數字搶答器的畢業(yè)設計

1、 第一章引言1.1設計任務與要求(1搶答器同時供8名選手或8個代表隊比賽,分別用8個按鈕S0S7表示。(2設置一個系統清除和搶答控制開關S,該開關由主持人控制。(3搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕,鎖存相應的編號,并在L E D數碼管上顯示,同時揚聲器發(fā)出報警聲響提示。選手搶答實行優(yōu)先鎖存,優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統清除為止。(4搶答器具有定時搶答功能,且一次搶答的時間由主持人設定(如30秒。當主持人啟動"開始"鍵后,定時器進行減計時,同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響,聲響持續(xù)的時間0.5秒左右。(5參賽選手在設定的時間內進行搶答,搶答有效,定時器停止工作,顯

2、示器上顯示選手的編號和搶答的時間,并保持到主持人將系統清除為止。(6如果定時時間已到,無人搶答,本次搶答無效,系統報警并禁止搶答,定時顯示器上顯示00。1。2方案論證與比較與普通搶答器相比,本作品有以下幾方面優(yōu)勢:1、具有清零裝置和搶答控制,可由主持人操縱避免有人在主持人說“開始”前提前搶答違反規(guī)則。2、具有定時功能,在30秒內無人搶答表示所有參賽選手獲參賽隊對本題棄權。3、30秒時仍無人搶答其報警電路工作表示搶答時間耗盡并禁止搶答。4用集成器件設計的搶答器,集成器件的外圍電路簡單,一定程度減少實際制作電路的故障。1。3設計目的搶答器電路設計方案很多,有用專用芯片設計的、有用復雜可編程邏輯電路

3、設計的、有用單片機設計制作的、也有用可編程控制器完成的,但由于專用電路 芯片通常是廠家特殊設計開發(fā)的,一般不易買到或價格較高,用其它方式設計的需要設計者具有相應的理論知識,并要通過仿真器、應用軟件、計算機等輔助設備才能驗證完成,不利于設計者的設計和制作。而有些實際競賽的場合,只要滿足顯示搶答有效和有效組別即可,故我打算不用所給的參考電路,而用一片74LS297(8位的數據鎖存器來實現此簡易搶答器的功能。這是一個顯示方式簡單、價格低廉、經濟實用的搶答器。在要求不高的場合,能完全符合需要第二章設計原理與參考電路2.1數字搶答器總體方框圖如圖2.11數字搶答器框圖如圖2.11所示為總體方框圖。其工作

4、原理為:接通電源后,主持人將開關撥到"清除"狀態(tài),搶答器處于禁止狀態(tài),編號顯示器滅燈,定時器顯示設定時間;主持人將開關置“開始”狀態(tài),宣布"開始"搶答器工作。定時器倒計時,揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內搶答時,搶答器完成:優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后,定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作"清除"和"開始"狀態(tài)開關。 2。2多功能硬件與軟件設計及其理論分析與計算2.21搶答器電路參考電路如圖2。21所示。該電路完成兩個功能:一是分辨出選手按鍵

5、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;二是禁止其他選手按鍵操作無效。工作過程:開關S置于"清除"端時,R S觸發(fā)器的端均為0,4個觸發(fā)器輸出置0,使74L S148的=0,使之處于工作狀態(tài)。當開關S置于"開始"時,搶答器處于等待工作狀態(tài),當有選手將鍵按下時(如按下S5,74L S148的輸出經R S鎖存后,1Q=1,=1,74L S48處于工作狀態(tài),4Q3Q2Q=101,經譯碼顯示為"5"。此外,1Q=1,使74L S148=1,處于禁止狀態(tài),封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時,74L S148的此時由于仍為1

6、Q=1,使=1,所以74L S148仍處于禁止狀態(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開關重新置“清除”然后再進行下一輪搶答。74L S148為8線-3線優(yōu)先編碼器,表2.12為其功能表。如圖2.2274L148的功能真值表 如圖2.21數字搶答器電路由節(jié)目主持人根據搶答題的難易程度,設定一次搶答的時間,通過預置時間電路對計數器進行預置,計數器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供?？深A置時間的電路選用十進制同步加減計數器74L S192進行設計,具體電路如圖2。23所示。表2。24為74L S192的真值表。 如圖2.23可與知識間的定時電路圖2。24為74L

