四路搶答器畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)成果說(shuō)明書(shū)題 目： 四路數(shù)字搶答器 學(xué)生姓名： 賈 靖 邦 學(xué) 號(hào)： 120702212 院 系： 船舶與海洋工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 沈 曉 群 浙江海洋學(xué)院教務(wù)處年 月 日目錄緒論.1一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求.1 1.1. 設(shè)計(jì)任務(wù).1 1.2. 設(shè)計(jì)要求.1二、方案設(shè)計(jì)與論證.1 2.1. 搶答器的基本工作原理.1 2.2. 系統(tǒng)框圖.2 2.3 方案比較.33、 原理電路.3 3.1.數(shù)字搶答器總體方框圖.3 3.2. 單元電路設(shè)計(jì).4 3.2.1. 搶答器控制電路.4 3.2.2 編碼器電路的設(shè)計(jì).4 3.2.3. 脈沖電路.6 3.2.4 .倒計(jì)時(shí)電路.7 3.2.5 .譯碼器電路

2、和數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì).8四、元器件清單.10五、硬件電路的調(diào)試.11 5.1. 仿真軟件簡(jiǎn)介.11 5.2. 仿真結(jié)果.126、 總結(jié)與心得.127、 參考文獻(xiàn).13 四路數(shù)字搶答器摘要：在現(xiàn)代社會(huì)生活中，智力競(jìng)賽作為一種生動(dòng)活潑的教育形式和方法引起觀眾極大地興趣。而在競(jìng)賽中往往分為幾組參加，針對(duì)主持人的提問(wèn)，各組一般要進(jìn)行必答和搶答，其中對(duì)于搶答，要判定哪組先按鍵，為了公正，就要有一種邏輯電路搶答器作裁決。本文介紹了一種利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的搶答系統(tǒng)，具有很強(qiáng)實(shí)用性。數(shù)字搶答器由主體電路與擴(kuò)展電路組成。優(yōu)先編碼電路、譯碼電路將參賽組的輸入信號(hào)在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開(kāi)關(guān)啟動(dòng)電路組成主

3、體電路。搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示功能。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)封鎖輸入電路，禁止其它選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。關(guān)鍵詞：數(shù)字搶答器 計(jì)時(shí)電路 優(yōu)先編碼電路 控制電路緒論基于數(shù)字電子技術(shù)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新看起來(lái)似乎永無(wú)止境，而且它們也的的確確在方方面面日益完善和豐富著我們每個(gè)人的日常生活和工作。隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來(lái)越注重產(chǎn)品的易使用型，人機(jī)界面一定要良好。聲音、圖象等作為人類交往的最重要手段，也被體現(xiàn)在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。采用一顆語(yǔ)音芯片，讓產(chǎn)品開(kāi)口說(shuō)話，可以起到強(qiáng)化宣傳品牌、指導(dǎo)用戶

4、使用、故障緊急提示、娛樂(lè)等功能，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)新穎實(shí)用、先聲奪人、出奇制勝。一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 1.1. 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。 1.2. 設(shè)計(jì)要求1）設(shè)計(jì)一個(gè)容納4組參賽隊(duì)的數(shù)字式搶答器，每組設(shè)置一搶答按鈕供搶答者使用。2）設(shè)置系統(tǒng)清除和搶答開(kāi)始控制開(kāi)關(guān)，由主持人控制。3）搶答器具有鎖存與顯示功能。選手按動(dòng)按鈕，鎖存相應(yīng)的編號(hào)，并在led數(shù)碼管上顯示，同時(shí)亮紅燈。其他選手無(wú)法搶答。優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。4）搶答器具有定時(shí)搶答功能。當(dāng)主持人啟動(dòng)“開(kāi)始”鍵后，計(jì)時(shí)器進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，同時(shí)綠燈亮。5）參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)（20s）進(jìn)行搶答，搶答有

5、效，定時(shí)器停止工作，綠燈滅，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答計(jì)時(shí)剩余的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。6）如果定時(shí)時(shí)間已到，無(wú)人搶答，本次搶答無(wú)效，紅燈亮，搶答無(wú)效。7）555振蕩器產(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)。二、方案設(shè)計(jì)與論證 2.1. 搶答器的基本工作原理 整個(gè)電路框圖如上圖所示，主要分為兩部分，一個(gè)是計(jì)時(shí)部分，一個(gè)是搶答電路，其中搶答器電路由，編碼器電路，rs觸發(fā)電路，譯碼器電路，數(shù)碼管顯示電路組成，封鎖電路由三個(gè)或門(mén)組成，其作用是只讓先按下的有效，而后按下的無(wú)效，主持人按鈕用來(lái)將電路復(fù)位，并將輸出清零和編碼電路解除封鎖，譯碼電路用來(lái)譯出編碼，數(shù)碼顯示部分用來(lái)顯

