智能搶答器的設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)〔說(shuō)明書〕智能搶答器的設(shè)計(jì)班級(jí)/學(xué)號(hào)學(xué)生姓名王紀(jì)堯指導(dǎo)教師李智慧沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱電子線路課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目智能搶答器的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計(jì)說(shuō)明與技術(shù)指標(biāo)用數(shù)字電路設(shè)計(jì)一個(gè)具有鎖存與顯示功能的8人搶答邏輯電路。接通電源后，主持人將開(kāi)關(guān)撥到“去除”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間；主持人將開(kāi)關(guān)置于“開(kāi)始”狀態(tài)，宣布“開(kāi)始”搶答器工作。定時(shí)器倒計(jì)時(shí)，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。如果再次搶答必須由主持人再次操作“去除”和“開(kāi)始”狀態(tài)開(kāi)關(guān)。二、設(shè)計(jì)要求1．在選擇器件時(shí)，應(yīng)考慮本錢。2．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)分析計(jì)算確定電路和元器件參數(shù)。3．畫出電路原理圖〔元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖標(biāo)準(zhǔn)化〕。三、實(shí)驗(yàn)要求1．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路，用軟件仿真。2．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。四、推薦參考資料1.童詩(shī)白，華成英主編．模擬電子技術(shù)根底．[M]北京：高等教育出版社，2006年五、按照要求撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告成績(jī)指導(dǎo)教師日期概述在各種智力競(jìng)賽場(chǎng)合，搶答器是必不可少的最公正的用具。在我們各種競(jìng)賽中我們也經(jīng)常能看到有搶答的環(huán)節(jié)，某些舉辦方采用讓選手通過(guò)舉答題板的方法判斷選手的答題權(quán)，這在某種程度上會(huì)因?yàn)橹鞒秩说闹饔^誤斷造成比賽的不公平性，而搶答器的應(yīng)用就能防止這種弊端。今天隨著科技的不斷進(jìn)步搶答器的制作也更加追求精益求精，人們擺脫了消耗很多元件僅來(lái)實(shí)現(xiàn)用指示燈和一些電路來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的搶答功能，使第一個(gè)搶答的參賽者的編號(hào)能通過(guò)指示燈顯示出來(lái)，防止不合理的現(xiàn)象發(fā)生。但這種電路不易于擴(kuò)展，而且當(dāng)有更高要求時(shí)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，例如參賽人數(shù)的增加。隨著數(shù)字電路的開(kāi)展，數(shù)字搶答器誕生了，它易于擴(kuò)展，可靠性好，集成度高，而且費(fèi)用低，功能更加多樣，是一種高效能的產(chǎn)品。而如今在市場(chǎng)上銷售的搶答器大多采用可編程邏輯元器件，或利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)主要利用常見(jiàn)的74LS系列集成電路芯片和555芯片，并通過(guò)劃分功能模塊進(jìn)行各個(gè)局部的設(shè)計(jì)，最后完成了八路智力競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)。二、方案論述圖1智能搶答器電路的原理框圖設(shè)計(jì)一個(gè)智能搶答電路，原理圖如圖1所示，電路主要包括搶答電路模塊和倒計(jì)時(shí)電路模塊兩局部。其中搶答電路完成根本的搶答功能，即主持人按下控制開(kāi)關(guān)后，中選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，數(shù)碼管顯示選手編號(hào)，但是只要主持人沒(méi)有按下控制開(kāi)關(guān)，選手搶答無(wú)效。