智力競賽搶答裝置的設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)“三性實驗”報告冊 課程名稱： 電子技術(shù)實驗（模電 、數(shù)電 ） 實驗項目名稱： 智力競賽搶答裝置的設(shè)計 學(xué) 院： 電子科學(xué)與技術(shù) 專 業(yè)： 電子科學(xué)與技術(shù) 班 級： 報 告 人： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 實驗時間： 提交時間： 實驗結(jié)論：本實驗通過同步D觸發(fā)器、555電路、計數(shù)器、共陰數(shù)碼管、數(shù)碼管譯碼器、四路（二路）與非門、各種電容電阻等器件完成了智能競賽搶答的功能，通過實驗測試了各個模塊的工作狀況，得到了與預(yù)期相同的結(jié)果（主持人宣布“搶答開始”，計時器開始計時，無人搶

2、答30 秒蜂鳴器發(fā)出聲音報警，取消搶答權(quán)。），可見實驗測試結(jié)果滿足設(shè)計任務(wù)及具體要求，完成了設(shè)計任務(wù)。教師評語： 實 驗 報 告 中 存 在 的 問 題實驗態(tài)度（10分） 很認(rèn)真 較認(rèn)真 一般 較差 差 遲到 缺課 早退 請假并補做 批準(zhǔn)后有事離開 擅自離開 偶爾在開放期間做實驗 很少 從未 需要老師稍加指點 需要老師指點 需要老師反復(fù)多次指點 在提示后整理儀器，登記 在提示后仍不進行整理與登記實驗設(shè)計（25分）設(shè)計實驗自行設(shè)計部分：選題沒意義 無實用價值 選題的范圍不合適 難度不合適 工作量不合適 設(shè)計思路模糊 技術(shù)原理不正確 有明顯科學(xué)性錯誤。 設(shè)計方案不可行 儀器選擇不正確，搭配不合理。

3、 純屬抄襲、拼湊，沒有任何創(chuàng)新點。綜合實驗： 涉及知識面狹窄 綜合性差 無實用價值。 涉及技術(shù)單一 涉及技術(shù)互不相通 有原則上錯誤。實驗實施（30分） 有違反實驗室規(guī)章制度的行為 造成儀器設(shè)備損壞 有意隱瞞所造成的損壞 不及時匯報所造成的損壞 不服從管理人員的正常管理。 缺參數(shù) 系統(tǒng)誤差 缺個別數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)有小偏差 記錄潦草 漏記關(guān)鍵數(shù)據(jù) 漏記部分?jǐn)?shù)據(jù) 不按老師要求操作返工數(shù)據(jù)處理（25分） 全缺 缺漏重要數(shù)據(jù) 缺部分?jǐn)?shù)據(jù) 缺計算過程 計算錯誤， 缺測量結(jié)果表示 缺單位 圖上數(shù)據(jù)不清晰 圖上缺少數(shù)據(jù) 圖的比例不合理 圖表有誤 未用坐標(biāo)紙畫圖 數(shù)據(jù)有偏差 誤差太大 原始數(shù)據(jù)未抄入正文 不能正確處理

4、實驗數(shù)據(jù)。 不能對實驗結(jié)果進行分析、歸納、評價。對實驗結(jié)果： 不能提出結(jié)論性意見 不能提出改進性意見整體情況（10分） 很認(rèn)真 較認(rèn)真 一般 差 內(nèi)容安排缺乏條理 書寫不工整 缺封面 報告沒有裝訂 遲交 潦草 長時間拖欠其 它 智力競賽搶答裝置的設(shè)計一、實驗?zāi)康?、掌握組合邏輯電路的設(shè)計與測試方法，熟悉常用數(shù)字集成電路的使用。2、掌握數(shù)字邏輯電路的設(shè)計方法，訓(xùn)練自身綜合運用數(shù)字電路基本知識設(shè)計、調(diào)試電路的能力。二、具體要求設(shè)計一個4 人搶答邏輯電路。（1）競賽主持人有一個按鈕，主持人宣布“搶答開始”，電路復(fù)位，計時器開始計時，無人搶答30 秒蜂鳴器發(fā)出聲音報警，取消搶答權(quán)。（2）每個參賽者控制