6、示按下的選手號(hào)碼，556定時(shí)電路用來(lái)定答題的時(shí)間。 2.2. 系統(tǒng)框圖 當(dāng)主持人宣布開(kāi)始，定時(shí)電路開(kāi)始秒脈沖電路的作用而進(jìn)行倒記時(shí)，并通過(guò)譯碼器在顯示器中顯示。報(bào)警電路給出聲音提示。當(dāng)選手首先按某一開(kāi)關(guān)鍵時(shí)，可通過(guò)觸發(fā)鎖存電路被觸發(fā)并鎖存，在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)電平信息，同時(shí)為防止其它開(kāi)關(guān)隨后觸發(fā)而產(chǎn)生紊亂，最先產(chǎn)生的輸出電平變化又反過(guò)來(lái)將觸發(fā)電路鎖定。然后在譯碼器中譯碼，將觸發(fā)器輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)。最后在顯示電路中顯示出所按鍵選手的號(hào)碼。若有多個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)按下時(shí)，則在它們之間存在著隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題，結(jié)果可能是它們中的任一個(gè)產(chǎn)生有效輸出。如圖2.1 圖2.1系統(tǒng)框圖搶答按鈕優(yōu)先編

7、碼電路鎖存電路譯碼電路主持人控制開(kāi)關(guān)控制電路狀態(tài)指示電路秒脈沖產(chǎn)生電路定時(shí)電路譯碼電路顯示電路顯示電路1、當(dāng)主持人按下“開(kāi)關(guān)”按鈕后，選手可以通過(guò)按按鈕的快慢來(lái)決定由誰(shuí)來(lái)回答，按得快的選手的編號(hào)顯示在電子顯示管上。2、此后選手輸入被鎖住，如果主持人按下復(fù)位鍵則編號(hào)顯示處不作任何顯示。3、然后選手開(kāi)始作答，作答的時(shí)間少于20秒，以倒數(shù)的方式進(jìn)行，而且通過(guò)顯示屏把時(shí)間顯示出來(lái)。4、主持人按下開(kāi)關(guān)，所有的顯示及工作狀態(tài)回到初始狀態(tài)以便進(jìn)行下一次答題. 2.3 方案比較方案1：采用cd4511芯片作為搶答信號(hào)的觸發(fā)、鎖存和譯碼輸出。這樣雖然比較簡(jiǎn)便，但實(shí)際在實(shí)現(xiàn)鎖存功能時(shí)比較繁瑣難實(shí)現(xiàn)。方案2：采用優(yōu)

8、先編碼器和譯碼器來(lái)完成搶答部分。雖然元件較多，但在實(shí)現(xiàn)鎖存功能時(shí)可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)比兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用搶答信號(hào)鎖存簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的方案2。然后利用軟件proteus來(lái)進(jìn)行仿真調(diào)試，再進(jìn)行逐步改進(jìn)。三、原理電路 3.1. 數(shù)字搶答器總體方框圖電路原理：1.置數(shù)：通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)將74ls192的load輸入端先置為高電平，使74ls192實(shí)現(xiàn)置數(shù)功能，將其置為0100，再通過(guò)開(kāi)關(guān)，將load輸入端先置為低電平，使其開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。 2.當(dāng)主持人按下開(kāi)始按鈕時(shí),綠燈亮，選手開(kāi)始搶答,并且倒計(jì)時(shí)開(kāi)始倒計(jì),當(dāng)有任何一個(gè)選手按下按鈕時(shí)ls148被鎖存,紅燈亮，其他選手按下無(wú)效,同時(shí)倒計(jì)時(shí)制止,數(shù)碼管顯示

9、剩余時(shí)間和選手對(duì)應(yīng)的號(hào)碼,倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管顯示為0，紅燈亮，禁止選手搶答。主持人再置為開(kāi)始狀態(tài),其他選手才可以繼續(xù)搶答,倒計(jì)時(shí)從新倒計(jì),進(jìn)入下一個(gè)搶答狀態(tài). 3.當(dāng)無(wú)選手按按鈕是,倒計(jì)時(shí)繼續(xù)直到倒計(jì)時(shí)為零,此時(shí)零點(diǎn)到的信號(hào)將ls148鎖存,選手再按下按鈕無(wú)效,同樣只有當(dāng)主持人清零后再置為開(kāi)始狀態(tài),其他選手才可以繼續(xù)搶答。4.鎖存的實(shí)現(xiàn):74ls75有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端將信號(hào)反饋回74ls148的使能端ei,此時(shí)74ls148被高電平鎖住，停止工作，禁止其它選手搶答，同時(shí)將低電平信號(hào)反饋回74ls192的倒計(jì)時(shí)輸入端，使其停止工作，保持剩余搶答時(shí)間。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為0時(shí)，74ls192通過(guò)非門(mén)74ls04

10、將信號(hào)反饋回74ls148的使能端ei，此時(shí)ls148被鎖在低電平，停止工作，禁止有選手超時(shí)搶答，同時(shí)將低電平信號(hào)反饋回與脈沖信號(hào)連接的與門(mén)，過(guò)濾脈沖信號(hào)，使74ls192停止工作，停止倒計(jì)時(shí)。主持人通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)對(duì)74ls192的清零端以及74ls75和ls148的使能端的控制來(lái)清除鎖存信號(hào),并使得搶答器重新工作。 3.2. 單元電路設(shè)計(jì) 3.2.1. 搶答器控制電路 搶答器控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它要完成以下功能：（1）當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，綠燈發(fā)光，并顯示相應(yīng)的組號(hào)，搶答電路封鎖且定時(shí)電路也鎖定。 （2）當(dāng)設(shè)定的答題時(shí)間到，即紅燈亮表示時(shí)間到，優(yōu)先編碼電路鎖定，此時(shí)無(wú)法進(jìn)行搶答。

