電子課程設(shè)計(jì)——數(shù)字式搶答器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告</p><p>　　設(shè)計(jì)題目：數(shù)字式搶答器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　班 級：</b></p><p><b>　　學(xué) 號：</b></p><p><b>　　姓 名： </b></p>

2、<p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)時(shí)間：年 月</b></p><p>　　一、搶答器的主要內(nèi)容</p><p>　　l.任務(wù)要求和內(nèi)容 </p><p>　　數(shù)字式競賽搶答器具有數(shù)字顯示搶答者序號功能同時(shí)配以聲、光報(bào)警，以響應(yīng)搶先搶答者的信號

3、和序號，對犯規(guī)搶答者(包括提前和超前搶答)除聲、光報(bào)警外，還有顯示搶答犯規(guī)者序號的功能，同時(shí)還可以設(shè)置記分和獎(jiǎng)罰記錄等多種功能。</p><p>　　2．搶答器的使用步驟為：</p><p>　　(1)電路上電搶答前，由搶答主持人進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，確定搶答允許時(shí)間。</p><p>　　(2)搶答主持入發(fā)出搶答命令同時(shí)按下定時(shí)開關(guān)。</p><p&g

4、t;　　(3)搶答者聽到搶答開始命令后，通過各自的按鈕開關(guān)輸入搶答信號。</p><p><b>　　二、資料收集</b></p><p><b>　　1、芯片資料的收集</b></p><p>　　課設(shè)中用到了74LS148，74LS192，74LS48，555定時(shí)器、74LS00、74LS121、74ls04、74ls

5、273等芯片。其中74LS192、 555定時(shí)器、74LS00在數(shù)電書上學(xué)有，而對于沒有學(xué)過的74LS148、74LS48、74LS121、74ls04、74ls273芯片則在網(wǎng)上找到相關(guān)應(yīng)用資料。</p><p><b>　　2、搶答器的資料</b></p><p>　　根據(jù)題目的要求我們在數(shù)電等相關(guān)書籍上找了各個(gè)芯片的使用方法，并在網(wǎng)絡(luò)上也找到了一些相關(guān)的資料來輔

6、助設(shè)計(jì)搶答器的原理和繪制電路圖。</p><p><b>　　三、工作過程簡介</b></p><p>　　得到題目后我們先確定了大體的設(shè)計(jì)思路，每一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，確定了課設(shè)實(shí)施的方案，然后去找資料了解各芯片的功能，管腳圖和邏輯圖，結(jié)合實(shí)物熟悉各個(gè)芯片的使用。并通過芯片實(shí)現(xiàn)其功能。接下來的任務(wù)就去找資料，設(shè)計(jì)電路圖，并且仿真。</p><p&

7、gt;　　經(jīng)過仿真后，就開始畫原理圖和PCB圖。經(jīng)過學(xué)習(xí)protel99實(shí)用教程后畫PCB圖更加熟練，更加有效率。焊完板后接下來就是調(diào)試電路板，這可是個(gè)復(fù)雜的過程，74ls148有點(diǎn)問題，一上電就鎖存了，沒有達(dá)到預(yù)期的效果，經(jīng)過排除和檢查，電路板可以正常工作了。其他的板都可以正常工作。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一 、前言·

8、;··································2</p>&l

9、t;p>　　二、目錄 ··································3

10、</p><p>　　三 、正文 ································

11、;··4</p><p>　　3.1系統(tǒng)概述 ···························4</p>

12、<p>　　3.1.1、搶答器基本功能················4</p><p>　　3.1.2、搶答器的工作原理··········&#

13、183;···5</p><p>　　3.2單元電路設(shè)計(jì)仿真和分析··············6</p><p>　　3.2.1搶答主電路的設(shè)計(jì)······

14、83;········6</p><p>　　3.2.2搶答倒計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)··············6</p><p>　　3.2.3 犯規(guī)電路及報(bào)警電路設(shè)計(jì)·