5、一個按鈕，參賽選手按動按鈕發(fā)出搶答信號。（3）競賽開始后，先按動按鈕者將對應(yīng)的一個發(fā)光二極管點亮，此時其他3 人按動按鈕對電路不起作用。三、設(shè)計方案1、總體設(shè)計原理圖圖31整體搶答器原理圖如圖31所示，整體搶答器原理圖（仿真通過）其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到清零狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，宣布開始搶答器工作。定時器倒計時。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示。當(dāng)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零和開始狀態(tài)開關(guān)。2、設(shè)計思路1. 將

6、整個實驗分為五大塊主控部分、高平脈沖輸出部分和秒脈沖產(chǎn)生部分、計數(shù)部分、報警部分、擴展部分。2. 分步實現(xiàn)各部分的功能。3. 進行各部分的連接。4. 調(diào)試整體連接后的電路。 5. 焊接擴展部分并調(diào)試。3、各模塊的工作原理與調(diào)試1、主控部分1.1主控部分原理圖圖3.2 主控部分原理圖圖3.2為搶答器的主控部分，該部分由開關(guān)、同步D觸發(fā)器（74LS175）、四路與非門（74LS20N）、二路與非門（74LS00N）和四個LED燈組成。1.2主控部分原理分析首先，介紹74LS175的工作方式。它是由四個D觸發(fā)器構(gòu)成的芯片，共有8個管腳。其管腳圖如圖3.3所示。圖33 74LS175管腳圖芯片的各個管

7、腳功能如圖中所示（PIN NAMES），這里不再累述。圖34 74LS175內(nèi)部結(jié)果圖如圖3.4所示，為74LS175內(nèi)部結(jié)果圖，再次圖中可以清楚的看到該芯片的工作原理，當(dāng)CLK有效是（低電平有效）輸出全部為零。當(dāng)置位端（低電平有效）無效且清零端有效時，輸出Q=D。主控部分原理總體闡述：搶答開始時（清零端、置位端均無效），主持人清除信號（按下開關(guān)J5），74LS175 的輸出Q1Q2 全為0，所有發(fā)光二極管LED 均熄滅，當(dāng)主持人宣布“搶答開始”后（J5斷開），選手作出判斷（按下開關(guān)J1J4），對應(yīng)的LED燈亮，同時信號通過兩個74LS00N，一個74LS20N和高平脈沖輸出，實現(xiàn)鎖存信號。下

8、面介紹74LS00N和74LS20N：圖3.5 74LS00N內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.5所示，為74LS00N內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其旁邊為真值表。1.3主控部分的調(diào)試電路板焊接完成后，進行了相應(yīng)的電路調(diào)試，調(diào)試過程如下：到了試驗箱，試驗箱給出高平脈沖和提供置位，清零所需要的電平。用導(dǎo)線將電路板和試驗箱進行連接，所需輸出信號接到試驗箱的LED燈上，觀察并電平變化，調(diào)試以焊接的電路，直到工作正常。74LS20N：如圖3.6 74LS20N內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.6所示，為74LS20N內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其旁邊為真值表。2、高平脈沖部分和秒脈沖部分21高平脈沖部分的工作原理圖 圖37高平脈沖部分原理圖 圖3.8 秒脈沖部分原

9、理圖 圖3.7高平脈沖部分是有555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，其可以輸出脈沖頻率為1KHZ。以下是555定時器構(gòu)成多諧振蕩器的工作原理介紹。如圖39，由555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在和之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對應(yīng)的波形如圖8-5所示。圖391 555構(gòu)成多諧振蕩器 圖3.92 多諧振蕩器的波形圖輸出信號的時間參數(shù)是： T=0.7（R1+R2）C=0.7R2C其中，為VC由上升到所需的時間，為電

10、容C放電所需的時間。555電路要求R1與R2均應(yīng)不小于1K，但兩者之和應(yīng)不大于3.3M。外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力。在此簡要的對555定時器做一介紹555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應(yīng)的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼

11、容。 555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖 2.9.1 和圖 2.9.2 所示。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3 圖310 555定時器內(nèi)部方框圖555電路的工作原理 555電路的內(nèi)部電路方框圖如圖8-1所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)T，比較器

