八路定時搶答器設(shè)計

1、1 目錄一、引言 .3 二、設(shè)計任務(wù)及系統(tǒng)功能簡介.3 三、實現(xiàn)的原理與電路3 四、總體方案選擇的論證10 五、在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)的問題和所做的改進11 六、組裝與調(diào)試12 七、整機電路原理圖13 八、所用元器件列表14 九、改進設(shè)想及建議15 十、心得體會.15十一、參考文獻152 具有定時功能的八路數(shù)顯搶答器的設(shè)計一、引言工廠、學(xué)校和電視臺等單位常舉辦各種智力競賽, 搶答記分器是必要設(shè)備。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)，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。 為解決這個問題， 我們小組準備就本次大賽的機

2、會制作一個低成本但又能滿足學(xué)校需要的八路數(shù)顯搶答器。二、設(shè)計任務(wù)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(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)s，該開關(guān)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(yīng)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(shè)定 （如 30 秒） 。當主持人啟動 開始鍵后，定時器進行減計時。（2

3、） 參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，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(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；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， 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3 顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，定

4、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(guān)。主體電路擴展電路圖 1 設(shè)計框圖2單元電路設(shè)計(1) 搶答器電路設(shè)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(guān)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)

5、。當開關(guān)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 74ls48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(guān)重新置 “清除”

6、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。搶答按鈕優(yōu)先編碼電路鎖存器譯碼電路譯碼顯示主持人控制開關(guān)控制電路報警電路秒脈沖產(chǎn)生電路定時電路譯碼電路顯示電路4 圖數(shù)字搶答器電路5 表 1 74ls148的功能真值表(2) 定時電路圖 3 可預(yù)置時間的定時電路原理及設(shè)計： 該部分主要由 555 定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、 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(guān)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。741

7、92 的預(yù)置數(shù)控制端實現(xiàn)預(yù)置數(shù)，由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時間， 通過預(yù)置時間電路對計數(shù)器進行預(yù)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 6 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，2bo 輸出低電平到時序控制電路，控制報警電路報警， 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221incrtcr27. 0，crrincrrt)(7.02)(21212于是從

8、ne555的 3 端輸出的脈沖的頻率為crrttf)2(43.112121，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zhf1，即秒脈沖。ui1 ui2 uo t的工作狀態(tài)0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通表 2 555定時器功能表7 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0f 1.43 （ ri2r2 ）c ，其輸出信號經(jīng)三極管推動揚聲器。 pr為時序控制電路輸出的控制信號，當pr為高電平時，多

9、諧振蕩器工作，反之，電路停振。圖 5 報警電路8 （4）時序控制電路時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下三項功能：主持人將控制開關(guān)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。圖 6 時序控制電路根據(jù)上面的功能要求以及圖2，設(shè)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(guān)從清除位置撥到 開始 位置時，來自于圖2 中的 74ls279的輸出 1q, 即 ctr=0

10、，經(jīng) g39 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，ctr 1，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=1，74ls148處于禁止

11、工作狀態(tài)，禁止選手進行搶答。同時，門g1處于關(guān)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(guān)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wt =4.3 秒；如果在規(guī)定

12、時間內(nèi)無人搶答，bo2由 1 跳變到 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wt結(jié)合圖5 所示報警電路，分析wt 計算如下：2ln23crtw。取2c 100uf, 3r =51k,。有2ln6crtw4.3 秒。a1a2bldhdlhddlhhdhhhhhlddl輸入qlhh暫態(tài)低電平lll暫態(tài)高電平輸出/qhh暫態(tài)低電平暫態(tài)低電平暫態(tài)低電平暫態(tài)高電平暫態(tài)低電平暫態(tài)高電平暫態(tài)高電平暫態(tài)高電平表 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）10 （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)，

13、成本較低基本能滿足學(xué)校場合需要； 與我們剛剛學(xué)完的 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計 聯(lián)系緊密。 能將們所學(xué)知識用于實際，對鞏固所學(xué)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(shè)計 課程中學(xué)過，設(shè)計起來難度降低。五、在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)的問題和所做的改進（1） 選手號碼的顯示問題： 在設(shè)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(shè)計，數(shù)碼管只能顯示0 到 7，我們在認真研究體設(shè)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

14、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(shè)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，/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)

15、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(dǎo)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

16、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(guān)，因為未對這種開關(guān)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(guān)選擇出了問題。 點觸式開關(guān)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(guān)，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(shè)定時，顯示部分會出現(xiàn)亂碼的現(xiàn)象。

17、 開始我們11 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(dǎo)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(dǎo)線松了。我們對導(dǎo)線進行了重新焊接， 過后系統(tǒng)恢復(fù)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(guān)設(shè)置為“清除”位置，用萬用表檢查rs觸發(fā)器的r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

18、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(guān)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7i ,0i 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5s ） ，74ls148的輸出2y1y0y =010，exy=0， 經(jīng) rs鎖存器后，74279的輸出 1q,即 ctr=1 ，12 /bi/rbo =1 ，74ls279處于工作狀態(tài)，輸出端4q3q2q=101，exy=0，經(jīng) rs鎖存器后，出“ 5” 。此外， ctr=1 ，使 74

19、ls148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(shè)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(guān)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(shè)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

20、，主持人將控制開關(guān)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(yù)置數(shù)端為0，將事先的預(yù)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ctrbost*20, 而cpboctrclck*2*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，

21、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=1 ，計數(shù)部分的計數(shù)脈沖cpboctrclck*2*=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wt =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wt=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13 序號編號名稱數(shù)量說明1 74ls192 十進

22、制可逆計數(shù)器2 片工作電壓 5v 2 ne555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2 片工作電壓 5v 3 74ls48 七路顯示譯碼器3 片工作電壓 5v 4 74ls148 優(yōu)先編碼器1 片工作電壓 5v 5 74ls279 觸發(fā)器1 片工作電壓 5v 6 74ls121 非重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1 片工作電壓 5v 7 7400 與非門1 片工作電壓 5v 8 7408 與門1 片工作電壓 5v 9 7404 反向器1 片工作電壓 5v 10 9013 三極管1 個11 r3 、r4 510電阻3 只12 r2 68k 電阻2 只13 r1 15k 電阻2 只14 r6 100k 電阻1 只15 r5 1k 電阻2 只16 r7 10