15、·········8 </p><p>　　3.2.4 計(jì)分電路的設(shè)計(jì)··················9</p>

16、<p>　　3.3 總體電路圖··························10 </p><p>　　四、電路的安裝與調(diào)試·&

17、#183;··························11</p><p>　　五、結(jié)束語和心得體會····

18、·······················12</p><p>　　六、參考文獻(xiàn)········

19、83;·························13</p><p>　　七、元器件列表······

20、;··························14</p><p>　　八、附錄·····

21、3;······························14</p><p><b>　　三、正文

22、</b></p><p><b>　　3.1系統(tǒng)概述</b></p><p>　　3.1.1 、搶答器基本功能：</p><p>　　1．設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字式競賽搶答器，可容納8組代表隊(duì)參加比賽，他們的編號分別是0-7，每組有一個(gè)搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應(yīng)，分別是S0-S7。給節(jié)目主持人設(shè)置一個(gè)控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零（編

23、號顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。</p><p>　　2．搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。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。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。</p><p>　　3．搶答器具有定時(shí)搶答的功能。當(dāng)主持人按下“開始”按鈕后，定時(shí)器立即倒計(jì)時(shí)，并在顯示器上顯示。若有一個(gè)組在

24、主持人按下“開始”前搶答，則為犯規(guī)，報(bào)警器發(fā)出響聲。</p><p>　　4．參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答時(shí)刻的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。如果定時(shí)搶答的時(shí)間已到，卻沒有選手搶答，則本次搶答無效，系統(tǒng)封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答，時(shí)間顯示器上顯示00.</p><p><b>　　流程圖如下圖：</b>

25、</p><p>　　3.1.2搶答器的工作過程</p><p>　　根據(jù)對功能要求的簡要分析，將搶答器電路分為搶答電路、搶答倒計(jì)時(shí)電路、犯規(guī)和報(bào)警電路、計(jì)分電路。搶答電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當(dāng)選手按動搶答器按鈕時(shí)，能顯示選手的編號，同時(shí)能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答；擴(kuò)展電路完成定時(shí)搶答、犯規(guī)報(bào)警及搶答計(jì)分功能。</p><p>　　工作原理：通電

26、后，主持人將開關(guān)撥到“清零狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間：主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。若是主持人開關(guān)并未置“開始”，此時(shí)若是有人搶答，則對應(yīng)選手的燈亮，揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲并封鎖輸入電路。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，卻沒有選手搶答時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)搶答。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，編號鎖存，編號顯示，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

27、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“開始：狀態(tài)開關(guān)。對于搶答者，答對題則可以進(jìn)行相應(yīng)的加分，提前搶答或是答錯(cuò)則扣掉相應(yīng)的分值。</p><p>　　3.2、單元電路設(shè)計(jì)仿真和分析</p><p>　　3.2.1搶答電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　該部分主要完成兩個(gè)功能：一是分辨選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號；二

28、是禁止其他選手按鍵操作無效。選用優(yōu)先編碼器74ls148和RS鎖存器可以完成上述功能，所組成的電路圖如下所示。這個(gè)電路的工作原理過程：當(dāng)主持人控制開關(guān)s置于“清零” 端時(shí)，RS觸發(fā)器的R非端均為0，4個(gè)觸發(fā)器輸出（Q4--Q1）全部置0，使74ls148的BI的非=0，顯示器燈滅：74ls148的選通輸入端ST的非=0，使之處于工作狀態(tài)，此時(shí)鎖存電路不工作。當(dāng)主持人把開關(guān)S置于“開始”時(shí)，優(yōu)先編碼器和鎖存電路同時(shí)處于工作狀態(tài)，即搶答器處

29、于等待工作狀態(tài)，等待輸入端的信號，當(dāng)有選手將鍵按下時(shí)（比如按下s5），74ls148的輸出Y2Y1Y0的非=010，YEX的非=0，經(jīng)RS鎖存后，CTR=1，BI的非=1，經(jīng)74ls148譯碼后，顯示器顯示為“5”。此外，CRT=1,使74ls148的ST的非為高電平，封鎖其他按鍵的輸入。如果再次搶答需有主持人將S開關(guān)重新“清除”，電路復(fù)位。</p><p>　　搶答部分電路原理圖如下：</p>&

