854611182智力競賽搶答器設(shè)計課程設(shè)計

1、一、課程設(shè)計名稱 智力競賽搶答器二、內(nèi)容摘要 用74ls系列常用集成電路設(shè)計的智力競賽搶答器，并詳細分析電路工作原理。搶答器作為一種電子產(chǎn)品，早已廣泛應(yīng)用于各種智力和知識競賽場合，但目前所使用的搶答器存在分立元件使用較多，造成每路的成本偏高，而現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展要求電子電路朝數(shù)字化、集成化方向發(fā)展，因此設(shè)計出數(shù)字化全集成電路的多路搶答器是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的要求。按照這一要求，并根據(jù)74ls373八路鎖存器的功能特點，用74ls373和其它幾塊常用的74ls系列數(shù)字集成電路設(shè)計出了一數(shù)碼顯示八路搶答器電路，該電路具有成本低、元器件容易得到、路數(shù)多、數(shù)碼直觀顯示、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。三、設(shè)計內(nèi)容及

2、要求a、設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計一個8路智力競賽搶答器。我初步將系統(tǒng)分為3大功能模塊：搶答電路即主電路、倒計時電路、報警電路?？蓪⒌褂嫊r電路分為一個十進制（實現(xiàn)十個數(shù)以內(nèi)的倒計時）計數(shù)、譯碼、數(shù)碼管顯示電路；搶答電路（獲得優(yōu)先搶答選手的編號）分為8路搶答開關(guān)、數(shù)據(jù)鎖存器、優(yōu)先編碼器、4511譯碼器、數(shù)碼管顯示電路；整個電路分為鎖存控制、倒記時控制、報警控制。數(shù)字搶答器總體方框圖如圖3-1所示為總體方框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，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、揚聲器提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定

3、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(guān)。七段數(shù)碼管顯示4511譯碼器編碼器鎖存器搶答開關(guān)報警電路主持人控制開關(guān)時序控制電路定時顯示脈沖產(chǎn)生電路圖3-1 搶答器的原理框圖b、要求：1、給節(jié)目支持人設(shè)置一個控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)清零及搶答的開始。2、搶答開始后當有某一選手首先按下?lián)尨鸢粹o時，選手編號立即被鎖存，編號數(shù)碼管顯示選手編號并發(fā)出報警聲響，此時搶答器不再接收其他的輸入信號，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。3、搶答器具有定時搶答的功能，且一次搶答時間由節(jié)目主持人設(shè)定。當節(jié)目主持人啟動開始鍵后，要求定時器進行倒計時，并數(shù)碼顯示，同時揚聲器

4、發(fā)出短暫的聲響，持續(xù)的時間為0.5秒左右。4、選手在設(shè)定的時間內(nèi)進行搶答，搶答有效，定時器停止工作。如搶答時間已到，卻沒有選手搶答，則本次搶答無效，系統(tǒng)進行短暫報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時搶答定時顯示0。四、原理電路的設(shè)計，包括：1、畫出考慮過的方案圖，說明各自的優(yōu)缺點，經(jīng)過比較后，你選擇了哪個方案。 a 圖4-1 圖4-1是第一次設(shè)計出來的圖，缺點在于報警電路不是短暫性的發(fā)光，而是長時間的發(fā)光，只有當主持人關(guān)閉開關(guān)方可熄滅；其次由于對一些芯片了解不夠深入，走了不少彎路，導(dǎo)致采用的門電路太多了，整個電路看起來很復(fù)雜。例如，74ls20兩個與非門的功能可以使用74ls148芯片的14號管腳

5、特殊功能方可，這樣可以省去很多門電路，使得整個電路簡單清晰。此圖的亮點在于555定時器，利用整個電路的性質(zhì)，合理的控制了555的工作狀態(tài)，在搶答的過程中，一經(jīng)搶答，通過觀察電路，74ls190的13號管腳的性質(zhì)，關(guān)閉了定時器，這樣可以很大程度的延長芯片的壽命，并且節(jié)能。但是經(jīng)老師提醒后，這只是理想狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)，但是實際上卻不能完全控制，所以不可取。其次，在主持人沒有按下開關(guān)之前，此電路的8個開關(guān)任一一個按下，數(shù)碼管都有顯示，這樣可以在搶答前檢查是否通路，排除不必要的故障。b 圖4-2圖4-2是經(jīng)過改進后的電路圖，首先，改善了發(fā)光二極管的持續(xù)發(fā)光的缺點，得到了短暫性發(fā)光報警，利用了電容的充放電