7、 S192的真值表輸入輸出M R非P LCP UCP DP3P2P1PQ3Q2Q1Q1X X X X X X X0000 O0X X D C B A D C B A O11X X X X加計數O11X X X X減計數2.2.2報警電路 圖2。22報警電路555定時器和三極管構成的報警電路如圖2。21所示。其中555構成多諧蕩器,振蕩頻率f o=1.43/(R I+2R2C,其輸出信號經三極管推動揚聲器。P R為控制信號,當P R為高電平時,多諧振蕩器工作,反之,電路停振。2.23時序控制電路如圖2。23時序控制電路是搶答器設計的關鍵,它要完成以下三項功能:主持人將控制開關撥到"開始

8、"位置時,揚聲器發(fā)聲,搶答電路和定時電路進入正常搶答工作狀態(tài)。當參賽選手按動搶答鍵時,揚聲器發(fā)聲,搶答電路和定時電路停止工作。 當設定的搶答時間到,無人搶答時,揚聲器發(fā)聲,同時搶答電路和定時電路停止工作。根據上面的功能要求以及圖2。11,設計的時序控制電路如圖2。41所示。圖中,門G1的作用是控制時鐘信號C P的放行與禁止,門G2的作用是控制74L S148的輸人使能端。圖11、4的工作原理是:主持人控制開關從"清除"位置撥到"開始"位置時,來自于圖11、2中的74L S279的輸出1Q=0,經G3反相,A =1,則時鐘信號C P能夠加到74L

9、 S192的C P D時鐘輸入端,定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G2的輸出=0,使74L S148處于正常工作狀態(tài),從而實現功能的要求。當選手在定時時間內按動搶答鍵時,1Q=1,經G3反相,A=0,封鎖C P信號,定時器處于保持工作狀態(tài);同時,門G2的輸出=1,74L S148處于禁止工作狀態(tài),從而實現功能的要求。當定時時間到時,則"定時到信號"為0,=1,74L S148處于禁止工作狀態(tài),禁止選手進行搶答。同時,門G1處于關門狀態(tài),封鎖C P信號,使定時電路保持00狀態(tài)不變,從而實現功能的要求。集成單穩(wěn)觸發(fā)器74

10、L S121用于控制報警電路及發(fā)聲的時間。2.2.4整機電路設計經過以上各單元電路的設計,可以得到定時搶答器的整機電路,如圖2.24 如圖2。24整機電路第三章各芯片的功能3.1 74LS148優(yōu)先編碼器在優(yōu)先編碼器中,允許同時輸入兩個以上的編碼信號。不過在設計優(yōu)先編碼器已經將所有的輸入信號按優(yōu)先順序排了隊,當幾個輸入信號同時出現時,只對其中優(yōu)先權最高的一個進行編碼圖3-1-1給出了8線-3線優(yōu)先編碼器74LS148的邏輯圖。如果不考慮由G1, G2和G3 構成的附加控制電路只有圖中虛線框以內的這一部分。從圖3-1-1寫出輸出的邏輯式。即得到 3-1-1為了擴展電路的功能和增加使用的靈活性,再

11、74LS148的邏輯電路中附加了由門G1,G2 和G3組成的控制電路,其中S非為選通輸入端。只有在S非=0的條件下,編碼器才能正常工作。而在S非=1時,所有的輸出端均被封鎖在高電平。選通輸出Y S非和擴展端Y EX非用于擴展編碼功能。由圖2-2-1可知 3-1-2 圖3-1-18線-3線優(yōu)先編碼器74LS148的邏輯圖從圖3-1-1還可以寫出 3-1-3這說明只要任何一個編碼輸入端有低電平信號輸入,且S=1,Y EX非即為低電平。因此,說Y EX非的低電平輸出信號表示電路工作而且有編碼輸入。根據式(3-1-1(3-1-2和3-1-3,可以列出表2-1-4所示的74LS148的功能表,它的輸入和