30、lt;p>　　3.2.2、定時(shí)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　可預(yù)置時(shí)間的電路選用可由兩片十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74Ls192、譯碼器74ls48、7段數(shù)碼顯示管來進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，兩塊74LS192實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，通過譯碼電路74LS48顯示到數(shù)碼管上，其時(shí)鐘信號由時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供。74ls192的預(yù)置數(shù)控制端實(shí)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(shí)間，通過預(yù)置時(shí)間電路對計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置，計(jì)數(shù)

31、器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供。74ls192其引腳圖和邏輯圖如圖1所示，</p><p>　　74LS192引腳圖 555定時(shí)器連接圖</p><p>　　P0、P1、P2、P3——置數(shù)并行數(shù)據(jù)輸入；Q0、Q1、Q2、Q3——計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)輸出；</p><p>　　CR————清零端； LD————置數(shù)端； CPu ————加法計(jì)數(shù)C

32、P輸入；</p><p>　　CPd ———減法計(jì)數(shù)CP輸入；CO———進(jìn)位輸出端；BO———借位輸出端。 </p><p>　　因?yàn)闀r(shí)間周期為1S，所以頻率是1Hz。555電路中電容的充放電時(shí)間分別是：</p><p>　　t1=RB×C×ln2≈0.7RB×C t2=(RA+RB)×C×ln2≈0.7(

33、RA+RB)C </p><p>　　所以555的3端輸出的頻率為： f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2RA+RB)C] </p><p>　　我們采用的電阻和電容值分別是：RA=15KΩ，R2=68KΩ，C1=10uf,滿足上式，即得到的是秒脈沖。</p><p>　　定時(shí)電路原理圖如下：</p><p>　　3.2.3、犯規(guī)及報(bào)警電

34、路的設(shè)計(jì)</p><p>　　報(bào)警電路我們是由74ls121單穩(wěn)觸發(fā)器觸發(fā)555構(gòu)成的多諧振蕩器，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，并發(fā)出響聲提示。PR為控制信號，當(dāng)PR為高電平時(shí)諧振蕩器工作；而當(dāng)PR為低電平時(shí)，電路停振。</p><p>　　犯規(guī)電路由3個(gè)74ls04、74ls273、發(fā)光二極管1n4148等組成。74LS273是一種帶清除功能

35、的8D觸發(fā)器，做為數(shù)據(jù)鎖存器, 鎖存住提前搶答的選手并使對應(yīng)選手的燈亮，并在數(shù)碼管上短暫顯示其號碼。</p><p><b>　　報(bào)警電路如下圖</b></p><p><b>　　犯規(guī)電路如下圖：</b></p><p>　　3.2.4、計(jì)分電路設(shè)計(jì)</p><p>　　計(jì)分電路由4個(gè)74l

36、s192、4個(gè)74ls48、4個(gè)數(shù)碼管構(gòu)成，但在設(shè)計(jì)中只是模擬了2位選手的計(jì)分過程，根據(jù)選手答題的對與錯(cuò)可以對其進(jìn)行加減分，也可以對搶答者的初始分值進(jìn)行置數(shù)。計(jì)分電路如下圖：</p><p><b>　　3.4 總體電路圖</b></p><p>　　經(jīng)過以上分析，我們將各部分電路連接，并加以適當(dāng)控制，即得到了八位定時(shí)搶答器的總體電路圖。</p>

37、<p><b>　　工作原理如下：</b></p><p>　　首先是各個(gè)選手分別對應(yīng)的按鈕編號是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，搶答后顯示器上顯示的分別是0、1、2、3、4、5、6、7。 </p><p>　　然后是主持人對整個(gè)電路系統(tǒng)清零，將開關(guān)置于“清零”的位置，輸出低電平，分為兩路：一路與鎖存器的1R2R3R4R端相連，使輸出端

