具有定時功能的八路數(shù)顯搶答器的設計論文

1、 題 目： 具有定時功能的八路數(shù)顯搶答器的設計 姓 名： 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 指導教師： 完成時間： 目 錄摘 要2 abstract 2 一 課題背景3 二 設計任務及系統(tǒng)功能簡介3 三 實現(xiàn)的原理與電路 5 1 數(shù)字搶答器設計方案 62 單元電路設計 73 報警電路 84 時序控制電路 8 四 總體方案選擇的論證 9五 在設計過程中發(fā)現(xiàn)的問題和所做的改進 10六 組裝與調(diào)試 12七 所用元器件列表13八 改進設想及建議 13 九 結(jié)束語 13 十 參考文獻 14十一附錄14 具有定時功能的八路數(shù)顯搶答器的設計摘要:本文介紹了一種用74系列常用集成電路設計的數(shù)碼顯示八路搶答器的電路

2、組成、設計思路及功能。該搶答器除具有基本的搶答功能外，還具有定時、計時和報警多重功能。主持人通過時間預設開關預設供搶答的時間，系統(tǒng)將完成自動倒計時。若在規(guī)定的時間內(nèi)有人搶答，則計時將自動停止；若在規(guī)定的時間內(nèi)無人搶答，則系統(tǒng)中的蜂鳴器將發(fā)響，提示主持人本輪搶答無效，同時實現(xiàn)報警功能。關鍵詞:八路, 搶答器, 設計,定時，計時，報警abstract：in this paper, the electric circuit and designing thought of an answering racer based on the common-used series of 74 ic with

3、 8-wire is introduced, and its function is also described. the answering races function includes timing, counting, and alarming, besides the basic function of an answering racer. the host sets the provided time for the answering race through the time-setting switch, after this the system will count

4、down the time automatically. if anybody answer the question on time, the counting of time will stop; if nobody answer the question on time, the alarm will give out some sound, helping the host know the race in this turn is of no use, so the function of alarming is achieved. keywords: 8-wire, answeri

5、ng racer, design, timing, counting, alarming一 課題背景工廠、學校和電視臺等單位常舉辦各種智力競賽, 搶答記分器便成為必要設備之一。在我校舉行的各種競賽中我們經(jīng)?？吹接袚尨鸬沫h(huán)節(jié)，舉辦方多數(shù)采用讓選手通過舉答題板的方法判斷選手的答題權(quán)，這在某種程度上會由于主持人的主觀誤斷帶來比賽的不公平性。為解決這個問題，我就此問題制作一個低成本但又能滿足這些活動需要的八路數(shù)顯搶答器,同時也作為我的畢業(yè)設計課題.二、設計任務及系統(tǒng)功能簡介1.基本功能：（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s0 s7表示。（2） 設置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關s

6、，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，揚聲器發(fā)出聲響提示，并在dpy_7-seg七段數(shù)碼管上顯示選手號碼。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(tǒng)清除為止。2.擴展功能：（1） 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。（2） 參賽選手在設定的時間內(nèi)進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯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(tǒng)清除為止。在這段（3） 如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示00。三、實現(xiàn)的原理

7、與電路1數(shù)字搶答器總體方框圖 如圖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(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。 主體電路搶答按鈕報警電路控制電路主持人控制開關譯碼電路定時電路秒脈沖產(chǎn)生電路顯示電路譯碼電路譯碼顯示鎖存器優(yōu)先編碼電路 擴展電路圖1設計框圖2單元電路設計(1) 搶

8、答器電路 設計電路如圖2所示。電路選用優(yōu)先編碼器 74ls148 和鎖存器 74ls297 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s置于清除端時，rs觸發(fā)器的 r、s端均為0，4個觸發(fā)器輸出置0，使74ls148的優(yōu)先編碼工作標志端（圖中5號端）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)，當有選手將搶答按鍵按下時（如按下s5），74ls148的輸出經(jīng)rs鎖存后，ctr=1,rbo(圖中4端) =1,七段顯示電路74ls

9、48處于工作狀態(tài)，4q3q2q=101,經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外，ctr，使74ls148 優(yōu)先編碼工作標志端（圖中5號端），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，74ls148的 此時由于仍為ctr，使優(yōu)先編碼工作標志端（圖中5號端），所以74ls148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。74ls148為8線3線優(yōu)先編碼器，表1為其功能表。圖 數(shù)字搶答器電路表1 74ls148的功能真值表(2)定時電路圖3 可預置時間的定時電路 原理及設計：該部分主要由555定時器秒脈沖產(chǎn)生電路