12、輸出均以低電平作為有效信號。表3-1-474LS148的功能表 由表中不難看出,在S非=0電路正常工作狀態(tài),允許I0I7當中同時有幾個輸入端為低電平,即有編碼輸入信號,I7非優(yōu)先權最高。I0非的優(yōu)先權最低,當I7非=0時。無論其余輸入端有無輸入信號(表中以X表示,輸出端只給出I7非的編碼,即Y2非與Y1非與Y0非=000。當I7非=1,I6非=0時,無論其余輸入端有無輸入信號,只對I6非編碼,Y2非與Y1非與Y0非=001。其余的輸入狀態(tài)不在這里說了啊。表中出先的3中情況可以用YS非和的Y EX非不同狀加以區(qū)分。 74LS148管腳排列圖3.2 74LS297芯片工作原理3.21 74LS29

13、7片具有鎖存器的功能其引腳圖3-2-1如下圖所示:74LS1485內部是4個基本RS觸發(fā)器組成的。當有一個人優(yōu)先搶答后其它的就不能搶答了。其它的雖然有電平輸入,但是輸入的電平保持原態(tài)不變,74LS297的內部的4 個基本觸發(fā)器的R輸入端為高電平有效。 圖3-2-174LS279的引腳圖A和管腳圖B3.22 74LS279鎖存電路器鎖存器電路可以用四R-S鎖存器74LS279組成,74LS279是由四個基本的R-S觸發(fā)器構成的鎖存電路,S非端為直接置“1”端,R非端為直接置“0”端 通常情況下輸入端為高電平,觸發(fā)器處于保持狀態(tài)。鎖存器參考電路如圖3-2-2所示。圖中R非端接主持人控制開關,搶答前

14、控制開關使鎖存器輸出為0,S1非,S2非,S3非,S4非分別與編碼器的輸出端A1,A2,A3和工作狀態(tài)標志GS聯接,當有搶答開關按下,編碼器輸出相應的二進制代碼,經鎖存器保持搶答信息,編碼器工作狀態(tài)標志GS使鎖存器輸出Q為“1”,Q聯接到編碼器74LS148的輸入使能端S封鎖其它路輸入,同時接譯碼器電路74LS247的控制端BI非RBO,當其為高電平時,譯碼器工作,當其為低電平時,字型全“滅”,Q1,Q2,Q3與譯碼顯示電路的輸入端相連,控制開關為支持人所設,S打向RESET端復位后才可以搶答。 如圖3-2-274LS297鎖存器參考3.3譯碼器3.31譯碼器的基本概述譯碼:譯碼的逆過程,即將

15、輸入代碼“翻譯”成特定的輸出信號譯碼器:實現譯碼功能的數字電路分類:變量譯碼器和顯示譯碼器。七段數字顯示原理 按內部連接方式不同,七段數字顯示器部分為其共陰極和供陽極兩種。 圖3-3-1半導體顯示器利用字段的不同組合,可分別顯示0-9十個數字,如圖3-2-2所示 七段數字顯示發(fā)光段組合圖3-3-23-3-3顯示譯碼器74LS48 圖3-3-374LS48的管腳排列圖圖3-3-3為試燈輸入:A0=0時,/LT=1時,若七段均完好,顯示字形“8”。 該輸入端常用于檢查74LS48顯示器的好壞;當A1=1時譯碼器方可進行譯碼顯示,用來動態(tài)滅0。當A2=1時,且A3=0,輸入A3A2A1A0=0000

16、時,則/IBX=0使數字符的各段熄滅:/LT為滅燈輸入/滅燈輸出,當VCC=0時不管輸入如何,數碼管不顯示數字;為控制低位滅0信號,當A3=1時,說明本位處于顯示狀態(tài);若A3=0且低位為0,則低位0被熄滅。表3-3-174LS48譯碼器的功能表 注:H=高電平L=低電平X=不定,1要求0到15的輸出時,滅燈輸入(BI必須為開路或保持高電邏輯平,若不滅掉十進制0則動態(tài)滅燈輸入(RBI必須開路或處于高邏輯電平。2當低邏輯電平直接加到滅燈輸入(BT時,不管其它任何輸入的電平如何。所有段的輸出端都為低電平。3當動態(tài)滅燈(RBI和輸入端A、B、C、D都處于低電平及試輸入為高電平時,所有段的輸出都為低電平

