智力搶答器課程設(shè)計(jì)--智力競(jìng)賽搶答裝置的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　XX大學(xué)</b></p><p>　　數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　智力競(jìng)賽搶答裝置的設(shè)計(jì) </p><p>　　院 系 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) </

2、p><p>　　學(xué) 生 班 級(jí) </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導(dǎo)教師單位 </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名 </p&

3、gt;<p>　　指導(dǎo)教師職稱(chēng) </p><p><b>　　2010年11月</b></p><p>　　智力競(jìng)賽搶答裝置的設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要 ：根據(jù)設(shè)計(jì)的指標(biāo)和要求，搶答裝置主要由搶答器電路、定時(shí)電路、報(bào)警電路、零點(diǎn)鎖存電路、時(shí)序控制電路等組成。 當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到“清除”

4、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；當(dāng)開(kāi)關(guān)置“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)，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,當(dāng)一輪搶答之后，定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示零。 經(jīng)測(cè)試，我們?cè)O(shè)計(jì)的搶答器很好的實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　關(guān)鍵詞 ： 搶答器，設(shè)計(jì)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)目的 :&

5、lt;/b></p><p>　?。?）通過(guò)實(shí)踐來(lái)掌握模電數(shù)字電子技術(shù)課程所學(xué)的理論知識(shí)。</p><p>　?。?）熟悉一些常用的集成芯片，并掌握它們的工作原理，從而學(xué)會(huì)使用其來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）學(xué)會(huì)選擇集成芯片，電容，電阻及其他一些輔助元器件來(lái)設(shè)計(jì)智力競(jìng)賽搶答器。</p><p>　?。?）掌握搶答器的功能實(shí)

6、現(xiàn)以及搶答器的測(cè)試方法。</p><p>　　設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與要求 :</p><p>　?。?）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。 用數(shù)字顯示搶答倒計(jì)時(shí)間，由“9”倒計(jì)到“0”時(shí)，無(wú)人搶答，蜂鳴器連續(xù)響1秒。選手搶答時(shí)，數(shù)碼顯示選手組號(hào)，同時(shí)蜂鳴器響1秒，倒計(jì)時(shí)停止。</p><p>　?。?）利用protues技術(shù)在計(jì)算機(jī)上完成電路的設(shè)計(jì)與模擬；<

7、;/p><p>　　（3）利用protues在計(jì)算機(jī)上完成電路PCB板的制作；</p><p>　　（4）利用集成芯片、分立元件在實(shí)驗(yàn)室完成具體的電路，并能實(shí)現(xiàn)基本功能。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　前言…………………………………………………………………………………………1</p>

8、;<p>　　1 智力競(jìng)賽搶答裝置 ……………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)思想 …………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1.1 設(shè)計(jì)方案………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1.2 設(shè)計(jì)所需的元件………………

9、………………………………………………1</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)原理 …………………………………………………………………………5</p><p>　　1.2.1 搶答電路部分…………………………………………………………………6</p><p>　　1.2.2 定時(shí)電路部分…………………………………………………………………7</p><

10、;p>　　1.2.3 報(bào)警電路部分…………………………………………………………………7</p><p>　　1.2.4 時(shí)序控制電路部分……………………………………………………………8</p><p>　　2 電路仿真 ………………………………………………………………………………8</p><p>　　3 電路連接測(cè)試 …………………………………………

11、………………………………9</p><p>　　3.1 安裝焊接 …………………………………………………………………………9</p><p>　　3.2 測(cè)試 ……………………………………………………………………………10</p><p>　　3.2.1 使用儀器 …………………………………………………………………10</p><p>

12、;　　3.2.2 測(cè)試結(jié)果 ……………………………………………………………………10</p><p>　　4 設(shè)計(jì)體會(huì) ……………………………………………………………………………10</p><p>　　參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………11</p><p><b>　　前言 </b></p>

13、<p>　　在競(jìng)賽、文體娛樂(lè)等很多日常生活中很多地方都用到搶答器，它是能準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出搶答者的機(jī)器。一般搶答器由單片機(jī)以及外圍電路組成，分為八路十路等不同，八路和十路的差別是，搶答器背面的接口有幾組，和外形沒(méi)有關(guān)系。在這里我們做的是四路的搶答器。通過(guò)搶答者的指示燈顯示、數(shù)碼顯示和警示顯示等手段指示出第一搶答者。數(shù)字搶答器的基本框圖如下圖1所示。該電路框圖主要有主題電路和擴(kuò)展電路兩個(gè)部分，此電路條理清晰易懂，能夠很