38、1Q2Q3Q4Q為低電平，1Q所輸出的低電平經(jīng)與門反饋給74LS148的EI端子，編碼器不工作，因此搶答部分顯示器滅燈無顯示，實(shí)現(xiàn)了清零；另一路低電平輸出到計(jì)數(shù)器74LS192的LD端，而CR端也是低電平，所以使得對應(yīng)顯示器輸出預(yù)置的數(shù)據(jù)。</p><p>　　接下來主持人根據(jù)題目的難易程度設(shè)置搶答時(shí)間，此設(shè)定可以通過調(diào)節(jié)輸入兩片74LS192的四個(gè)輸入端D、C、B、A的高低電平來進(jìn)行（例如要設(shè)定時(shí)間為30秒,就

39、將十位的74192的D、C、B、A分別置位為0、0、1、1，而將各位的74LS192的D、C、B、A都置于0）。當(dāng)主持人宣讀完題目說“開始”并將開關(guān)置于“開始”位置后，輸出為高電平，此高電平有兩路方向：一路輸出到74LS192的LD端，使其處于高電平而開始減計(jì)數(shù)；還有一路輸出到鎖存器的R端。</p><p>　　當(dāng)任意一個(gè)選手搶答時(shí)，例如3號搶答時(shí)，74LS148三號端子輸入低電平有效，此時(shí)GS為低電平有效，表征

40、編碼器在正常工作。編碼輸出A2A1A0為100，與其對應(yīng)的4S3S2S為100，經(jīng)74LS279鎖存，4Q3Q2Q輸出為011，經(jīng)譯碼顯示編號為3。與此同時(shí)，1Q所輸出的高電平反饋回編碼器的是能輸入端，使其停止工作。此時(shí)，其他選手若再按動按鈕也無對應(yīng)輸出，這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。另一路，74LS148的GS端輸出電平由高變低，與秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖相與后輸出為0，使得無脈沖抵達(dá)計(jì)數(shù)器74LS192的Down端。計(jì)

41、數(shù)器停止工作，保持原來顯示不變，即實(shí)現(xiàn)了暫停減計(jì)數(shù)使其記錄搶答時(shí)間的功能。</p><p>　　若沒有選手按動按鈕，則74LS279輸出全為高電平，74LS148也輸出高電平，1Q端輸出低電平至74LS48的滅燈輸入RI/RBO端，使得信號經(jīng)74LS48到顯示器上時(shí)無顯示；若到定時(shí)部分計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)到00還無選手按動按鈕的話，十位74LS192的借位輸出端輸出高電平反饋回個(gè)位Down端，停止計(jì)數(shù)。</p>

42、;<p>　　若是主持人開關(guān)置位是在“清零”端，還未開始搶答，若有選手提前搶答則犯規(guī)電路和報(bào)警電路工作，鎖存提前搶答者，并相對應(yīng)的燈亮，數(shù)碼管短暫顯示提前搶答者編號，揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)聲，提醒主持人有人提前搶答。</p><p>　　對于搶答成功者，主持人可以通過按鍵控制給搶答并回答正確者加分，同時(shí)也可以給提前搶答或是搶答回答錯(cuò)的給予相應(yīng)的扣分。</p><p>　　綜上所述，所

43、設(shè)計(jì)的電路基本可以實(shí)現(xiàn)要求中的功能。（總體連接電路原理圖見附錄）</p><p>　　四、 電路的安裝與調(diào)試</p><p>　　1．在調(diào)試搶答器主電路時(shí)，發(fā)現(xiàn)主電路對于搶答按鍵的輸入不能鎖存且一上電74ls148的EI端就跳變?yōu)楦唠娖芥i存芯片，致使74ls48譯碼輸出給數(shù)碼管為0。</p><p>　　解決方法：反復(fù)的調(diào)試分析其電路原理，并用示波器測試輸入的電源，

44、發(fā)現(xiàn)紋波非常之大，之后在電源輸出端并接一個(gè)220uf的電解電容和一個(gè)0.1uf的瓷片電容，再用示波器測試發(fā)現(xiàn)紋波減少很多；然后再在74ls148的使能端EI并接一個(gè)0.1uf的瓷片電容，很好的消除了開關(guān)電源帶來的紋波干擾，使搶答電路正常的工作。</p><p>　　2．調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)到0的時(shí)候不能停止。</p><p>　　解決方法; 高位192顯示0的時(shí)候，BO2端輸出低電平，因此