17、并且動態(tài)滅燈輸出(RBO處于低電平(響應條件4當滅燈輸入/動態(tài)滅燈輸出(BI/RBO開路或保持在電平,而試燈輸入為低電平時,則所有各段的輸出都為低電平。 注:BI/RBO是線與邏輯。用作滅燈輸入(BI或動態(tài)滅燈輸出(RBO之用,或兼作兩者之用。3.4芯片74LS19274LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數器CPU為加計數器時鐘輸入端CPD為減計數器時鐘輸入端LD為預置輸入控制端,異步預置。CR為復位輸入端,高電平有效,異步清除CO為進位輸出:1001狀態(tài)后負脈沖輸出BO為借位輸出:0000狀態(tài)后負脈沖輸出t圖3-4-174LS192引腳圖 74LS192功能表 第四章組裝調試與測試4.0元

18、器件安裝遵照從小到大,從里到外、先裝發(fā)熱慢的元件。后裝發(fā)熱快的元件。PCB圖見附錄圖一裝配圖見附錄二。4.1調試前的檢測電子安裝完畢,通常不宜急于通電,先要認真檢查一下,檢查內容包括(!連線是否正確A 檢查的方法通常有兩種方法這種方法的特點是,根據電路圖連線,按一定順序檢查安裝好的線路,由此可比較容易查出錯線或少線,B按照實際線路來對照原理圖電路進行查線。這是一種以元件為中心進行查線,把每個元件引腳的連線一次查請。檢查每個去處在電路圖上是否存在,這種方法不但可以查出錯線和少線,還容易查出多線。C為了防止出錯,對于已查過的線通常應在電路圖上做出標記,最好用指針式萬用表“歐姆1”檔,或用數字萬用表

19、的“二極管檔”蜂鳴器來測量元器件引腳,這樣可以同時發(fā)現接觸不良的地方。(2元器件的安裝情況檢查元器件引腳之間有無短路:連接處有無接觸不良。二極管的極性和集成元件的引腳是否連接有誤。(3電源供電,信號源連接是否正常。(4電源端對地是否有短路的現象。4.2通電觀察把經過準確測量的電源接入電路,觀察有無異常現象。包括有無冒煙,是否有異味,手摸器件是否發(fā)燙,電源是否有短路現象等,如出現異常,應立即斷電, 待排除鼓掌后才能再通電,然后測量各路總電源電壓和各器件的引腳的電源電壓,以保證元器件正常工作。4.3調試注意事項調試結果是否正確,很大程度受測量正確與否和測量精度的餓影響,為了保證調試的效果,必須減小

20、測量誤差,提高測量精度,為此需要注意以下幾點。1正確使用測量儀器的接地端;凡是使用低端接機殼的電子儀器進行測量,儀器的接地端應和放入的接地端接在一起,否則儀器機殼引入干擾不僅會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化,而且將使測量結果出現誤差,根據這一原則調試發(fā)射偏置電路時,若需測量VCE,不僅把儀器的兩端直接接在集電極和發(fā)射極上,而應分別對地測出VC、VE,然后將二者相減的VCE,若使用干電池供電的萬用表進行測量,由于電表的兩個輸入端是浮動的。所以允許直接跨接到測量點之間。測量電壓所用儀器器的輸入端阻抗必須大于被測處的等效阻抗,因為,若測量儀器輸入阻抗小,則在測量時會引起分流。給測量結果帶來很大的誤差。2

21、正確選擇測量點:用同一臺測量儀進行測量時,測量點不同,儀器內阻引進的誤差大小將不同。3測量方法要方便可行需要測量電路的電流時,一般盡可能測量電壓而不測電流,因為測電壓不必改動被測電路,測量方便。若需知道某一支路的電流值,可以通過測取該支路上電阻兩端的電壓,經過換算而得到。第五章EWB仿真仿真圖如下通 過觀察波型與燈的指示可以得出以下結論: 1仿真搶答過程,假設由任一組別先按下搶答鍵,其余幾組分別在之后任一時刻按下。KEY_1在第一時刻輸入高電平“1”表示1組先按下,其余各組分別在之后搶答。由仿真結果可以看出LED_1一直保持高電平“1”不變,表示1組別對應的LED燈點亮,獲得搶答權。由此可見,