12、的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為和。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超過時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時輸出作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01uf的電容器

13、到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。22秒脈沖部分的工作原理圖如圖3.8 所示秒脈沖部分原理圖，也是有555定時器構(gòu)成，其具體工作原理如下：直流電震蕩后升壓,比如說1個小功率電棍,利用6V-12V直流電源可產(chǎn)生一種高壓脈沖。電路中三極管Q1、Q2構(gòu)成了一振蕩器，產(chǎn)生頻率為3Hz的直流脈沖電壓，并輸入變壓器比為6V：240V升壓器的初級線圈，在每個脈沖結(jié)束時，相應(yīng)地在變壓器的次級線圈產(chǎn)生一高電壓。脈沖的重復(fù)頻率可通過選擇C2、R1值進行調(diào)整。公式為：充電時間為T1,放電時間為T2時間T=T1+T2=0.693(R

14、1+R2)C圖311秒脈沖發(fā)生器3、計數(shù)部分3.1 計數(shù)部分工作原理圖工作原理闡述：首先，通過計數(shù)器74LS192進行預(yù)置數(shù)和減技術(shù)功能，將信號傳到與它聯(lián)級的譯碼器(74LS248)中在進行相應(yīng)的譯碼，最后在顯示譯碼管中顯示相應(yīng)的計數(shù)。在此過程中比較關(guān)鍵的步驟有：剛開的預(yù)置數(shù)功能的實現(xiàn)。根據(jù)要求將74LS192的ABCD四個管腳分別接到高低電平，從而實現(xiàn)預(yù)置數(shù)功能。高位片和地位片的聯(lián)級的實現(xiàn)低位片的BO端輸出給到高位片的CPd從而實現(xiàn)兩片的聯(lián)級。最后的計數(shù)的鎖存在高位片的BO端引出信號，與秒脈沖、主控部分經(jīng)一四路與非門輸出給到低位片的CPd從而實現(xiàn)計數(shù)的鎖存。圖312計數(shù)部分工作原理圖3.2

15、74LS192、74LS248的功能介紹3.2.1 74LS192的原理圖圖313 74LS192芯片的封裝圖74LS192工作原理闡述：74LS192可分別利用CP 十進制同步加/減計數(shù)器（雙時鐘），192 為 可 預(yù) 置 的 十 進 制 同 步 加 / 減 計 數(shù) 器 ， 共 有54192/74192，54LS192/74LS192 兩種線路結(jié)構(gòu)形式。其主要電特性的典型值如下： 型號fcPD54192/74192 32MHz 325mW54LS192/74LS19232MHz95mW192 的清除端是異步的。當(dāng)清除端（MR）為高電平時，不管時鐘端（CPD、CPU）狀態(tài)如何，即可完成清除功能

16、。 192 的預(yù)置是異步的。當(dāng)置入控制端（ P L）為低電平時，不管時鐘CP的狀態(tài)如何，輸出端（Q0Q3）即可預(yù)置成與數(shù)據(jù)輸入端（P0P3）相一致的狀態(tài)。 192 的計數(shù)是同步的，靠CPD、CPU同時加在 4 個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。在CPD、CPU上升沿作用下Q0Q3 同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當(dāng)進行加計數(shù)或減計數(shù)時CPD、CPU當(dāng)計數(shù)上溢出時，進位輸出端（T CU）輸出一個低電平脈沖，其寬度為CPU低電平部分的低電平脈沖；當(dāng)計數(shù)下溢出時，錯位輸出端（T CD）輸出一個低電平脈沖，其寬度為CPD低電平部分的低電平脈沖。 當(dāng)把 T CD和T CU分別連接后一級的CPD、CPU，

17、即可進行級聯(lián)。引出端符號 T CD錯位輸出端（低電平有效）T CU進位輸出端（低電平有效）CPD 減計數(shù)時鐘輸入端（上升沿有效）CPU加計數(shù)時鐘輸入端（上升沿有效）MR異步清除端P0P3并行數(shù)據(jù)輸入端P L 異步并行置入控制端（低電平有效）Q0Q3輸出端真值表：圖314 74LS192芯片的真值表 圖313 74LS192芯片邏輯功能圖3.2.2 74LS248的原理圖 圖315 74LS248芯片的功能圖74LS248的工作原理闡述：4 線七段譯碼器/驅(qū)動器（BCD 輸入，有上拉電阻） 248 為有內(nèi)部上拉電阻的 BCD七段譯碼器/驅(qū)動器，共有 54/74248 和 54/74LS248兩種

