八路智力搶答器

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1、南華大學(xué)電氣工程學(xué)院電子設(shè)計課程 University of South China 電子技術(shù) 課程設(shè)計說明書 設(shè)計題目： 八路智力競賽搶答器 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 08級 學(xué) 號： ---------------- 姓 名： --------- 指導(dǎo)教師： ----------

2、 2011年 01 月 13 日 《電子技術(shù)課程設(shè)計》任務(wù)書 設(shè)計題目： 八路智力競賽搶答器 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書 1．課程設(shè)計的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 八路智力競賽搶答器 一、主要技術(shù)指標(biāo)與要求： 1、同時供8名選手或代表隊參加比賽，他們的編號分別是0、1

3、、2、3、4、5、6、7各用一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應(yīng)，分別是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。 2、給節(jié)目主持人設(shè)置一個控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零（編號顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。 3、搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示功能，搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并在LED數(shù)碼管上顯示出選手的編號，同時揚(yáng)聲器給出音響提示。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。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。 ##擴(kuò)展功能：搶答器具有定時搶答的功能，且一次搶答的時間可以由主持人設(shè)定(如30s)。當(dāng)節(jié)目主持人啟動“開始”鍵后，要求定時器立即減計時，并用

4、顯示器顯示，同時揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)時間0．5s左右。 二、參考元件（不限，供參考） 74LS148 74LS279 74LS48 74LS192 NE555 74LS00 74LS121、發(fā)光二極管 共陰極顯示器 2．對課程設(shè)計成果的要求〔包括圖表、實(shí)物等硬件要求〕： 設(shè)計電路，安裝調(diào)試或仿真，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并寫出設(shè)計說明書,語言流暢簡潔，文字不得少于3500字。要求圖紙布局合理，符合工程要求，使用Protel軟件繪出原理圖（SCH）和印制電路板(PCB),器件選擇要有計算依據(jù)。 3．主要參考文獻(xiàn)： [1]謝自美。電子線路設(shè)計、實(shí)驗(yàn)、測試[M]華

5、中理工大學(xué)，2001 [2]彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，1997 [3]畢滿清.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995 [4]陳明義.電工電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2002 [5]陳永甫.新編555集成電路應(yīng)用800例[M].北京：電子工業(yè)出版社 2000 [6]http://www. alldatasheet .com. GB4728.12-85 《電氣圖用圖形符號-二值邏輯單元》 4．課程設(shè)計工作進(jìn)度計劃： 序號 起 止 日 期 工 作 內(nèi) 容 1 2011-1-3 布置任務(wù)，教師

6、講解設(shè)計方法及要求 2 2011-1-4 學(xué)生查找閱讀資料，并確定方案 3 2011-1-5 學(xué)生設(shè)計小組會議，討論方案 4 2011-1-6~11 設(shè)計、仿真實(shí)驗(yàn) 5 2010-1-12~13 寫說明書，小組討論 6 2010-1-14 答辯 指導(dǎo)教師 蘇澤光 日期： 2010 年 12 月 日 目 錄 引言 ……………………………………………………………………5 1 整體設(shè)計原理分析 ……………………………………

7、…………6 1.1 設(shè)計思路 ……………………………………………………………6 1.2 設(shè)計方案 ……………………………………………………………6 2 單元電路設(shè)計 ……………………………………………………7 2.1 搶答電路 ……………………………………………………………7 2.2 定時電路 ……………………………………………………………7 2.3 報警電路 ……………………………………………………………9 2.4 時序控制電路 ………………………………………………………10 3 總體電路設(shè)計 ……………………………………………………11 4 Multisim仿真結(jié)果及

8、分析 …………………………………………12 4.1 單元電路仿真結(jié)果及分析 ……………………………………………12 4.1.1 搶答電路 …………………………………………………………12 4.1.2 定時電路…………………………………………………………13 4.1.3 報警電路…………………………………………………………14 4.2 總體電路仿真結(jié)果及分析 ……………………………………………17 結(jié)論 ……………………………………………………………………18 總結(jié)體會 ………………………………………………………………18 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………

9、…18 附錄 ……………………………………………………………………19 引言 智力競賽是一種生動活潑的教育方式，而搶答就是智力競賽中非常常見的一種答題方式。搶答能引起參賽者和觀眾的極大興趣，并且能在極短的時間內(nèi)，使人們迅速增加一些科學(xué)知識和生活常識。但是，在這類比賽中，對于誰先誰后搶答，在何時搶答，如何計算答題時間等等問題，若是僅憑主持人的主觀判斷，就很容易出現(xiàn)誤判。所以，我們就需要一種具備自動鎖存，置位，清零等功能智能搶答器來解決這些問題。利用本次設(shè)計出的電路制造成的定時搶答器，即可輕松實(shí)現(xiàn)在8人或8