6、的特性，但是由于此電路所需的電壓略小，所以不足以對電容充電，所以利用三極管的放大作用改善后，得到了效果，并解決了這個問題。其次，改善了原來不成熟的想法（控制555定時器的開閉狀態(tài)），加以高電平，按照原有的思路設(shè)計該圖。第三，利用74ls148芯片的14號管腳特殊功能，大刀闊斧的去掉了74ls20的兩個門電路，大大簡化了電路圖。但是改圖仍然沒有解決，當搶答的時候，發(fā)光二極管持續(xù)發(fā)光而不是短暫性的發(fā)光的缺點。c 圖4-3圖4-3是本次課程設(shè)計的最終設(shè)計圖，也是目前采用的圖，該圖實現(xiàn)了本課題的所有要求，也是比較完美的圖，但是整個電路還是較為復(fù)雜，可能是對各個芯片不夠了解，也許可以利用一些芯片的特殊功

7、能，又可以省去一些門電路。綜上所述，我們采用了c圖。2、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和期間選擇，列出系統(tǒng)需要的元器件清單。 搶答電路設(shè)計 圖4-4設(shè)計電路如圖4-4所示。電路選用74ls373鎖存器、74ls148優(yōu)先編碼器和4511譯碼器來完成。該電路主要完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號（顯示電路采用七段數(shù)字數(shù)碼顯示管）；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：開關(guān)s置于清除端時，鎖存器的le端輸入為“1”，停止工作。當開關(guān)s置于開始時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，74ls373的le端為“0”，當有選手將搶答按鍵按下時（如按下s5），l

8、e端變?yōu)椤?”將數(shù)據(jù)鎖存。在經(jīng)過優(yōu)先編碼器和4511譯碼器將數(shù)據(jù)輸入數(shù)碼管顯示。如有再次搶答需由主持人將s開關(guān)重新置“清除”然后再進行下一輪搶答。倒計時電路設(shè)計 圖4-5該部分主要由555定時器構(gòu)成多諧振蕩器秒脈沖產(chǎn)生電路、加減計數(shù)器74ls190減法計數(shù)電路和一個七段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。具體電路如圖4-5所示。74ls190實現(xiàn)減法計數(shù)，然后顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。當主持人撥到“開始”時，計數(shù)器開始減法計數(shù)工作，并將時間顯示在數(shù)碼顯示管上，當有人搶答時，停止計數(shù)并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，且倒計時到“0”時，輸出低電平到時序控制電路，控制報警電路報警即發(fā)光

9、二極管發(fā)光，同時以后選手搶答無效。555的第3號管腳輸出的脈沖的頻率為 ，結(jié)合我們的實際經(jīng)驗及考慮到元器件的成本，我們選擇的電阻值為r1=15k，r2=68k，c=10uf，代入到上式中即得 。報警電路設(shè)計 圖4-6 該部分電路實現(xiàn)的是一個報警功能，當搶答開始時，選手按下開關(guān)后，按照要求要出現(xiàn)短暫的報警，以及當?shù)褂嫊r到“0”時要出現(xiàn)短暫性的報警，考慮都成本和電路的穩(wěn)定性以及簡化性，我們采用發(fā)光二極管發(fā)光來作為報警訊號。所以結(jié)合倒計時電路和724ls190的第12號管腳的特殊性質(zhì)，合理的設(shè)計出了圖4-6的報警電路，因為是短暫性的報警，所以利用了三極管和電容，接法如圖，當?shù)褂嫊r過程中，第12號管腳

