)代替d觸發(fā)器。（2）電路跳線較多，使得電路板外觀不好。改良：焊線路前應(yīng)細(xì)心考慮元件的排布和線路的連接。9、心得體會(huì) 這一課程設(shè)計(jì)使我們將課堂上的理論知識(shí)有了進(jìn)步的了解，并增強(qiáng)了對(duì)數(shù)字電子技術(shù)這門課程的興趣。了解了更多電子元件的工作原理，如：74ls121、74ls48、74ls192等。但同時(shí)也暴露出我在知識(shí)上掌握不足等缺點(diǎn)。其次在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中由于我們頻繁的使用一電子設(shè)計(jì)軟件如：multisim等，因此使我熟悉了軟件的使用，同時(shí)在電腦的電子設(shè)計(jì)和繪圖操作上有了進(jìn)一步提高。加上在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了一些問(wèn)題，使得我得查找相關(guān)資料，從而增長(zhǎng)知識(shí)