10、、十進制同步加減計數(shù)器74ls192減法計數(shù)電路、74ls48譯碼電路和2個7段數(shù)碼管即相關電路組成。具體電路如圖3所示。兩塊74ls192實現(xiàn)減法計數(shù)，通過譯碼電路74ls48顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。74192的預置數(shù)控制端實現(xiàn)預置數(shù)，由節(jié)目主持人根據(jù)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(shù)器進行預置，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數(shù)器開始減法計數(shù)工作，并將時間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管dpy_7-seg 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，且倒計時時間到時，輸出低電平到時序控制電路，控制報警電路報警，

11、同時以后選手搶答無效。下面結(jié)合圖4具體講一下標準秒脈沖產(chǎn)生電路的原理。結(jié)合圖4，圖中電容c的放電時間和充電時間分別為 ，于是從ne555的3端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，即秒脈沖。ui1 ui2 uo t的工作狀態(tài)01 1 1 101 1 0 0導通截止 截止 導通 導通表2 555定時器功能表圖4 標準秒脈沖產(chǎn)生電路 （3）報警電路由555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖5示。其中ne555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率 1.43（ri2r2）c，其輸出信號經(jīng)三極管推動揚聲器。pr為時序控

12、制電路輸出的控制信號，當pr為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。圖5 報警電路（4）時序控制電路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位置時，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按鍵時，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，揚聲器自動報警，表示此次搶答無效。 圖 6 時序控制電路根據(jù)上面的功能要求以及圖2，設計的時序控制電路如圖6所示。圖中，與門g1 的作用是控制時鐘信號cp的放行與禁止，門g2的作用是控制74ls148的輸入使能端（即圖二中的5端）。圖4的工作原理是：主持人控制開關從清除

13、位置撥到開始位置時，來自于圖2中的74ls279的輸出 1q,即ctr=0，經(jīng)g3反相，輸出為1，則ne555產(chǎn)生的時鐘信號cp能夠加到74ls192的cpd時鐘輸入端（圖中用clck表示接入到74ls192cpd端的信號），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 74ls148處于正常工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能的要求。當選手在定時時間內(nèi)按動搶答按鍵時，ctr1，經(jīng)g3反相，輸出為0，封鎖 cp信號，定時器處于保持工作狀態(tài)；同時，門g2的輸出 =1，74ls148處于禁止工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能的要求。當定時時間到時，則定時到信號為0，/st=1，7

14、4ls148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)，封鎖時鐘cp信號，使定時電路保持00狀態(tài)不變，從而實現(xiàn)功能的要求。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls121用于控制報警電路及發(fā)聲的時間（其功能表見表3）,具體原理如下：主要由555時鐘電路（用于控制報警聲音頻率）、蜂鳴器即相關的延時電路和控制電路組成。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121通過信號/ys、bo2、s控制報警與否和報警時間，555時鐘電路產(chǎn)生脈沖時鐘。在規(guī)定的時間有人搶答時，/ys由1跳變到0，74121有狀態(tài)2（見表3狀態(tài)編碼），即q輸出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報警，持續(xù)時間為=4.3秒；如果在規(guī)定時間內(nèi)無人搶答，bo2由1跳變

15、到0，74121有狀態(tài)1，q輸出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報警持續(xù)時間為結(jié)合圖5所示報警電路，分析計算如下：。取100uf, =51k,。有4.3秒。 表3 74121功能表四、總體方案選擇的論證。 74系列芯片實現(xiàn)原理圖：（詳見圖1）（3）選用74系列芯片實現(xiàn)的理由： 74系列芯片價格便宜，用其實現(xiàn)，成本較低基本能滿足學校場合需要； 與我們剛剛學完的 數(shù)字電路與邏輯設計聯(lián)系緊密。能將們所學知識用于實際，對鞏固所學知識有重要意義。 用了一些成型電路，如ne555標準秒脈沖電路等，使總體方案易于實現(xiàn)。 所用芯片均在數(shù)字電路與邏輯設計課程中學過，設計起來難度降低。五、在設計過程中發(fā)現(xiàn)的問題和所做的