倒計(jì)時(shí)電路模塊完成定時(shí)搶答的功能以及報(bào)警功能，同時(shí)封鎖輸入電路，控制其他選手搶答無(wú)效。圖1所示電路的工作過(guò)程是：接通電源后，主持人將控制開(kāi)關(guān)置于“去除”處，此時(shí)搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，選手不能進(jìn)行搶答，定時(shí)顯示器顯示設(shè)定的時(shí)間〔30s〕，當(dāng)主持人將控制開(kāi)關(guān)置于“開(kāi)始”時(shí)，搶答器處于工作狀態(tài)，同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。中選手在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答鍵時(shí)，電路要完成以下功能：〔1〕優(yōu)先編碼電路判斷搶答選手的編號(hào)，并由鎖存器進(jìn)行鎖存，然后通過(guò)譯碼顯示電路在數(shù)碼管顯示電路上顯示搶答者的編號(hào)，并且LED燈工作，給出搶答完畢信號(hào)；〔2〕傳輸門電路對(duì)優(yōu)先編碼器進(jìn)行封鎖，禁止其他選手進(jìn)行搶答；〔3〕傳輸門電路要使定時(shí)器停止工作，數(shù)碼管上顯示剩余的搶答時(shí)間，中選手將問(wèn)題答復(fù)完畢，主持人操作控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行系統(tǒng)清零，使系統(tǒng)恢復(fù)到禁止工作狀態(tài)，以便進(jìn)行下一輪搶答。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，卻沒(méi)有選手搶答時(shí)，系統(tǒng)將報(bào)警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答。電路設(shè)計(jì)1.倒計(jì)時(shí)電路模塊圖2倒計(jì)時(shí)模塊原理圖倒計(jì)時(shí)模塊由兩片74LS192可逆十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和譯碼電路構(gòu)成。LED數(shù)碼管接收來(lái)自74LS192的輸出信號(hào)并顯示出來(lái)。74LS192的9，10，11，15引腳完成時(shí)間設(shè)定功能，本設(shè)計(jì)定時(shí)為30秒，所以把左邊的芯片的1，15引腳接高電位，其余的全接低電位，使計(jì)時(shí)器的初始時(shí)間設(shè)定為30秒。該電路主要完成兩個(gè)功能：一是顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間示數(shù)；二是當(dāng)有選手搶答完畢，禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無(wú)效。工作過(guò)程為：搶答開(kāi)始前，74LS192的置數(shù)端為低電位，處于初始狀態(tài)，數(shù)碼管顯示為30，5引腳接高電位。搶答開(kāi)始后，秒脈沖推動(dòng)U7開(kāi)始倒記時(shí)，同時(shí)U7產(chǎn)生的信號(hào)由13引腳輸出，做為U6的CP信號(hào)推動(dòng)U6倒記時(shí)，完成十進(jìn)制的倒記時(shí)功能。當(dāng)有人搶答后U1的15引腳輸出為1，經(jīng)過(guò)非門U12后變?yōu)?，通過(guò)與門U13屏蔽了555脈沖秒信號(hào)，停止記時(shí)，完成顯示搶答時(shí)間的功能，同時(shí)U6的13引腳產(chǎn)生低電位信號(hào)，進(jìn)過(guò)非門U13，變?yōu)楦唠娢?，反?yīng)到優(yōu)先編碼器U13的5引腳，使優(yōu)先編碼器不工作，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)有一人搶答完畢時(shí)，其他人搶答無(wú)效的功能，確保不會(huì)出現(xiàn)二次按鍵時(shí)輸入信號(hào)，保證了搶答者的優(yōu)先性，只要有一組選手先按下?lián)尨鹌?，就?huì)將編碼器鎖死，不再對(duì)其他組進(jìn)行編碼。當(dāng)計(jì)到了30秒時(shí)，U6產(chǎn)生的定時(shí)時(shí)間到信號(hào)輸出為低電位，也屏蔽了秒信號(hào)，使得數(shù)碼管顯示為00。