10、一直處于低電平，當?shù)褂嫊r到“0”后，瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑陂g，電流經(jīng)三極管放大，對電容充電，當轉(zhuǎn)變的瞬間，三極管反偏截止，電容反過來放電，由于電容較小，放電時間短，所以實現(xiàn)了該功能。元器件選擇及清單：整個電路的電子器件有：555定時器，74ls190，74ls148，74ls373，74ls08，74ls04、74ls32以及若干電容和電阻。詳細介紹一下這兩個電路中所用到的重要器件（555定時器和 74ls373）：1555定時器 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。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

11、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下圖2：圖2 555定時器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖它內(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。它提供兩個基準電壓vcc /3 和 2vcc /3 555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 rs 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 a1 的反相輸入端的電壓為 2vcc /3，a2 的同相輸入端的電壓為vcc /3。若觸發(fā)輸入端 tr 的電

12、壓小于vcc /3，則比較器 a2 的輸出為 1，可使 rs 觸發(fā)器置 1，使輸出端 out=1。如果閾值輸入端 th 的電壓大于 2vcc/3，同時 tr 端的電壓大于vcc /3，則 a1 的輸出為 1，a2 的輸出為 0，可將 rs 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。274ls37374373八d鎖存器為三態(tài)輸出的8 d透明鎖存器, 373的輸出端o0-o7可直接與總線相連。當三態(tài)允許控制端oe為低電平時，o0-o7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當oe為高電平時，o0-o7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端le為高電平時，o隨數(shù)

13、據(jù)d而變。當le為低電平時，o被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當le端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mv。 373引出端符號： d0d7-數(shù)據(jù)輸入端oe-三態(tài)允許控制端 le-鎖存允許端 o0-o7-輸出端 74ls373外部管腿圖、真值表、邏輯圖，如下圖3所示：圖3 74ls373外部管腿圖、真值表、邏輯圖真值表中：l低電平； h高電平； x不定態(tài)； q0建立穩(wěn)態(tài)前q的電平； g輸入端，與8031ale連高電平：暢通無阻低電平：關(guān)門鎖存。圖中oe使能端，接地。當g=“1”時，74ls373輸出端1q8q與輸入端1d8d相同；當g為下降沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。元器件清單

14、元件型號數(shù)量備注s1-s78彈片開關(guān)r1-r88電阻1k74ls3731鎖存器74ls1481優(yōu)先編碼器45112譯碼器（帶驅(qū)動）74ls041反向器74ls081與門7seg-digital2七段數(shù)碼顯示管74ls321或門74ls1901計數(shù)器5551多諧觸發(fā)器sw-spdt1單刀雙置開關(guān)r11-r2414電阻330歐姆r91電阻68kr101電阻14kr251電阻330歐姆c11電容10c21電容0.1c31電容100npn1三極管led-red1發(fā)光二極管3、畫出完整的電路圖，并說明電路的工作原理。 圖4-6 智能競賽搶答器電路圖 電路選用優(yōu)先編碼器 74ls148 、鎖存器 74ls

15、373 、4511譯碼器和一個七段數(shù)碼管顯示組成搶答顯示電路；定時顯示主要由555定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、減計數(shù)器74ls190減法計數(shù)電路、4511譯碼器和一個七段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成；由三極管、電容、發(fā)光二極管以及74ls190第12號管腳的特殊性質(zhì)構(gòu)成的報警電路。接通電源后，主持人將開關(guān)撥到清零狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間即為9；主持人將開關(guān)置開始狀態(tài)，宣布開始，搶答器工作。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、報警提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示0。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(guān)。設(shè)

16、計原理框圖所示，鎖存器輸入信號均為同一電平時，控制電路輸出控制信號使鎖存器打開，這時鎖存器輸入端的電平送往相應(yīng)的輸出端，當有一輸入端電平發(fā)生跳變時，其對應(yīng)輸出端電平也隨著變，此變化的輸出電平送入控制電路，控制電路產(chǎn)生使鎖存器鎖存的控制信號，鎖存器一旦進入鎖存工作狀態(tài)，無論哪個輸入端電平發(fā)生變化，各輸出端電平均保持不變，與其它輸出端電平不同的那個輸出端的電平經(jīng)編碼器編碼后送入數(shù)碼顯示譯碼器，控制驅(qū)動器驅(qū)動七段數(shù)碼管進行數(shù)碼顯示。五、仿真情況，分析是否滿足要求。初始狀態(tài)此圖是清零狀態(tài)，且主持人未按下開關(guān)前的狀態(tài)，倒計時顯示“0”，滿足要求，仿真成功！搶答3號選手在第倒計時到第七秒的時候搶答，d1即

