智能搶答器設(shè)計(jì)與制作

1、題目：智能搶答器設(shè)計(jì)與制作目錄第1章課程設(shè)計(jì)目的1搶答器的特點(diǎn)及應(yīng)用1設(shè)計(jì)任務(wù)1設(shè)計(jì)任務(wù)及目標(biāo)1主要參考器件2第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和方案分析3電路組成原理3設(shè)計(jì)思路3設(shè)計(jì)方案4第3章硬件電路設(shè)計(jì)和仿真5倒計(jì)時(shí)模塊5TOC o 1-5 h z3.1.1計(jì)時(shí)器的基本原理574LS192減法計(jì)數(shù)器61.3秒脈沖發(fā)生器8搶答器模塊874LS148優(yōu)先編碼器8鎖存器的工作原理8數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及顯示電路10總電路圖仿真11第4章硬件調(diào)試過(guò)程及解決方法12第5章總結(jié)13資料來(lái)源13第1章課程設(shè)計(jì)目的搶答器的特點(diǎn)及應(yīng)用當(dāng)今的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，選拔人才，評(píng)選優(yōu)勝，知識(shí)競(jìng)賽之類的活動(dòng)愈加頻繁，那么也就必然離不開(kāi)搶答器。

2、而現(xiàn)在的搶答器有著數(shù)字化，智能化的方向發(fā)展，這就必然提高了搶答器的成本。鑒于現(xiàn)在小規(guī)模的知識(shí)競(jìng)賽越來(lái)越多，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型搶答器必將大有市場(chǎng)。本搶答器與其他搶答器電路相比較有分辨時(shí)間極短、結(jié)構(gòu)清晰，成本低、制作方便等優(yōu)點(diǎn)，并且還有防作弊功能。因此，我們制作了這款簡(jiǎn)易四路搶答器屏棄了成本高，體積大，而且操作復(fù)雜。我們采用了數(shù)字顯示器直接指示，自動(dòng)鎖存顯示結(jié)果，因而本搶答器具有顯示直觀，不需要人干預(yù)的特點(diǎn)。而且在顯示時(shí)搶答器會(huì)發(fā)出叮咚聲使效果更為生動(dòng)。工廠、學(xué)校和電視臺(tái)等單位常舉辦各種智力競(jìng)賽，搶答記分器是必要設(shè)備。本次設(shè)計(jì)主要利用常見(jiàn)的74LS系列集成電路芯片和555芯片，并通過(guò)劃分功能

3、模塊進(jìn)行各個(gè)部分的設(shè)計(jì)，最后完成了八路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)任務(wù)1.2.1設(shè)計(jì)任務(wù)及目標(biāo)1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一臺(tái)可供4名選手參加比賽的智力競(jìng)賽搶答器。由主持人控制，搶答前鎖定搶答器，搶答時(shí)開(kāi)啟電路；用發(fā)光二極管LED顯示哪個(gè)選手搶到。2、設(shè)計(jì)目標(biāo)4名選手編號(hào)為：4，5，6，7。各有一個(gè)搶答按鈕，按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)對(duì)應(yīng)，也分別為4，5，6，7。給主持人設(shè)置一個(gè)控制按鈕，用來(lái)控制系統(tǒng)清零(搶答顯示數(shù)碼管滅燈)和搶答的開(kāi)始。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，該選手編號(hào)立即鎖存，并在搶答顯示器上顯示該編號(hào)，同時(shí)封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。搶答選手的編號(hào)一直保持

4、到主持人將系統(tǒng)清零為止。搶答器具有定時(shí)(9秒)搶答的功能。當(dāng)主持人按下開(kāi)始按鈕后，定時(shí)器開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，定時(shí)顯示器顯示倒計(jì)時(shí)間，若無(wú)人搶答，倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)。參賽選手在設(shè)定時(shí)間(9秒)內(nèi)搶答有效，搶答成功，定時(shí)器停止倒計(jì)時(shí)，搶答顯示器上顯示選手的編號(hào)，定時(shí)顯示器上顯示剩余搶答時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。如果搶答定時(shí)已到，卻沒(méi)有選手搶答時(shí)，本次搶答無(wú)效，并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時(shí)后搶答，時(shí)間顯示器顯示0。用555定時(shí)器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號(hào)，作為定時(shí)計(jì)數(shù)器的CP信號(hào)。1.2.2主要參考器件表1主要器件列表序號(hào)器件名稱數(shù)量備注174LS279D1鎖存器274LS192D1同步減法計(jì)數(shù)器3