10、個代表隊之間進(jìn)行的搶答比賽中進(jìn)行控制，使得這一活動更加趣味、公平。 1整體設(shè)計原理分析 1.1 設(shè)計的思路 1）本題的根本任務(wù)是準(zhǔn)確判斷出第一搶答者的信號并將其鎖存。實(shí)現(xiàn)這一功能可用觸發(fā)器或鎖存器等。在得到第一信號之后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖，即使其他組的搶答信號無效。同時還必須注意，第一搶答信號應(yīng)該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效，否則應(yīng)視為提前搶答而犯規(guī)。 2）當(dāng)電路形成第一搶答信號之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的組別，也可以用發(fā)光二極管直接指示出組別。還可以用鑒別出的第一搶答信號控制一

11、個具有兩種工作頻率交替變化的音頻振蕩器工作，使其推動揚(yáng)聲器發(fā)出兩態(tài)笛音音響，表示該題搶答有效。 3）計分電路可采用2位7段數(shù)碼管顯示，由于每次都是加或減10分，故個位總保持為零，只要十位和百位作加/減計數(shù)即可，可采用兩級十進(jìn)制加/減計數(shù)器完成。 4）在主持人沒有按下開始搶答按鈕前，若有人提前搶答，則鳴喇叭“嘟---”表示有組別提前搶答；當(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后，開始進(jìn)行30秒倒計時，此時，若有組別搶答，顯示該組別并伴有“嘀-嘟”的雙音音響持續(xù)2-3s；當(dāng)計時時間到，仍無組別搶答，則會發(fā)出“嘀---”的聲音，主持人清零后開始新一輪搶答。 1..2設(shè)計方案 優(yōu)先編碼電路 主持人控制

12、開關(guān) 鎖存器 譯碼電路 譯碼顯示 控制電路 報警電路 搶答 按鈕 秒脈沖產(chǎn)生電路 定時電路 譯碼電路 顯示電路 主體電路 擴(kuò)展電路 圖3.2 八路搶答器總體框圖 該設(shè)計搶答電路器的電路主要由搶答電路觸發(fā)電路報警電路定時電路顯示電路等組成 工作原理：通電后，節(jié)目主持人將開關(guān)置于“清除”位置，搶答器處于禁止 工作狀態(tài)，編號顯示器熄滅，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置“開始”位置，宣布“開始”搶答，搶答器處于工作狀態(tài)，時器倒計時。當(dāng)定時時間到，卻沒有選手搶答時

13、，系統(tǒng)報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，搶答器要完成以下四項工作：1優(yōu)先判斷，編號鎖存，編號顯示，揚(yáng)聲器發(fā)聲提示，當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止工作，禁止二次搶答，定時器顯示剩余時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。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)。 2單元電路設(shè)計 設(shè)計分為搶答、定時、報警、時序控件四個電路單元。 2.1搶答電路 此部分電路主要完成的功能是實(shí)現(xiàn)8路選手搶答并進(jìn)行鎖存，同時有相應(yīng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮和數(shù)碼顯示。 利用74LS148優(yōu)先編碼器對所有組別進(jìn)行搶答時的輸入信號進(jìn)行編碼，將輸出

14、結(jié)果輸入四個RS觸發(fā)器進(jìn)行信號保持，同時利用的返回值控制74LS148優(yōu)先編碼器的使能端，即只要有一組選手先按下?lián)尨鹌鳎蜁⒕幋a器鎖死，不再對其他組進(jìn)行編碼。通過74LS283加法器使搶答組別數(shù)字顯示1-8，清零時顯示9.另外，將通過加法器的輸出信號輸入74LS42譯碼器，使搶答組輸出端產(chǎn)生低電平平從而使相應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。 原理圖如下： 圖2.1 搶答電路原理圖 2.2定時電路 此部分電路主要完成的功能是當(dāng)主持人按下開始搶答按

15、鈕后，進(jìn)行30s倒計時，到0s時喇叭發(fā)出“嘀---”的聲音。 首先用555定時電路產(chǎn)生秒振蕩頻率，控制74LS193加減計數(shù)器的down輸入端，按秒頻率減數(shù)。利用一片74LS85比較器控制高位減法，另一片74LS85比較器完成當(dāng)計時器顯示0s時使另一個555定時電路產(chǎn)生振蕩，放大后可推動喇叭發(fā)聲。 原理圖如下： 圖2.2 定時電路原理圖 2.3 報警電路 此部分電路主要完成的功能是在選手按下?lián)尨鹌骱蟀l(fā)出“嘀-嘟”的雙音音響并持續(xù)2-3s。 選手按下?lián)尨鹌骱髸?4LS195移位寄存器開始移位?？梢允褂玫褂嫊r電路中的55