17、發(fā)光二極管在搶答的瞬間有短暫性的報警，其他選手搶答依然順利完成！注：只是由于時間較短，所以此圖無法顯示發(fā)光二極管的發(fā)光效果。滿足要求，仿真成功！無人搶答此圖是無人搶答的仿真圖，倒計時期間由于沒有選手搶答，本輪搶答無效，倒計時顯示“0”發(fā)光二極管短暫性報警，如圖所示。滿足要求，仿真成功！六、收獲、體會和建議。經(jīng)過一個星期的設(shè)計，終于完成電路圖，并且滿足所有要求，接下來要做的就是焊接和調(diào)試，針對這次焊接，感慨頗多。因為之前的兩個星期，我們專業(yè)做的電子技術(shù)工藝實習(xí)，也是要求我們焊接，并且是以焊接為主的實習(xí)，在此基礎(chǔ)上，我們這次焊接，走了很少的彎路，很自然的進行，焊接的許多技術(shù)，都基本掌握，通過這次課

18、程設(shè)計的焊接，更是讓我們的焊接知識牢固了。a、焊接步驟： 1、準備焊接：準備焊錫絲和烙鐵。 2、加熱焊件：烙鐵接觸焊接點，使焊件均勻受熱。 3、熔化焊料：當焊件加熱到能熔化焊料的溫度后將焊絲至于焊點，焊料開始熔化并濕潤焊點。 4、移開焊錫：當熔化一定量的焊錫后將焊錫絲移開。 5、移開烙鐵：當焊錫完全濕潤焊點后移開烙鐵。要點：1、焊件表面處理：手工烙鐵焊接中遇到的焊件往往都需要進行表面清理工作，去除焊接面上的銹跡、油污、灰塵等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)。手工操作中常用機械刮磨和酒精文章來日中國報告網(wǎng)、丙酮來擦洗等簡單易行的方法。 2、預(yù)焊：將要錫焊的元件引線的焊接部位預(yù)先用焊錫濕潤，是不可缺少的操作。

19、3、不要用過量的焊劑：合適的焊接劑應(yīng)該是松香水僅能浸濕的將要形成的焊點，不要讓松香水透過印刷版流到元件面或插孔里。使用松香焊錫時不需要再涂焊劑。 4、保持烙鐵頭清潔：烙鐵頭表面氧化的一層黑色雜質(zhì)形成隔熱層，使烙鐵頭失去加熱作用。要隨時再烙鐵架上蹭去雜質(zhì)，或者用一塊濕布或使海綿隨時擦烙鐵頭。5、焊錫量要合適。 6、焊件要固定。7、烙鐵撤離有講究：撤烙鐵頭時輕輕旋轉(zhuǎn)一下，可保持焊點適量的焊料。 體會： 1、掌握好加熱時間，在保證焊料濕潤焊件的前提下時間越短越好。 2、保持合適的溫度，保持熔鐵頭在合理的溫度范圍。一般經(jīng)驗是烙鐵頭溫度比焊料溫度高50攝氏度為宜。 3、用烙鐵頭對焊點施力是有害的。 用手

20、工焊的方法完成了元器件以及元器件的底座的焊接，導(dǎo)線的焊接等，掌握了手工焊的基本操作方法。調(diào)試：焊接完成后，接下來進行調(diào)試，第一次調(diào)試，倒計時電路顯示，但不能正確，其中“5”、“4”顯示倒置，即9、8、7、6、4、5、3、2、1，初步分析是線路出現(xiàn)故障，可能出現(xiàn)錯接，詳細檢查了線路，沒有發(fā)現(xiàn)類似錯誤，進而檢查了數(shù)碼管的接線正常，第三檢查是否虛焊，完成了這些檢查之后，在此進行調(diào)試，仍然不正常，暫時未得到正確的結(jié)果；其次是搶答電路不能實現(xiàn)，按下開關(guān)，不顯示，檢查了一切線路沒有錯了情況下，進而檢查是否虛焊，這兩項仔細檢查完畢之后，第二次進行調(diào)試，搶答電路正常；第三，發(fā)光二極管顯示不正常，始終亮著，所以