11、 3.2.2 編碼器電路的設(shè)計(jì) 編碼器采樣74ls148作為編碼芯片，將輸入的信號(hào)進(jìn)行編碼，然后輸出2二進(jìn)制碼，輸出接到譯碼器上，當(dāng)輸出均為高時(shí)表示無(wú)選手按下，為無(wú)效電平，rs觸發(fā)器輸出為低，即無(wú)編碼輸出。 74ls148為8線3線優(yōu)先編碼器，表3.1為其真值表，圖3.1為其管腳圖。74ls148管腳圖 表3.1 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

12、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

13、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 3.2.3. 脈沖電路它基本原理是，由于電容c的兩端的電壓不能突變，定時(shí)器的2端電壓低觸發(fā)端為低電平，輸出端3為高電平。電源經(jīng)過(guò)r1、r2給電容c充電，當(dāng)電容的電壓充到電源電壓的2/3時(shí)，555內(nèi)部的mos管導(dǎo)通，輸出為低電平。

14、接著電容通過(guò)r2和已經(jīng)導(dǎo)通的mos管放電，當(dāng)電容的兩端電壓下降到低于1/3的電源電壓時(shí)，mos管截止電容放電停止，此時(shí)電源通過(guò)r1、r2再次向電容充電，如此反復(fù)，形成震蕩，從而在3端得到時(shí)鐘脈沖源輸出。脈沖波形顯示如下圖： 3.2.4 .倒計(jì)時(shí)電路該部分主要由555定時(shí)器秒脈沖產(chǎn)生電路、；兩個(gè)十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器74ls192、兩個(gè)74ls48譯碼電路和2個(gè)7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。具體電路如上圖所示。兩塊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

15、，且倒計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)， 輸出低電平經(jīng)非門(mén)轉(zhuǎn)為高電平接到優(yōu)先編碼器74ls148的e1使能端，控制優(yōu)先編碼電路，之后選手搶答無(wú)效。74ls192具有下述功能： 異步清零：cr=1，q3q2q1q0=0000 異步置數(shù)：cr=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

16、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3.2 74ls192管腳引線圖 3.2.5 .譯碼器電路和數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)搶答部分和倒計(jì)時(shí)部分的譯碼器均采用74ls48芯片，而數(shù)碼管則選擇與之相對(duì)應(yīng)的7段共陰數(shù)碼管搭配.下表為7段數(shù)碼顯示管工作表：表3.2 3.2.6.零點(diǎn)鎖存電路 3.2.7.時(shí)序控制電路時(shí)序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它要完成以下三項(xiàng)功能：主持人將控制開(kāi)關(guān)撥到開(kāi)始位置時(shí)，搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)人正常搶答工作狀態(tài)。 當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，搶

17、答電路和定時(shí)電路停止工作，倒計(jì)時(shí)歸零。當(dāng)設(shè)定的搶答時(shí)間到，無(wú)人搶答時(shí),搶答電路和定時(shí)電路停止工作。四、元器件清單 型號(hào)數(shù)量型號(hào)數(shù)量74ls08174ls20274ls1922七段顯示器374ls04874ls75174ls4837420274ls1481555定時(shí)器1開(kāi)關(guān)2led3按鍵4or_81表4.1 五、硬件電路的調(diào)試 5.1. 仿真軟件簡(jiǎn)介 proteus 是英國(guó)labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(spice)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和spice電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿

18、真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、rs232動(dòng)態(tài)仿真、i2c調(diào)試器、spi調(diào)試器、鍵盤(pán)和lcd系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：arm7(lpc21xx)、 8051/52系列、avr系列、pic10/12/16/18系列、hc11系列以及多種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如keil c51 uvision2、mplab等軟件。具有強(qiáng)大

19、的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機(jī)和spice分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。 proteus是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具,真的很不錯(cuò)?？梢苑抡?1系列、avr,pic等常用的mcu及其外圍電路（如lcd,ram,rom,鍵盤(pán),馬達(dá),led,ad/da,部分spi器件,部分iic器件.） 其實(shí)proteus 與 multisim比較類似,只不過(guò)它可以仿真mcu！ 5.2. 仿真結(jié)果六、結(jié)論與心得1、通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問(wèn)題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問(wèn)題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，主要是因?yàn)闆](méi)有動(dòng)手實(shí)踐過(guò)吧！認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。故一個(gè)小小的課程設(shè)計(jì)，對(duì)我們的作用是如此之大。2.通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我充分認(rèn)識(shí)到了自學(xué)的重要性，以及學(xué)以致用的道理，也體會(huì)到很多自己完成一件事,成功解決困難的樂(lè)