5、555定時(shí)器1連接成多諧振蕩與秒時(shí)鐘脈沖474LS08D1與門574LS00D1與非門674LS48D2七段顯示譯碼器774LS148D1優(yōu)先編碼器8開(kāi)關(guān)按紐S59BCD七段顯二陰示器2共陰極10電容311電阻7第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和方案分析電路組成原理基于這個(gè)設(shè)計(jì)的上述要求，根據(jù)功能要求，須設(shè)計(jì)有搶答電路、譯碼顯示電路、主持人控制電路、定時(shí)電路，各個(gè)電路都有其自己的功能。通過(guò)復(fù)位按鍵S,電路進(jìn)入就緒狀態(tài)，等待搶答。首先由主持人發(fā)布搶答命令(按下S按鍵)同時(shí)發(fā)光二極管隨即變亮，當(dāng)看到二極管亮，進(jìn)入倒計(jì)時(shí)狀態(tài)和搶答狀態(tài)。在電路中“S4-S7”為4路搶答器的4個(gè)按鍵，如果有人按下按鍵，程序就會(huì)判斷是

6、誰(shuí)先按下的，然后從P2口輸出搶答者號(hào)碼的七段碼值，經(jīng)GAL16V8驅(qū)動(dòng)，送到碼管顯示，并封鎖鍵盤，保持剛才按鍵按下時(shí)刻的時(shí)間，禁止其他人按鍵的輸入，從而實(shí)現(xiàn)了搶答的功能。如果在設(shè)定的時(shí)間中沒(méi)有一個(gè)人按下按鍵，一到時(shí)間，不可以搶答。當(dāng)要進(jìn)行下一次的搶答時(shí)，由主持人先按一下復(fù)位按鍵S,電路復(fù)位,進(jìn)入下一次搶答的就緒狀態(tài)。設(shè)計(jì)思路電路設(shè)計(jì)電路由選手開(kāi)關(guān)電路、主持人開(kāi)關(guān)電路、觸發(fā)鎖存電路、時(shí)間脈沖電路、搶答鑒別電路和顯示電路組成。圖1設(shè)計(jì)思路圖單元電路分析（1）選手開(kāi)關(guān)此電路由4個(gè)開(kāi)關(guān)組成，四位搶答者通過(guò)開(kāi)斷各自的開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)搶答，給編碼器輸入高低電平，其中低電平為有效搶答信號(hào)。（2）主持人開(kāi)關(guān)此電路

7、由1個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)lkQ的電阻組成，主持人通過(guò)開(kāi)斷開(kāi)關(guān)控制整個(gè)電路開(kāi)合。（3）觸發(fā)鎖存電路此電路由4D觸發(fā)器74LS175組成。它具有以下功能：1.清零功能（用集成觸發(fā)器清除端實(shí)現(xiàn)，由主持人輸入手動(dòng)負(fù)脈沖控制）。2.四個(gè)搶答鍵控制功能（有按鍵實(shí)現(xiàn)）。3顯示功能（用數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)箱中的發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)。脈沖信號(hào)控制功能（由主持人輸入手動(dòng)正脈沖控制）。設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)分成搶答器和倒計(jì)時(shí)兩個(gè)部分。搶答器具有鎖存、定時(shí)和顯示功能。即當(dāng)搶答開(kāi)始后，選手搶答按動(dòng)按鈕，鎖存器鎖存相應(yīng)的選手編碼，同時(shí)用數(shù)碼管顯示器把選手的編碼顯示出來(lái)，并且開(kāi)始搶答時(shí)間的倒計(jì)時(shí)，同時(shí)用數(shù)碼管把選手的所剩搶答時(shí)間顯示出來(lái)。搶答時(shí)間設(shè)定9

8、秒。接通電源后，主持人將開(kāi)關(guān)撥到“清除”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)。第3章硬件電路設(shè)計(jì)和仿真倒計(jì)時(shí)模塊3.1.1計(jì)時(shí)器的基本原理該計(jì)時(shí)器主要是由三個(gè)部分組成，一個(gè)是555定時(shí)器用來(lái)提供脈沖，一個(gè)是由3個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)成的減法計(jì)數(shù)器，最后一個(gè)組成部分是由譯碼器和數(shù)碼管連接成的，用于顯示時(shí)間。74LS48的7，6，2