14、好的實(shí)現(xiàn)搶答功能。</p><p>　　圖1 數(shù)字搶答器框圖</p><p>　　1 智力競(jìng)賽搶答裝置</p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)思想</b></p><p>　　1.1.1 設(shè)計(jì)方案</p><p>　　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

15、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)。</p><p>　　方案2：采用D觸發(fā)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)。</p><p>　　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Protues來(lái)進(jìn)行仿真調(diào)試，再進(jìn)行逐步改進(jìn)。</p><p>　　1.1.2 設(shè)計(jì)所需的元件</

16、p><p>　　74LS148、74LS192、74LS48、74LS00、74LS20、NE555</p><p>　?。?）74LS148</p><p>　　74LS148為8線－3線優(yōu)先編碼器，表1為其真值表，圖2為其管腳圖。</p><p>　　圖2 74LS148管腳圖 表1 74LS148 8線—3線二進(jìn)制編碼器真值表 <

17、;/p><p>　　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(chēng)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

18、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。</p><p>　?。?）74LS192</p><p>　　74LS192具有下述功能： </p><p>　　①異步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000 </p><p>　　②異步置數(shù)：CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D

19、3D2D1D0</p><p>　?、郾３郑?CR=0，LD=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原態(tài) </p><p>　?、芗佑?jì)數(shù)：CR=0, LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法規(guī)律計(jì)數(shù) </p><p>　　⑤減計(jì)數(shù)：CR=0, LD=1，CPU=1，CPD= CP，Q3Q2Q1Q0按減法規(guī)律計(jì)數(shù)</p><

20、;p>　　74LS192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。 </p><p>　　CPU為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。</p><p>　　LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。 </p><p>　　CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。 </p><p>　　CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出 </p>

21、<p>　　BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。其管腳引線圖如下圖3所示。</p><p>　　圖3 74LS192管腳引線圖</p><p>　?。?）74LS48 </p><p>　　48為有內(nèi)部上拉電阻的BCD-7段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，共有54/7448，54/74LS48兩種線路結(jié)構(gòu)型式，輸出端（Ya—Yg）為高電平有效，可驅(qū)動(dòng)燈緩沖器或共

22、陰極VLED。Ya—Yg為低電平時(shí)，脈沖消隱輸出也變?yōu)榈碗娖健Ｆ溥壿媹D如下圖3所示。</p><p>　　圖4 74LS48邏輯圖</p><p><b>　　（4）74LS00</b></p><p>　　00 為四組 2 輸入端與非門(mén)（正邏輯），共有 54/7400、54/74H00、54/74S00、54/74LS00，其中，1A－4A

23、，1B－4B為 輸入端 ，1Y－4Y 為輸出端 。其邏輯圖如下圖4所示。</p><p>　　圖5 74LS00 邏輯圖</p><p><b>　　（5）74LS20</b></p><p>　　20為兩組4輸入端與非門(mén)（正邏輯），共有54/7420，54/74H20，54/74S20，54/74LS20。其中，74LS20的引腳1A,2A、

24、1B,2B、1C,2C和1D,2D均為輸入端，1Y,2Y為輸出端。其邏輯圖如下圖5所示。</p><p>　　圖6 74LS20邏輯圖</p><p><b>　?。?）NE555</b></p><p>　　NE555 （Timer IC）為8腳時(shí)基集成電路，大約在1971年由Signetics Corporation發(fā)布，在當(dāng)時(shí)是唯一非?？?/p>

25、速且商業(yè)化的Timer IC，在往后的30年中非常普遍被使用，且延伸出許多的應(yīng)用電路，后來(lái)基于CMOS技術(shù)版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原規(guī)格的NE555依然正常的在市場(chǎng)上供應(yīng)，盡管新版IC在功能上有部份的改善，但其腳位勁能并沒(méi)變化，所以到目前都可直接的代用。其邏輯圖如下圖6所示。 </p><p>　　圖7 NE555邏輯圖</p><p>&l