16、改進（1） 選手號碼的顯示問題：在設計過程中，我們發(fā)現(xiàn)按下?lián)尨鸢粹o后，我們希望其在七段數(shù)碼顯示管上顯示的選手號碼是1到8，這樣符合我們一般的思維，而按照我們一開始所做的設計，數(shù)碼管只能顯示0到7，我們在認真研究體設計方案和7448譯碼器的功能表（見表四）后，發(fā)現(xiàn)解決此問題只須將顯示0改為顯示8，而其他的顯示則不改變。由表四可以看出，有兩種方案可供選擇：1是將7448的a3端置1，其他位置0；2是將圖2中的4端置1，其他位不管。但是在計時未到時，4端始終為低電平，所以如果采用方案2的話，我們的整設計就將全部打亂，故方案2不可取。我們采用了方案1。我們通過觀察表四看出，只有在字形（見表四）為0時，

17、/a2/a1/a0=1,其他均為0。于是我們就將a2、a1、a0 三端先接入非門7404，然后將他們接入與門7408，7408的輸出接7446的a3端，這樣就實現(xiàn)了顯示8的功能，其他的數(shù)碼的顯示并無影響。（2） 在計時結(jié)束時讓選手號碼顯示牌顯示0而不是8的問題。承1中所述，我們實現(xiàn)了選手號碼顯示8的問題，但隨之而來的是當計時結(jié)束時因為a2、a1、a0均為零，導致我們在做出（1）中所述改動后，選手號碼顯示牌上顯示的為8而不是我們要求的0。此時我們?nèi)匀皇峭ㄟ^研究我們的總體電路圖來解決這個問題的。我們知道，只有在字形（見表四）為0時，/a2/a1/a0=1，其他時候其值均為0。當計時時間到時，定時到

18、信號輸出為0，若將定時到時間信號與/a1、/a2、/a0一起接入與門，然后再接入到a3端的話，那么在定時到時，a3、a2、a1、a0均為0，經(jīng)7448譯碼輸出即為0。（3） 主持人按下?lián)尨鸢存I時選手號碼牌顯示為7而不是我們要求的0的問題。在電路焊接過程中，我們在主持人的按鍵選擇上選擇了點觸式開關，因為未對這種開關做細致的分析，我們發(fā)現(xiàn)每次主持人按下?lián)尨鸢存I選手號碼顯示牌上總是為7。經(jīng)過我們的認真分析，我們找到了原因，是我們的開關選擇出了問題。點觸式開關在按下后馬上又彈起，此即問題的所在。于是我們很快將其更換為單刀雙置開關，問題得到了解決。（4） 顯示電路顯示不穩(wěn)定的問題。在完成電路的焊接，進入

19、調(diào)試階段時，我們的搶答器顯示電路出現(xiàn)了不穩(wěn)定的問題。主要表現(xiàn)在當我們在完成一輪搶答后對計時時間進行重新設定時，顯示部分會出現(xiàn)亂碼的現(xiàn)象。開始我們以為是芯片出了問題，于是對芯片進行了逐個排查，確定芯片沒有損壞后，我們開始檢查導線的焊接情況。我們利用萬用表對接線處逐個進行了排查，最后發(fā)現(xiàn)某芯片的一個引腳處的導線松了。我們對導線進行了重新焊接，過后系統(tǒng)恢復了穩(wěn)定。 表4六、組裝與調(diào)試1.使用的主要儀器、儀表 多路直流穩(wěn)壓電源yb1719； 數(shù)字萬用表my61； 數(shù)字示波器tds1012； 函數(shù)發(fā)生器ee1411；2.電路調(diào)試(1) 單元電路檢測搶答電路把主持人的控制開關設置為“清除”位置，用萬用表檢

20、查rs觸發(fā)器的端為低電平，輸出端（4q1q）全部為低電平。于是74ls48的4端/bi/rbo=0，顯示器滅燈；74ls148的選通輸入端，即5端/st=0，74ls148處于工作狀態(tài)，此時鎖存電路不工作。然后把主持人的控制開關撥到“開始”位置，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態(tài)，即搶答器處于等待工作狀態(tài)，給8路搶答端口即輸入端給上低電平的輸入信號，如當有選手將搶答按鍵按下時（如按下），74ls148的輸出=010，=0，經(jīng)rs鎖存器后，74279的輸出1q,即ctr=1，/bi/rbo =1，74ls279處于工作狀態(tài)，輸出端4q3q2q=101，=0，經(jīng)rs鎖存器后，出“5”。此外，c