9、，3引腳接受來(lái)自74LS192的輸出信號(hào)并把它譯碼顯示在數(shù)碼管上。74LS192的9,10,11,15引腳完成時(shí)間設(shè)定功能，本設(shè)計(jì)要求定時(shí)9秒，所以把左邊的芯片的1，15引腳接高電位，期于的全接低位，使的初始時(shí)間設(shè)定為9秒。555芯片完成產(chǎn)生秒脈沖的功能。工作過(guò)程為：搶答開(kāi)始前，74LS192的置數(shù)端為低電位，處于初始狀態(tài)，數(shù)碼管顯示為9，5引腳接高電位。搶答開(kāi)始后，秒脈沖沖推動(dòng)右邊的芯片開(kāi)始倒記時(shí)，同時(shí)右邊芯片產(chǎn)生的信號(hào)做為左邊芯片的CP信號(hào)推動(dòng)左邊的芯片倒記時(shí)，完成十進(jìn)制的倒記時(shí)功能。當(dāng)有人搶答后1Q的輸出為1,經(jīng)過(guò)非門后變?yōu)?通過(guò)與門屏蔽了秒信號(hào)，停止記時(shí)，完成顯示搶答時(shí)間的功能。當(dāng)記到

10、了9秒時(shí)，左邊的芯片產(chǎn)生的定時(shí)到信號(hào)輸出為低電位,也屏蔽了秒信號(hào),使得數(shù)碼管顯示為0。圖2搶答器電路圖74LS192的工作原理IUI1RPLCPuU戶DMODE11XXXReset(Asyn.)LLXXPreseLLHHHNoClhangeLH_rHCourrtLJpLHHrGouriDow!圖374LS192的邏輯功能表和引腳圖74LS192具有下述功能：異步清零：CR=1,Q3Q2QlQ0=0000異步置數(shù)：CR=O,LD=O,Q3Q2Q1QO=D3D2D1DO保持：CR=0,LD=1,CPU二CPD=1,Q3Q2Q1QO保持原態(tài)加計(jì)數(shù)：CR=0,LD=1,CPU二CP,CPD=1,Q3Q

11、2Q1Q0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。3.1.3秒脈沖發(fā)生器電路設(shè)計(jì)555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化原理圖如圖4,它由3個(gè)阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電BJT以及緩沖器G組成。定時(shí)器的主要功能取決于比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電BJTT

12、的狀態(tài)。圖中Rd為復(fù)位輸入端，當(dāng)Rd為低電平時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出Vo為低電平。因此在正常工作時(shí),應(yīng)將其接高電平。表2555功能表輸入輸出閥值輸入(VII)R出發(fā)輸入(VI2)S復(fù)位(Rd)輸出(Vo)放電管TXX00導(dǎo)通v2/3Vcc1vl/3Vcc011截止2/3Vcc01/3Vcc110導(dǎo)通v2/3Vcc11/3Vcc11不變不變由555芯片構(gòu)成多諧振蕩電路,555的輸出信號(hào)再經(jīng)或門控制顯示閃爍。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。搶答時(shí)間到,無(wú)人搶答,0閃爍,搶答電路和計(jì)時(shí)電路停止工作。由功能表可以看出，要使電路實(shí)

13、現(xiàn)倒計(jì)時(shí)（減法）功能，應(yīng)使CR=O,PE非=1,CP+=1,CP-二CP?？捎肅R端接電平開(kāi)關(guān)來(lái)控制計(jì)時(shí)器的工作與否。計(jì)時(shí)系統(tǒng)高位計(jì)數(shù)器的借位信號(hào)QB，它說(shuō)明計(jì)時(shí)電路在3秒，2秒，1秒，0秒倒計(jì)時(shí)再向9秒轉(zhuǎn)化時(shí)向高位借位時(shí)給出一個(gè)負(fù)脈沖經(jīng)反相器得到一個(gè)高電平。這個(gè)高電平信號(hào)或上方波信號(hào)就使顯示器閃爍。圖5555振蕩器接線圖搶答器模塊3.2.1搶答電路的設(shè)計(jì)搶答電路的功能有兩個(gè)：一是能分辨出選手按鍵的的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作無(wú)效。選用優(yōu)先編碼74LS148和RS鎖存器74LS279可以完成上述功能。74LS148優(yōu)先編碼器口ECc?rCHAve