16、5定時電路產(chǎn)生的秒振蕩頻率來控制移位速度，使發(fā)聲時間保持2-3s。移位寄存器的輸出端分別控制兩個不同參數(shù)的555振蕩電路，發(fā)出不同頻率的響聲，即“嘀-嘟”的雙音音響。 原理圖如下： 圖2.3 報警電路原理圖 2.4 時序控制電路 時序控制電路是設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下三項功能： 1主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)。 2當(dāng)參賽選手按動搶答鍵時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作。 3當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。 根據(jù)上述的功

17、能要求，時序控制電路如下圖所示。圖中，門G1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。 (a) 搶答與定時時序控制電路 (b) 報警電路時序控制電路 2.4 時序控制電路原理圖 3 總體電路設(shè)計 將搶答、定時、報警、時序控制四個單元電路經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整組裝 成八路搶答電路的總體電路。原理圖如下： 圖3 總體電路圖 4 Multisim仿真結(jié)果及分析

18、 Multisim仿真軟件簡介 Multisim軟件就是一個專門用于電子線路仿真工具軟件。作為 Windows 下運(yùn)行的個人桌面電子設(shè)計工具， Multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。而且Multisim計算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好的解決理論教學(xué)與實(shí)際動手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一老大難問題。學(xué)員可以很好地、很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來。并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。極大地提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和積極性。真正的做到了變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。這些在教學(xué)活動中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)。還有很重要的一點(diǎn)就是：計算機(jī)仿真與虛擬儀器對教員的教學(xué)也是一個很好的提高

19、和促進(jìn)。 理論教學(xué)――計算機(jī)仿真――實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。 4.1 單元電路仿真結(jié)果及分析 分別對搶答、定時、報警單元電路進(jìn)行仿真，并分析其仿真結(jié)果。 4.1.1 搶答電路 圖4.1.1 Multisim仿真圖 將圖6所示搶答器電路在Multisim正確連線后仿真圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對應(yīng)開關(guān)S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，未加283時數(shù)碼管的顯示對應(yīng)為0，4，2，6，1，5，3，7，仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)，原理圖中148的輸出與279的高低位對應(yīng)錯誤，改正后再加上283后仿真，圖4.

20、1.1為按下開關(guān)7后的顯示結(jié)果。 4.1.2定時電路 部分電路主要完成的功能是當(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后，進(jìn)行30s倒計時，到0s時喇叭發(fā)出“嘀---”的聲音。 首先用555定時電路產(chǎn)生秒振蕩頻率，控制74LS193加減計數(shù)器的down輸入端，按秒頻率減數(shù)。利用一片74LS85比較器控制高位減法，另一片74LS85比較器完成當(dāng)計時器顯示0s時使另一個555定時電路產(chǎn)生振蕩，放大后可推動喇叭發(fā)聲。 定時電路Multisim仿真圖 將圖3所示定時電路在Multisim正確連線后仿真，將開關(guān)由“清除”打

21、到“開始”時，定時電路開始倒計時，LED燈點(diǎn)亮，當(dāng)?shù)褂嫊r時間到時，LED燈熄滅，且驅(qū)動555使蜂鳴器發(fā)出延時警報聲0.5秒。 圖（a） 定時時間為20秒時仿真圖 圖(b) 仿真波形圖 圖4.1.2 定時電路仿真圖 4.1.3 報警電路單元 這部分電路我們是由555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率 fo=1.43/【（R1+2R）C】， 其輸出信號經(jīng)三極管推動揚(yáng)聲器。PR為控制信號，當(dāng)PR為諧振蕩器工作；而當(dāng)PR為低電平

22、時，電路停振。原理圖如下： 圖（a） 報警電路原理圖 圖（b）20秒結(jié)束時仿真圖 圖（c）20結(jié)束時報警電路振蕩圖 圖4.1.3（1） 報警電路仿真圖 如圖4.1.3所示為報警電路仿真圖，由圖可看出當(dāng)在555的2端來了低電平的觸發(fā)脈沖后，等到脈沖消失，555在電容c3的作用下會繼續(xù)保持高電平，為了在Multisim10更清楚的看到仿真結(jié)果，故c3調(diào)整到了100nF，對192的脈沖也調(diào)整到了100HZ，有圖可看出，在192