18、線路結(jié)構(gòu)型式。其主要電特性的典型值如下(不同廠家具體值有差別): 型號IOLVO(OFF)PD54248/742486.4mA5.5V265mW54LS2482mA5.5V125mW74LS2486mA5.5V125mW輸出端(ag)為低電平有效，可直接驅(qū)動指示燈或共陰極 LED。當(dāng)要求輸入 015 時，消隱輸入(/BI)應(yīng)為高電平或開路，對于輸出 0 時還要求脈沖消隱輸入( /RBI)為高電平或開路。當(dāng) BI 為低電電平，不管其它輸入端狀態(tài)如何，ag 均為低電平。當(dāng)/RBI 和地址端(AD)均為低電平，并且燈測試(/LT)為高電平時，ag 均為低電平，脈沖消隱輸出(/RBO)為低電平。當(dāng) B

19、I 為高電平開路時，/L T 的低電平可使 ag 為高電平。248 與 48 的引出端排列，功能和電特性分別相同，差別僅在顯示的字形 6 和 9。引出段符號： A,B,C,D譯碼地址輸入端/BI，/RBO 消隱輸入（低電平有效）脈沖消隱輸出（低電平有效） /LT燈測試輸入端（低電平有效）/RBI脈沖消隱輸入端（低電平有效）ag 段輸出（低電平有效）數(shù)值顯示表： 真值表功能邏輯圖3.3 計數(shù)部分的調(diào)試計數(shù)部分的調(diào)試分為一下幾個步驟：測試已焊接在電路板上的74LS192的功能是否實現(xiàn)。借助試驗箱，可驗證其功能進行調(diào)試，直到正常工作為止。當(dāng)已焊接在電路板上的74LS192的功能已經(jīng)實現(xiàn)了，接下測試已

20、焊接在電路板上的74LS248功能是否實現(xiàn)，同樣要借助試驗箱。進行調(diào)試，直到正常工作為止。當(dāng)?shù)臀黄ぷ魅空Ｖ?，按照同樣的方法檢測高位片，當(dāng)兩者都正常工作了就要開始下一步兩片的聯(lián)級。兩片進行聯(lián)級，再次測試聯(lián)級之后的計數(shù)部分是否正常工作，直到正常工作為止。（實際上當(dāng)個自片正常工作后，聯(lián)級之后的部分也會正常工作的）4、報警部分4.1 報警部分原理圖圖316報警部分原理圖報警部分工作原理闡述：這個部分是通過一個蜂鳴器來實現(xiàn)的，蜂鳴器的正極接一個特定阻值的電阻在接到電源電壓上，負(fù)極直接接到高位片（74LS192）的BO輸出端。當(dāng)計數(shù)到00是，BO端會發(fā)出一個低電平信號，從而使得蜂鳴上產(chǎn)生壓差，進而

21、工作（實現(xiàn)報警）。4.2 蜂鳴器介紹如圖317 所示，使用SH69P43 為控制芯片，使用4MHz 晶振作為主振蕩器。 PORTC.3/T0 作為I/O 口通過三極管Q2 來驅(qū)動蜂鳴器LS1，而PORTC.2/PWM0 則作為PWM 輸出口通過三極管Q1 來驅(qū)動蜂鳴器LS2。另外在PORTA.3 和PORTA.2 分別接了兩個按鍵，一個是PWM 按鍵，是用來控制PWM 輸出口驅(qū)動蜂鳴器使用的；另一個是PORT 按鍵，是用來控制I/O 口驅(qū)動蜂鳴器使用的。連接按鍵的I/O 口開內(nèi)部。 軟件設(shè)計方法 圖317蜂鳴器原理圖先分析一下蜂鳴器。所使用的蜂鳴器的工作頻率是2000Hz，也就是說蜂鳴器的驅(qū)動