14、iinnnnnnrr圖674LS148的引腳圖該編碼器有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

15、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)GS=1時(shí)，表示8個(gè)輸入端均無(wú)低電平輸入，此時(shí)A2A1A0=111為非編碼輸出；GS=0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，

16、這就是優(yōu)先編碼器的工作原理。3.2.2鎖存器原理：在74ls279中，由于4回路中2回路置位端子為兩個(gè)，所以使用其一時(shí)，整理兩個(gè)置位輸入作為1個(gè)使用，或?qū)⒘硪粋€(gè)輸入固定為“H”使用。另外，作為稍微變化74LS279的使用方法，也可將3組作為RS鎖存器使用，剩余的RS鎖存器作為2輸入NAND門電路使用，復(fù)位輸入例如管腳固定為”L”時(shí)其輸入為”H”，所以可構(gòu)成將和作為輸入，輸出為的2輸入NAND。匚匚一.恆S1S21G2R2S一11INRLJTSOLTFUTsrHMLHHHLL圖774LS279的邏輯功能表和引腳圖3.2.3共陰極七段LED顯示器74LS48輸入信號(hào)為BCD碼，輸出端為a、b、c、

17、d、e、f、g共7線，另有3條控制線、。端為測(cè)試端。在端接高電平的條件下，當(dāng)=0時(shí)，無(wú)論輸入端A、B、C、D為何值，ag輸出全為高電平，使7段顯示器件顯示“8”字型，此功能用于測(cè)試器件。端為滅零輸入端。在=1，條件下，當(dāng)輸入A、B、C、D=0000時(shí)，輸出ag全為低電平，可使共陰LED顯示器熄滅。但當(dāng)輸入A、B、C、D不全為零時(shí)，仍能正常譯碼輸出，使顯示器正常顯示。端為消隱輸入端。該輸入端具有最高級(jí)別的控制權(quán)，當(dāng)該端為低電平時(shí)，不管其他輸入端為何值，輸出端ag均為低電平，這可使共陰顯示器熄滅。另外，該端還有第二功能滅零信號(hào)輸出端，記為。當(dāng)該位輸入的A、B、C、D=0000且時(shí)，此時(shí)輸出低電平；

18、若該位輸入的A、B、C、D不等于零，則輸出高電平。若將與配合使用，很容易實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼顯示時(shí)的滅零控制。例如對(duì)整數(shù)部分，將最高位的接地，這樣當(dāng)最高位為零時(shí)“滅零”，同時(shí)該位輸出低電平，使下一位的為低電平，故也具有“滅零”功能；而對(duì)于小數(shù)部分,應(yīng)將最低位的接地，個(gè)位的端懸空或接高電平，低位的接至高位的。74LS48可直接驅(qū)動(dòng)共陰極LED數(shù)碼管而不需外接限流電阻。此處要是保持?jǐn)?shù)碼管不黑屏就將BI/RB0,RBI置1就可以了，LT是檢查數(shù)碼管的好壞的，如果不需要的話直接接高電平。其他端口按照abcdefg的對(duì)應(yīng)關(guān)系連接好以保證顯示正確，確保接地成功?？傠娐穲D仿真見(jiàn)下頁(yè)圖8總電路仿真圖第4章硬件調(diào)試過(guò)程及解決方法（1）顯示電路不穩(wěn)定問(wèn)題在完成電路的焊接進(jìn)入調(diào)試階段時(shí)發(fā)現(xiàn)搶答器數(shù)碼管顯示選手編號(hào)不穩(wěn)定。主要表現(xiàn)在單選手按下?lián)尨疰I后數(shù)碼管顯示的不是選手當(dāng)前號(hào)碼。因此著手對(duì)電路進(jìn)食檢查，首先檢查數(shù)碼管看是否是關(guān)節(jié)焊接錯(cuò)誤，后又檢查電路各個(gè)芯片管腳接錯(cuò)均未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，最后發(fā)現(xiàn)當(dāng)觸動(dòng)某按鍵連線時(shí)顯示正常由此判斷可能是因?yàn)槌霈F(xiàn)了虛焊，遂將電路各焊點(diǎn)