21、tr=1，使74ls148仍處于禁止工作狀態(tài)，其它按鍵的輸入信號不會被接收。定時電路用示波器檢查555的輸出波形是否為1hz的方波信號，如不是對555的外圍電路進行調(diào)整達到要求為止。給74ls192的數(shù)據(jù)輸入端設定一次搶答的時間，如35秒（00110101）的八位數(shù)據(jù)。觀察顯示器的顯示時間是否進行減計數(shù)。有問題按原理進行修改。時序控制及報警電路 主持人將控制開關撥到“開始”位置時，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按鍵時，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。2.整機電路調(diào)試開始時，主持人

22、將控制開關接地，搶答電路部分鎖存器74ls279的狀態(tài)輸出全為0，74ls48的滅燈輸入與鎖存器74ls279的q1相接，故搶答電路無顯示（清除）；與此同時，在計時電路部分，減法計數(shù)器74ls192的預置數(shù)端為0，將事先的預置數(shù)送入減法計數(shù)器中。當主持人按鍵彈起時，計數(shù)器開始計數(shù)工作，搶答開始。在沒有人按鍵且搶答時間沒到時，優(yōu)先編碼器/yex輸出為1，計數(shù)器bo2輸出為1，74148的5端，即0, 而優(yōu)先編碼器和計數(shù)器都正常工作；當在規(guī)定時間有人按下?lián)尨鸢存I時，/yex輸出為“0”， ctr=1，/st=1，優(yōu)先編碼器停止工作，此后選手的搶答無效，電路將按鍵者的編號顯示在led上；同時，ctr

23、=1，計數(shù)部分的計數(shù)脈沖=0，計數(shù)器停止工作，此時的倒計時時間記錄并顯示在led上；74148的/ys端由1跳變到0，74121有狀態(tài)2，即q輸出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報警，持續(xù)時間為=4.3秒。 如果在規(guī)定時間內(nèi)無人搶答，bo2由1跳變到0，74121有狀態(tài)2， q輸出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報警持續(xù)時間為=4.3 秒；st=1，搶答電路停止工作，此后的搶答按鍵無效。七、所用元器件列表序號編號名稱數(shù)量說明174ls192十進制可逆計數(shù)器2片工作電壓5v2ne555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2片工作電壓5v374ls48七路顯示譯碼器3片工作電壓5v474ls148優(yōu)先編碼器1片工作電壓5v574ls

24、279觸發(fā)器1片工作電壓5v674ls121非重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1片工作電壓5v77400與非門1片工作電壓5v87408與門1片工作電壓5v97404反向器1片工作電壓5v109013三極管1個11r3、r4510電阻3只12r268k電阻2只13r115k電阻 2只14r6100k電阻1只15r51k電阻2只16r710k電阻10只八、改進設想及建議2.建議：（1）我設計的作品主要是用74系列集成芯片來完成的，在焊接的過程中由于芯片的引腳過多，布線工作不是很方便。有時候還因為某一跟線沒有焊牢，造成電路的不穩(wěn)定，這些都是有待改進的。我們的想法是根據(jù)單片機原理及相關知識對我們的設計進行一些改進

25、。（2）完成電路的設計后，我們進行了電路的模擬，我們采用的方法是在面包板上進行模擬，雖然結(jié)果是模擬出來了，但是效率很低。面包板存在著很多的不確定性。比如板上有些插孔不可用等因素可能導致模擬失敗，即便有些時候設計是對的。因此我們建議學習一些常用電路仿真工具，如ewb、max-plus ii等eda軟件對設計出的電路進行仿真和模擬，這樣既可以提高效率，又可以提高模擬的準確性。九、結(jié)束語 經(jīng)過了兩個多月的學習和實習,在指導老師的悉心指導和嚴格要求下，我終于完成了八路數(shù)顯搶答器的設計的論文。從課題選擇、方案論證到具體設計，每一步對我來說無疑是巨大的嘗試和挑戰(zhàn)，也成就了我在大學期間獨立完成的最大的項目。在畢業(yè)設計的整個中，我學到很多有用的知識，也積累了不少寶貴的項目開發(fā)經(jīng)驗。在此要特別感謝我的老師,同學他們給我了很大的鼓勵和支持,以及富士康科技集團，他們?yōu)槲易鰧嶒炋峁┝肆己玫膶嶒灜h(huán)境， 記得在剛接到這個課題時，由于對搶答器以及相關知識不是很了解，我都有些茫然不知所措。于是我給自己提出了第一個問題：設計好一個搶答器需要什么具體的專業(yè)知識？帶著這個疑問我開始了獨立地學習和實驗：去圖書館查閱相關資料