22、信號波形周期是500s，由于是1/2duty 的信號，所以一個周期內(nèi)的高電平和的時間寬度都為250s。軟件設(shè)計上，我們將根據(jù)兩種驅(qū)動方式來進行說明。 a) PWM 輸出口直接驅(qū)動蜂鳴器方式 由于PWM 只控制固定頻率的蜂鳴器，所以可以在程序的時就對PWM 的輸出波形進行設(shè)置。 首先根據(jù)SH69P43 的PWM 輸出的周期寬度是10 位數(shù)據(jù)來選擇PWM 時鐘。系統(tǒng)使用4MHz 的晶振作為主振蕩器，一個tosc 的時間就是0.25s，若是將PWM 的時鐘設(shè)置為tosc 的話， 則蜂鳴器要求的波形周期500s 的計數(shù)值為500s/0.25s=（2000）10=（7D0）16，7D0H 為11 位的數(shù)

23、據(jù)，而SH69P43 的PWM 輸出周期寬度只是10 位數(shù)據(jù)，所以選擇PWM 的時鐘為tosc 是不能實現(xiàn)蜂鳴器所要的驅(qū)動波形的。 這里我們將PWM 的時鐘設(shè)置為4tosc，這樣一個PWM 的時鐘周期就是1s 了，由此可以算出500s 對應(yīng)的計數(shù)值為500s/1s=（500）10=（1F4）16，即分別在周期寄存器的高2 位、中4 位和低4 位三個寄存器中填入1、F 和4，就完成了對輸出周期的設(shè)置。再來設(shè)置占空比寄存器，在PWM 輸出中占空比的實現(xiàn)是 通過設(shè)定一個周期內(nèi)電平的寬度來實現(xiàn)的。當(dāng)輸出模式選擇為普通模式時，占空比寄存器是用來設(shè)置高電平的寬度。250s 的寬度計數(shù)值為250s/1s=（

24、250）10=（0FA）16。只需要在占空比寄存器的高2 位、中4 位和低4 位中分別填入0、F 和A 就可以完成對占空比的設(shè)置了，設(shè)置占空比為1/2duty。 以后只需要打開PWM 輸出，PWM 輸出口自然就能輸出頻率為2000Hz、占空比為1/2duty 的方波。 b) I/O 口定時翻轉(zhuǎn)電平驅(qū)動蜂鳴器方式 使用I/O 口定時翻轉(zhuǎn)電平驅(qū)動蜂鳴器方式的設(shè)置比較簡單，只需要對波形分析一下。由于驅(qū)動的信號剛好為周期500s，占空比為1/2duty 的方波，只需要每250s 進行一次電平翻轉(zhuǎn)，就可以得到驅(qū)動蜂鳴器的方波信號。在程序上，可以使用TIMER0 來定時，將TIMER0 的預(yù)分頻設(shè)置為/1

25、，選擇TIMER0 的始終為(主振蕩器時鐘/4)，在TIMER0 的載入/計數(shù)寄存器的高4 位和低4 位分別寫入00H 和06H，就能將TIMER0 的中斷設(shè)置為250s。當(dāng)需要I/O 口驅(qū)動的蜂鳴器鳴叫時，只需要在進入TIMER0 中斷的時候?qū)υ?I/O 口的電平進行翻轉(zhuǎn)一次，直到蜂鳴器不需要鳴叫的時候，將I/O 口的電平設(shè)置為低電平即可。不鳴叫時將I/O 口的輸出電平設(shè)置為低電平是為了防止漏電。5、擴展部分51 擴展部分的原理圖擴展部分的原理圖如右圖所示。當(dāng)主持人還沒有發(fā)出指令時，如果有人搶答了，則對應(yīng)的LED燈亮，然后取消該選手的參賽資格。這一部分的實現(xiàn)主要是通過了LED和一個&￥74LS00N以及相應(yīng)地邏輯電路來實現(xiàn)。 四、實驗設(shè)備+5V直流電源，示波器，萬用表，導(dǎo)線若干，芯片引腳若干搶答部分：4個LED燈，5個三位開關(guān)，4個500的電阻，一個74LS175，一個74LS00,一個74LS20芯片