26、t;b>　　設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　搶答器具有鎖存、定時(shí)、顯示和報(bào)警功能。即當(dāng)搶答開(kāi)始后，選手搶答按動(dòng)按鈕，鎖存器鎖存相應(yīng)選手的編碼，同時(shí)用LED數(shù)碼管把選手所剩搶答時(shí)間顯示出來(lái)。而選手按鍵搶答以及搶答時(shí)間倒計(jì)時(shí)到時(shí)的時(shí)候都有報(bào)警以提醒主持人和選手。搶答時(shí)間設(shè)定9秒，報(bào)警響聲持續(xù)1秒。接通電源后，主持人將開(kāi)關(guān)撥到“清除”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；

27、主持人將開(kāi)關(guān)置“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“清除”和“開(kāi)始”狀態(tài)開(kāi)關(guān)。</p><p>　　四路搶答器的總電路如圖8所示。</p><p>　　圖8 四路搶答器總電路圖<

28、;/p><p>　　1.2.1 搶答電路部分 </p><p>　　電路圖如圖9所示，該電路完成兩個(gè)功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖定74LS的功能真值表即優(yōu)先搶答者的編號(hào)，同時(shí)譯碼顯示電路顯示選手編號(hào)；二是要使其他選手隨后的按鍵操作無(wú)效。其工作原理為：當(dāng)主持人控制開(kāi)關(guān)處于“清除”時(shí)，D觸發(fā)器的清零端為低電平，使D觸發(fā)器被強(qiáng)制清零，輸入的搶答信號(hào)無(wú)效。當(dāng)主持人將開(kāi)關(guān)撥到“開(kāi)始”時(shí)，D觸發(fā)

29、器Q非端前一狀態(tài)為高電平，四個(gè)Q非端與在一起為高電平，再和搶答按鍵信號(hào)和借位信號(hào)與在一起給D觸發(fā)器的脈沖端，當(dāng)沒(méi)人搶答時(shí)，搶答信號(hào)為低電平，與門(mén)U11輸出端為低電平給D觸發(fā)器脈沖端，當(dāng)一有人搶答時(shí)，搶答信號(hào)為高電平，并和U2的輸出信號(hào)和借位信號(hào)與在一起，使得U11輸出端為高電平給D觸發(fā)器，于是D觸發(fā)器就有一個(gè)上升沿，使得搶答信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器觸發(fā)鎖存再經(jīng)過(guò)譯碼器74ls48譯碼，把相應(yīng)的信號(hào)顯示在數(shù)碼管上。另外，當(dāng)選手松開(kāi)按鍵后，D觸發(fā)器的

30、Q非前一狀態(tài)為低電平，與在一起后給與門(mén)U11,使得U11的輸出端為低電平給D觸發(fā)器，則D觸發(fā)器的脈沖輸入端恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，從而使得其他選手按鍵的輸入信號(hào)不會(huì)被接收。這就保證了搶答者的優(yōu)先性及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)選手回答完畢，主持人控制開(kāi)</p><p><b>　　圖9 搶答電路圖</b></p><p><b>　　定時(shí)電路部分</b></

31、p><p>　　電路圖如圖10 所示，定時(shí)9秒，把74LS192對(duì)應(yīng)的9，10，1，15四個(gè)端子預(yù)置為“1001”。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路555提供。當(dāng)復(fù)位開(kāi)關(guān)按下時(shí)，給74ls192一個(gè)低電平，從而開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，每來(lái)一個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行減計(jì)數(shù)一次。當(dāng)有選手搶答或借位信號(hào)時(shí)，就使得74ls192的輸入脈沖變成低電平，從而實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)的停止。再按復(fù)位鍵時(shí)，再一次倒計(jì)時(shí)。</p><p><b

32、>　　圖10 定時(shí)電路</b></p><p>　　1.2.3 報(bào)警電路電路部分 </p><p>　　電路如圖11所示，由74LS121和蜂鳴器構(gòu)成的報(bào)警電路，但仿真中沒(méi)有74ls121，因此用功能相同的MONOSTABLE VIRTUAL（后文簡(jiǎn)稱(chēng)A1）來(lái)代替仿真，如圖4所示。其中A1的脈沖輸入端是由復(fù)位信號(hào)和Q非的與信號(hào)和借位信號(hào)與在一起來(lái)提供的。當(dāng)其中一個(gè)信號(hào)