如有再次搶答需由主持人將控制開(kāi)關(guān)重新置“去除”然后再進(jìn)行下一輪搶答。2.搶答電路模塊圖3搶答模塊原理圖搶答電路模塊使用優(yōu)先編碼器74LS148，兩片鎖存器74LS279和譯碼器74LS48來(lái)完成，原理圖如圖3所示。該電路主要完成功能：分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào)〔顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管〕，同時(shí)有相應(yīng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮和數(shù)碼顯示。74LS148的輸入端和輸出端低電平有效。~是輸入信號(hào)，~為三位二進(jìn)制編碼輸出信號(hào)，＝1時(shí)，編碼器禁止編碼，當(dāng)＝0時(shí)，允許編碼。是技能輸出端，只有在＝0，而~均無(wú)編碼輸入信號(hào)時(shí)為0。為優(yōu)先編碼輸出端，在＝0而~的其中之一有信號(hào)時(shí)，＝0。~各輸入端的優(yōu)先順序?yàn)椋杭?jí)別最高，級(jí)別最低。如果＝0〔有信號(hào)〕，那么其它輸入端即使有輸入信號(hào)，均不起作用，此時(shí)輸出只按編碼，＝000。優(yōu)先編碼被廣泛用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)有多個(gè)外設(shè)申請(qǐng)中斷時(shí)，優(yōu)先編碼器總是給優(yōu)先級(jí)別高的設(shè)備先編碼。表174LS148真值表輸入輸出1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X011111111001001111111111013.譯碼顯示電路模塊圖4譯碼顯示電路二進(jìn)制譯碼器是將輸入的二進(jìn)制代碼的各種狀態(tài)按特定含義翻譯成對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)的電路。也稱為變量譯碼器。假設(shè)輸入端有n位，代碼組合就有2n個(gè)，當(dāng)然可譯出2n個(gè)輸出信號(hào)。顯示譯碼器由譯碼輸出和顯示器配合使用，最常用的是BCD七段譯碼器。其輸出是驅(qū)動(dòng)七段字形的七個(gè)信號(hào)，常見(jiàn)產(chǎn)品型號(hào)有74LS48、74LS47等。字符顯示器：分段式顯示是將字符由分布在同一平面上的假設(shè)干段發(fā)光筆劃組成。電子計(jì)算器，數(shù)字萬(wàn)用表等顯示器都是顯示分段式數(shù)字。而LED數(shù)碼顯示器是最常見(jiàn)的。通常有紅、綠、黃等顏色。LED的死區(qū)電壓較高，工作電壓大約1.5~3V，驅(qū)動(dòng)電流為幾十毫安。74LS47譯碼驅(qū)動(dòng)器輸出是低電平有效，所以配接的數(shù)碼管須采用共陽(yáng)極接法；而74LS48譯碼驅(qū)動(dòng)器輸出是高電平有效，所以，配接的數(shù)碼管須采用共陰極接法。使用時(shí)，共陰極接地，7個(gè)陽(yáng)極a~g由相應(yīng)的BCD七段譯碼器來(lái)驅(qū)動(dòng)。脈沖電路模塊圖5555計(jì)時(shí)器電路圖由于本電路需要計(jì)時(shí)器，所以由555芯片構(gòu)成周期為1秒的多諧振蕩器。原理圖如圖5所示。其中由555芯片構(gòu)成的多諧振蕩器，振蕩頻率為：要使周期為1秒，那么頻率也為1Hz，人為設(shè)定電阻，為40kΩ，電容的值為10μF。這樣多諧振蕩器的周期就近似為1秒。性能的測(cè)試脈沖電路的測(cè)試如表2所示，該脈沖信號(hào)輸出波形為周期〔T〕=1s，頻率〔f〕=1Hz的脈沖。表2脈沖電路測(cè)試數(shù)據(jù)表值(kΩ)值(kΩ)值(μF)頻率〔Hz〕周期(s)40401011圖6脈沖電路周期2.搶答電路測(cè)試圖7搶答電路測(cè)試經(jīng)測(cè)試，中選手3在規(guī)定時(shí)間內(nèi)率先搶答時(shí)，LED數(shù)碼管顯示3。電路整體性能測(cè)試圖8整體電路測(cè)試對(duì)電路的整體測(cè)試結(jié)果完全符合實(shí)驗(yàn)最初設(shè)計(jì)要求，電路設(shè)計(jì)連接成功。結(jié)論接通電源，主持人將開(kāi)關(guān)打到預(yù)置端，倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管顯示30，此時(shí)選手按下?lián)尨鸢存I，搶答無(wú)效。