22、此電路實現了搶答的基本功能。2此電路主要芯片為2片74LS192,是十進制同步加法/減法計數器,所以需要同步時序脈沖的控制,所以輸入為1Hz的秒脈沖,以及主持人控制開關FW輸入為高電平“1”,使定時電路計數有效,觀察輸出信號H、L信號(已經大包,分別為高位的4位輸出、低位的4位輸出,打包成16進制輸出,我們可以從仿真電路圖中直接看出結果:30-29-28-27-2601、00并且高位借位信號BO1從高電平“1”低電平“0”,實現了30s定時的功能,輸出的借位脈沖可以給報警電路,使蜂鳴器報警。3從仿真圖中可以直觀地看出當2號組別鍵按下時,對應的2號LED發(fā)光,再當主持人按下復位鍵J1時,LED燈

23、熄滅,當復位鍵彈起時,即可以開始搶答。第六章擴展功能1、可以設計聲控裝置,在主持人說開始時,系統自動完成清零并開始計時的功能。2、在主持人讀題的過程中,禁止搶答,可以在主持人控制的開關上另接一個與圖2。21一樣的電路,即可實現“違規(guī)者可見”的功能,即在主持人讀題時如果有人違反比賽規(guī)定搶先按動按鈕,顯示器可以顯示是哪個參賽隊搶先,便于作出相應的處理。第七章元件清單74L S148 174L S279 174L S48 374L S192 2 N E555 274L S00 174L S121 1510 21K94.7k 15.1k 1100k 110k 168k 115k 10.1u F 110

24、u f 2100u f 1第8章總結與致謝8.1 總結雖然在設計本系統之初,我已對一個完整課題的設計有一定的基礎了解,但是在格式和綜合運用各方面等方面還存在較大的問題。通過在指導老師等幫助下,我首先用了一段時間對模擬電路的知識進行了溫習,然后再根據以前對Protel DXP 的實訓操作進行反復練習,最后對各個需要用到的知識有了一定的掌握和分析能力。在這之后的幾個星期中,我計劃的安排了設計時間,即此課題的需求分析、 總體設計、詳細設計、系統調試等步驟,分階段地完成各設計任務。接著,根據設計任務書以及需求分析的要求,對設計內容進行規(guī)范化和具體化,并以前臺Word作為界面的設計工具對本課題進行了詳細

25、的設計。在完成本設計的過程中,我既感受到面對復雜問題時的懵懂,也體會到問題得以解決時的快樂。同時,也總結了以下一些經驗:(1設計著手較早,但由于剛開始時間較松,進度較慢。到后來感覺設計時間的緊迫性才全身心投入到制作之中,以便按時完成了任務。(2學習設計一個系統課題,實踐是最好的方法。我對電路和軟件設計的學習實際上分為兩個階段。前一階段因課時內容而學習,而在這一階段中,我總有隔霧觀花的感覺,一些知識不是很扎實。后一階段通過實踐學習,很多前一階段不甚了解的問題都迎刃而解。(3要學會抓住課本和運用互聯網工具。課本是完成設計的基礎,而互聯網是一個具有大量資源的信息寶庫,我們必須綜合運用。總結這次設計的過程,取得了更多的收獲,但也有些地方設計的不是很完美。還有一些需要提高和改進的地方。(1是系統的功能實現并不完全,實際工作中在分析時沒有考慮進去,也沒能實現。(2是設計過程中時間分配不合理,后期較為緊張的時間給我的工作帶來很大的被動。(3是知識積累的不夠完整,有很多知識都是臨到用了才去重點補習,這樣學到的知識畢竟不牢,而且用起來也不靈活?？傊?經過這次畢業(yè)設計,我感覺自己從理論到實際操作都有很大的提高,也深刻認識到要完成一項任務,首先必須要