23、的高位借位脈沖從到來到到消失的10ms后，555的輸出沒有立即變?yōu)榈碗娖?，而時繼續(xù)保持高電平10ms左右，即圖6所示報警電路仿真電路可正常延時，其延時時間可通過調(diào)節(jié)c3與R17的大小來改變，具體計算公式： Td=1.1Rt*Ct 這樣，就可以用根據(jù)電容與電阻的大小來控制報警電路具體延時時間的大小，達(dá)到一些特殊的功能。 在該搶答器的設(shè)計中，報警不需要多長時間，只是提醒主持人與選手定時時間到時，本次搶答結(jié)束，如果需要搶答，需要主持人重新“清除”再“開始”。 所以我選擇報警延時1秒左右，故在實(shí)際電路中將R17選擇為100K，c3選擇為10uF，其理論延時為1.1秒，符合系統(tǒng)要求。

24、 圖4.1.3（2）報警電路仿真圖 5 總體電路仿真及結(jié)果分析 將圖3的簡易搶答器的總電路原理圖在Multisim中仿真時，第一次仿真時因?yàn)閿?shù)碼管的下拉電阻過大，數(shù)碼管不能正常點(diǎn)亮，將其調(diào)小后，數(shù)碼管可正常顯示，但考慮到數(shù)碼管在實(shí)際焊接及工作中的安全性，將下拉電阻設(shè)定在300歐姆。 數(shù)碼管正常顯示后，可看出仿真結(jié)果，可是對應(yīng)于開關(guān)S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，數(shù)碼管顯示數(shù)字為04261537，再次出現(xiàn)了高低位錯誤的結(jié)果，在仔細(xì)檢查后，正確連線后，可完整實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求功能。 圖5 總體電路仿

25、真圖 結(jié)論 通過本次課程設(shè)計，使我對與非門以及觸發(fā)器等芯片有了更深的了解，對課本上的知識有了進(jìn)一步的掌握。在Multisim10環(huán)境下仿真以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，并且在實(shí)際環(huán)境中組裝并焊接實(shí)際電路，通過調(diào)試完全滿足設(shè)計要求。 簡易搶答器由搶答電路，定時電路，報警電路及電源構(gòu)成。主持人首先提出問題，在搶答前，主持人按下開始按鍵后，搶答開始。若有人搶答，則按下對應(yīng)按鍵S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7,則數(shù)碼管顯示對應(yīng)數(shù)字，并且其他人再無法搶答。 定時器為30秒，30秒計時到時則LED燈熄滅且蜂鳴器報警。 心得體會 通過這次課程設(shè)計,我學(xué)到了很多書本上沒有的實(shí)際的知識

26、,熟悉了一些元器件、芯片在工程中的靈活運(yùn)用。在設(shè)計及制作過程中，遇到過一些困難。通過上網(wǎng)和去圖書館查資料解決之。并且在網(wǎng)上搜集到了一些元器件及電路的相關(guān)資料對以后的學(xué)習(xí)及工作是很有幫助的。最重要的是我學(xué)會了自學(xué)的方法，這將使我今后離開學(xué)校，踏上社會是相當(dāng)有幫助的。其次是進(jìn)一步熟練地掌握和運(yùn)用了Multisim軟件，提高了我們自身的專業(yè)素質(zhì)。這也是我們工科學(xué)生所必須掌握的基礎(chǔ)技能。同時也深深的體會到，我們書本上所學(xué)的知識和實(shí)際的東西相差甚遠(yuǎn)，我們所不懂的知識還有很多，因此今后我們要更加注重實(shí)際方面的鍛煉和運(yùn)用。 參考文獻(xiàn) １. 電子線路設(shè)計、實(shí)驗(yàn)、測試，謝自美，武漢：華中科技大學(xué)出版社，20

27、00年。 ２. 電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分），康華光，高等教育出版社，2006年 ３. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計，高吉祥，北京：電子工業(yè)出版社，2002年。 ４. 電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，陳大欽，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001年。 附錄 1 元器件清單及主要芯片的功能 8線—3線優(yōu)先編碼器 74LS148 1個 鎖存器 74LS279　　　　２個 譯碼器 74LS42 1個 比較器 74LS85 5個 加法器 7

28、4LS283 3個 四2輸入與非門 74LS00 3個 非門 74LS04 2個 顯示譯碼器 74LS47 5個 555振蕩器 3個 共陽數(shù)碼管 5個 其他：50K、100K電阻、0.01u電容、0.047u電容、100u 第Error! No bookmark name given.頁 共Error! No bookmark name given.頁