45、可以利用這信號與門鎖住低位192的秒脈沖輸入信號。</p><p>　　3．在測試報(bào)警電路的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器不工作，報(bào)警功能失效。</p><p>　　解決方法：在通過對單穩(wěn)觸發(fā)器74ls121的測試后發(fā)現(xiàn)其能正常工作，555在121觸發(fā)后3腳會有一個(gè)高脈沖輸出，說明555也能正常工作，在檢查后級推動蜂鳴器工作電路時(shí)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)8050管腳裝反，原因是protel99里的封裝與8050的封裝不

46、同。解決這個(gè)問題后可以報(bào)警，但是聲音很小，于是去掉了100uf的耦合電容，問題解決。</p><p>　　4．調(diào)試計(jì)分電路時(shí)，發(fā)現(xiàn)按鍵有抖動現(xiàn)象，致使計(jì)分時(shí)按一次鍵分值變化好幾次。</p><p>　　解決方法：在按鍵輸出口并接一個(gè)電容，去除抖動，但是效果不佳，但是相對沒有加之前情況要好很多，對于純數(shù)字邏輯芯片，可以使用鎖存器對按鍵進(jìn)行消抖，效果要比電容好得多。</p>&l

47、t;p>　　五、結(jié)束語和心得體會</p><p>　　在經(jīng)過了兩周的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)仿真搶答器的電路圖，我學(xué)到了很多東西，主要是對數(shù)字電路的基礎(chǔ)理論知識的復(fù)習(xí)和鞏固，對以前學(xué)的理論有一次實(shí)踐的機(jī)會，更深入的理解了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性。</p><p>　　首先，在理論方面，我深刻體會到了數(shù)字電路設(shè)計(jì)的原理。1、脈沖信號的控制?？梢杂门c門實(shí)現(xiàn)脈沖信號的控制，在某個(gè)時(shí)候封鎖脈沖只需要找到這個(gè)時(shí)

48、候之前為高電平，這個(gè)時(shí)候之后為低電平信號，然后將之與脈沖相與，便可以得到在特定時(shí)刻的以后出現(xiàn)的脈沖信號。</p><p>　　其次，在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，電路中的紋波對數(shù)字電路的影響是致命的，理論上是可以行的通的，但是到了實(shí)際的電路中往往不可行，這常常與我們的電路設(shè)計(jì)過程中的布線有關(guān)，其中地線、電源線、信號線的走向有著非常特殊的關(guān)系，在設(shè)計(jì)過程中需要對這些方面著重注意，設(shè)計(jì)的不合理，會導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失敗。電源的濾波也是

49、數(shù)字電路中必須的，通常沒有濾波的紋波的干擾會很大，但選擇濾波電容的同時(shí)也得注意要合適，否則會適得其反，引起電路的自激震蕩。在選擇電容的時(shí)候我們往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選擇，實(shí)際效果也不錯(cuò)，這就需要我們在實(shí)踐中不斷的積累經(jīng)驗(yàn)。理論聯(lián)系實(shí)踐。課本上的知識知識只是我們掌握一門技術(shù)的必要條件而不是充分條件，如果這些脫離了實(shí)際，便沒有了意義。在這個(gè)過程中必須要講理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，校驗(yàn)，鞏固，應(yīng)用這些知識，這樣才能學(xué)以致用。

50、</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1、高鵬主編、PROTEL實(shí)用教程[S] 1999年第1版</p><p>　　2、康華光主編 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第五版）</p><p>　　3、陳明義主編、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)用教程[S] 2002年05月第1版</p>

51、<p>　　4、電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測試（第二版）</p><p>　　5、數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、仿真</p><p>　　6、新編電子線路設(shè)計(jì)實(shí)用手冊 </p><p><b>　　七、元器件明細(xì)表</b></p><p><b>　　附錄：</b></p><p&

52、gt;　　Protues仿真整機(jī)圖如下</p><p>　　搶答模塊PCB圖如下：</p><p><b>　　犯規(guī)模塊PCB</b></p><p><b>　　計(jì)時(shí)模塊PCB</b></p><p><b>　　報(bào)警模塊PCB</b></p><p>