33、為低電平時(shí)，使得A1得到一個(gè)下降沿脈沖，從而使A1的Q端輸出一個(gè)寬度為一秒的高電平，那么蜂鳴器就會(huì)響一秒。反之，電路停振，蜂鳴器不響。</p><p><b>　　圖11 報(bào)警電路</b></p><p>　　1.2.4 時(shí)序控制電路部分 </p><p>　　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：</p>&l

34、t;p>　　1）主持人將控制開(kāi)關(guān)撥到“開(kāi)始”位置時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)。 </p><p>　　2）當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路停止工作。</p><p>　　當(dāng)設(shè)定的搶答時(shí)間到，無(wú)人搶答時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時(shí)搶答電路和定時(shí)電路停止工作。</p><p><b>　　2 電路仿真</b&g

35、t;</p><p>　　在計(jì)算機(jī)上使用multisim對(duì)設(shè)計(jì)的搶答器進(jìn)行仿真，仿真的結(jié)果為能實(shí)現(xiàn)最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，仿真電路如圖12所示。</p><p>　　圖12 智力競(jìng)賽搶答裝置仿真圖</p><p>　　3 電路連接測(cè)試</p><p><b>　　3.1 安裝焊接</b></p>&l

36、t;p>　　在計(jì)算機(jī)上使用protel繪制電路板并制作PCB板，在制作好的銅板上按圖9連接好線路，然后進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程要確保沒(méi)有短路和虛焊。焊接完成后還要認(rèn)真的檢查一遍。設(shè)計(jì)實(shí)物的正、反面圖如圖13、圖14所示。</p><p>　　圖13 設(shè)計(jì)實(shí)物正面圖</p><p>　　圖14 設(shè)計(jì)實(shí)物反面圖</p><p><b>　　測(cè)試&l

37、t;/b></p><p>　　3.2.1 使用儀器</p><p>　　使用的儀器有：VC9808數(shù)字萬(wàn)用表、直流電子負(fù)載。</p><p>　　3.2.2 測(cè)試結(jié)果</p><p>　　使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量可得+5V檔的輸出電壓為5.02V, 使用直流電子負(fù)載測(cè)得最大通過(guò)電流為1.11A，-5V檔的輸出電壓為-5.08V, 最大

38、通過(guò)電流為1.15A，+12V檔的輸出電壓為11.87V, 最大通過(guò)電流為1.08A ，-12V檔的輸出電壓為-11.88V，最大通過(guò)電流為1.09A，可調(diào)檔可調(diào)節(jié)范圍1.24V～12.5V，最大通過(guò)電流為1.10A。測(cè)試結(jié)果均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的基本要求，并略有超出基本部分所要求的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　4 設(shè)計(jì)體會(huì) </b></p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)

39、計(jì)，加強(qiáng)了我動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。 在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我總共想過(guò)兩個(gè)方案，前一個(gè)方案實(shí)現(xiàn)不了題目要求，后來(lái)就做出現(xiàn)在這個(gè)方案。 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)積累的一些不懂的理論問(wèn)題通過(guò)做這設(shè)計(jì)也就解決了。這就是所謂的認(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，吧。</p><p>　　經(jīng)過(guò)這幾周的努力，在老師和同學(xué)的幫助下，我們基本上完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們充分認(rèn)識(shí)到了自學(xué)的

40、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)趣。我們?cè)趫D書(shū)館和網(wǎng)上查閱了大量的資料，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到了圖書(shū)館和網(wǎng)上搜索的重要作用。在今后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，應(yīng)該多到圖書(shū)館和網(wǎng)上看一些專(zhuān)業(yè)方面的書(shū)籍，以豐富自己的知識(shí)。由于知識(shí)水平的局限，設(shè)計(jì)中可能會(huì)存在著一些不足，我真誠(chéng)的接受老師和同學(xué)的批評(píng)和指正。</p><p>　　最后衷心感謝老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)門(mén)的熱心幫助!</p><

41、;p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程（第三版）[M].北京:高等教育出版社,2006.</p><p>　　[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京:高等教育出版社,1998.</p><p>　　[3]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)：數(shù)字部分（第四版）[M]. 北京:高等教育出

42、版社,2000.</p><p>　　[4]蔡惟錚.集成電子技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2004.</p><p>　　[5]李世雄，丁康源.數(shù)字集成電子技術(shù)教程[M].北京：高等教育出版社，1993.</p><p>　　[6]童詩(shī)白，徐振英.現(xiàn)代電子學(xué)及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,1994.</p><p>　　[7] 黃正瑾