21、仍需改進，第一和第三個故障第一天未得到解決，回到宿舍繼續(xù)研究這個問題，修改了一下二極管的接法。到第二天，第三次調(diào)試，發(fā)光二極管發(fā)光正常，但是電路板竟然連昨天的功能都無法實現(xiàn)，只能進行搶答、倒計時，但是倒計時只顯示“9”然后倒計時到“0”中間的數(shù)字均不能顯示，然后二極管發(fā)光正常。之后一直在尋找原因，可是始終沒有找到，一直到老師宣布本次課程設(shè)計結(jié)束，所以，最終無法實現(xiàn)所有功能。實在是一大遺憾啊！心得體會：經(jīng)過兩個星期的共同努力，我們終于完成了電子技術(shù)課程設(shè)計。雖然時間不長，但是在這個過程中我得到了很多東西。因為以前沒有做過這一方面的課設(shè)，所以，一開始看到這個題目的時候感覺有點不知所措，不知道要從什

22、么地方開始做。在設(shè)計之前，參考了許多相關(guān)的資料。在設(shè)計中又參考了以前講過的四路搶答器的原理圖，有了基本的思路。但著手設(shè)計時，又出現(xiàn)了許多未預(yù)料到的問題，例如元件的選擇：在選擇編碼器時，是采用普通編碼器還是優(yōu)先編碼器。普通編碼器中，任何時刻只允許輸入一個編碼信號，否則輸出將發(fā)生混亂。所以選擇了優(yōu)先編碼器。但是74ls系列中眾多不同管腳的類型，選擇哪個作編碼器。經(jīng)過查找，選擇了74ls190，因為想用數(shù)字的形式顯示搶答者的編號，所以選擇了數(shù)碼顯示管，但數(shù)碼顯示管不能直接，數(shù)碼顯示管需要由ttl或cmos集成電路驅(qū)動，所以在ttl還是cmos集成電路上又進行了比較和選擇。最后選擇了數(shù)顯譯碼器，用它將

23、輸出的二進制代碼譯成相對應(yīng)的高、低信號，用其作為數(shù)碼顯示管的驅(qū)動信號，數(shù)碼顯示管顯示出相對應(yīng)的選手編號。在報警電路中，根據(jù)設(shè)計需要選擇了555定時器。在一些設(shè)計原理上也遇到了許多新問題。發(fā)現(xiàn)當電源接通后，倒計時電路始終工作，當?shù)健?”時不停止，仍然繼續(xù)進行倒計時，經(jīng)同學(xué)以及老師的指證，發(fā)現(xiàn)原因，并及時的改正，但是在之后的運行中，又出現(xiàn)了發(fā)光二極管不是短暫性的報警時，成為了瓶頸狀態(tài)，一直沒有突破，始終沒有弄清楚短暫報警的原理，后靜下來想，既然要短暫性，那么就是說，通電后立刻斷電，跟著這條思路下去，又回憶起以前老師曾講過，電容的充放電特性和電感的電磁感應(yīng)，但是因為我們電路使用的是直流，所以排除了電感，只能選擇電容進行試驗，但是因為不知道如何接入已經(jīng)做好的電路中，所以還是失敗而告終，后經(jīng)指導(dǎo)老師的細心的指導(dǎo)，終于解決了這個讓我們苦思的問題。終于我們的電路完全實現(xiàn)了所有要求，并且調(diào)試成功。通過這次智能競賽搶答器的設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)了以往學(xué)習(xí)中的許多不足，也讓我掌握了以往許多掌握的不太牢的知識，感覺學(xué)到了很多東西。兩周的課程設(shè)計，留給我印象最深