當(dāng)主持人撥動(dòng)開(kāi)關(guān)后，倒計(jì)時(shí)電路開(kāi)始從30秒倒數(shù)，8路觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)處于待命狀態(tài)。這時(shí)假設(shè)有選手按下所在開(kāi)關(guān)〔搶答〕，搶答電路顯示選手所在編碼〔0～7〕，倒計(jì)時(shí)電路停止計(jì)時(shí)，同時(shí)其他選手所在的開(kāi)關(guān)被鎖定，搶答無(wú)效。如果30秒倒計(jì)時(shí)結(jié)束后仍無(wú)人搶答，LED燈熄滅，倒計(jì)時(shí)電路鎖定為00，搶答不再有效。如果想進(jìn)行下一輪的搶答，這時(shí)只需主持人重新將開(kāi)關(guān)打到預(yù)置段，整個(gè)電路全部回到初態(tài)。性價(jià)比本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，進(jìn)過(guò)查詢資料和商家的報(bào)價(jià)，了解到元器不但件價(jià)格十分低廉，而且易獲取，所有的材料的價(jià)格總和不到人民幣35元，最后電路運(yùn)行可靠。所以本實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)性較高，性價(jià)比擬高。課設(shè)體會(huì)及合理化建議一開(kāi)始拿到任務(wù)書的時(shí)候，個(gè)人覺(jué)得這次電路課程設(shè)計(jì)的是比擬復(fù)雜的。剛開(kāi)始做的時(shí)候還是感到無(wú)從下手。于是在圖書館和網(wǎng)上查閱相關(guān)的資料，再運(yùn)用自己在課堂上學(xué)習(xí)的數(shù)字電路的知識(shí)，也慢慢有了一些初步的模型。同時(shí)這也是我再一次接觸Multisim軟件。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，花費(fèi)時(shí)間最多的過(guò)程應(yīng)該是各個(gè)單元電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。在多種方案的選擇中，仔細(xì)比擬分析各個(gè)芯片的原理以及可行性，最后在仿真軟件上通過(guò)屢次對(duì)電路的改良，終于使整個(gè)電路可穩(wěn)定工作。在設(shè)計(jì)電路過(guò)程中，深刻地體會(huì)到在設(shè)計(jì)過(guò)程中，連接電路和選擇元件是非常復(fù)雜和繁瑣的，在這個(gè)過(guò)程中很容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，這個(gè)時(shí)候人也非常的煩躁，也會(huì)想到放棄，但是再要靜下心來(lái)，分析電路的結(jié)構(gòu)，了解電路的原理，最后仔細(xì)地檢查電路，就可以找到問(wèn)題的根源。總之，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我有了很多收獲。在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過(guò)程中，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)電路思維，增強(qiáng)了動(dòng)手能力。在改良電路的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)查閱各方面的資料，最后的電路已經(jīng)比初期設(shè)計(jì)有了很大提高。參考文獻(xiàn)1.《數(shù)字電子技術(shù)根底》范文兵清華大學(xué)出版社2007年2.《數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)〔第三版〕》王毓銀高等教育出版社2005年3.《數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)根底》崔葛瑾同濟(jì)大學(xué)出版社2005年4.《數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)》呂思忠、施齊云哈爾濱工程大學(xué)出版社2001年5.《Multsim9在電工電子技術(shù)中的應(yīng)用》董玉冰清華大學(xué)出版社2008年附錄I總電路圖附錄II元器件清單序號(hào)型號(hào)名稱數(shù)量編號(hào)174LS08D與門3U16,17,18274LS04D