数电多路抢答器设计

.-目录一、设计目的以及要求二、工作原理概述三、系统流程方框图四、各部分原理介绍4.1抢答器部分4.2倒计时电路部分4.3蜂鸣器报警电路部分五、multisim调试过程与调试结果5.1抢答器调试5.2倒计时调试5.3蜂鸣器调试六、设计结论七、设计心得与总结八、参考文献九、成员贡献.-一、设计目的以及要求进入21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛,抢答记分器是必要设备。过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是酒无法实现，例如参赛人数的增加。随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。设计要求：设计一个多路抢答器，可供8名选手进行抢答；.-主持人可清零系统和宣布抢答开始；主持人可设定抢答时间进行定时抢答，并显示选手的编号及音响提示。二、工作原理概述如图所示电路包括主体电路和扩展电路两部分。其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。如图所示电路的工作过程是：接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（30s），当主持人将控制开关置于“开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：（1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；（2）扬声器发出短暂声响；（3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行.-抢答；（4）控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。三、系统流程方框图初始状态：主持人按键处于clear，锁存器电路，计时电路，报警电路均处于待机状态主持人将clear换到start，计时电路开始工作，数据选择器打开有人抢答无人抢答锁存器保持住抢答人编号，q1端输出1，激活显示屏显示，同时关闭计时系统，等待返回clearQ1在计时完毕后输出1，显示器显示8，输出激活报警电路，持续报警，直到主持人按下clear，q1被置成0，报警电路停止工作.-四、各部分原理介绍4.1抢答器电路部分抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。选用优先编码74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如图3-1所示：.-图3.2.1抢答电路其工作原理是：当主持人控制开关处于“清零”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q～1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，既抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，此时74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号仍不会被接受。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。由于multisim上的元器件标号和功能与书上标准有出入，故重新选择原件搭建。经由上述原理搭建而成的multisim电路图如下，调试结果将在后文详述.-.-4.2计时器部分原理74LS48的7，6，2，3引脚接受来自74LS192的输出信号并把它译码显示在数码管上。74LS192的9，10，11，15引脚完成时间设定功能，本设计要求定时30秒，所以把左边的芯片的1，15引脚接高电位，期于的全接低位，使的初始时间设定为30秒。555芯片完成产生秒脉冲的功能。工作过程为：抢答开始前，74LS192的置数端为低电位，处于初始状态，数码管显示为30，5引脚接高电位。抢答开始后，秒脉冲冲推动右边的芯片开始倒记时，同时右边芯片产生的信号做为左边芯片的CP信号推动左边的芯片倒记时，完成十进制的倒记时功能。当有人抢答后1Q的输出为1，经过非门后变为0，通过与门屏蔽了秒信号，停止记时，完成显示抢答时间的功能。当记到了30秒时，左边的芯片产生的定时到信号输出为低电位，也屏蔽了秒信号，使得数码管显示为00。.-ABCDEFGABCDEFGA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14354~RBI~LTU374LS247D~BI/RBOA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14354~RBI~LTU474LS247D~BI/RBOA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7~LOAD11~BO13~CO12CLR14DOWN4U574LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7~LOAD11~BO13~CO12CLR14DOWN4U674LS192D5VVCCU71DIS7OUT3RST48THR6CON5TRI2GNDVCC555_VIRTUAL21174LS04D12131274LS15D&R115kohmR268kohm10uFC20.1uFBus1QBus定时到信号R310kohm预置数据端预置数据端控制开关计时原理图简而言之，就是将低位的进位信号送进高位的load端，如果要产生其他进制（主持人可以通过改变置数端来改变进制，本模拟中采用24进制）。用mutisim搭建的图如下，效果如下：.-可以看见，右下角有一个五路与非门，用来产生复位信号，.-如果循环完毕，或者输入端q=1（有人选择），时间就会停止。4.3蜂鸣器报警电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图所示：U11DIS7OUT3RST48THR6CON5TRI2GNDVCC555_VIRTUALR115kohmC10.1uFR368kohm5VVCCR2510ohmR41kohmQ1BJT_NPN_VIRTUALR5510ohm5VVCCC2100uF200HzU2报警电路其中555构成多谐振荡器，振荡频率为：f0=1/(R1+2R2)*C*ln2=1.43/(R1+2R2)*C其输出信号经三极管推动扬声器。如果q1端有输出，则蜂鸣器获得电压，反之没有输出。图中的PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振不再工作。实际测试时可以将蜂鸣器频率调高，这样听得更清楚。.-五、multisim测试过程5.1抢答器测试上述图中，右端的开关2供主持人使用，有两个档，当置于clear时电路处于待机状态，反之开始抢答。下端有8个开关s0~s7为供参赛选手使用的抢答开关。.-3号选手抢答，显示器显示数字3如果之后按下其他按键，显示器显示数字不变，从上可见该电路同时实现了显示第一个抢答和屏蔽其他抢答的功能。.-左下角为s-r锁存器q1端，就是显示是否有人抢答的位置。通过该端口与计时部分，与蜂鸣器部分进行级联，就可以成功将三个部分连成一个有机的整体。5.2倒计时计数器部分计时器没有采用原理中的555芯片，由于自主搭建的信号发生器频率带有误差，为方便调试起见，直接使用信号发生器产生clk信号。.-上图中右下角的开关键相当于抢答器中的主持人控制开关，clear时断开，start时闭合，断开时待机状态如图（24进制），与非门多引出来的线连接q1，如果有人抢答，q1=1，与非门输出变为零，相当于开关断开，起到了中断计时的作用。在74ls190的置数端可以设置不同的高低电平已达到改变倒计时的目的。.-.-上为正在倒计时的电路状态。5.3蜂鸣器电路.-Vdd接入的是q1端与Yes的与，表示倒计时完毕并且没有人选择。蜂鸣器频率调成600hz，听得很清楚。六、设计结论抢答器可以用几片集成芯片完成，避免了单片机编程的复杂性，同时提高了稳定性。软件模拟下的抢答器表现良好，可以完全满足设计要求。在实际制作时应严格按照电路图连接，并且保证个个部分接触良好，减少因短路引起的故障。七、设计总结与体悟本次电子课程设计将理论与实践有机地结合，既考查了同学对理论知识的掌握程度，由反映了实际动手能力，更主要的是考查了同学对知识的综合运用以及创新设计思维能力，为今后的发展提供了一次良好的学习环境。针对课设题目八路抢答器，一开始还没有头绪，不会运用所学知识进行有效设计，但通过上网查阅各种类似的设计，去图书馆翻阅相关设计书籍，查阅所提供的芯片功能，确定基本设计方案，又通过仿真验证试验方案的可实行性，虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。同时也使自己认识到：1、设计思路是整个设计的灵魂拿下每个课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。只有对课题的充分理解，对各种器件的熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键，，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。翻阅各种资料，上网查询填.-补所需知识的空白是必要的。2.焊接制作必须精益求精焊接必须精益求精，一丝不苟，一点的差错都可能导致实验结果错误，因此必须准确无误还要工整，这样才能在调试中能比较轻松进行，也是整个电路可看性更好。3、调试调试工作是个精细工作。在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。当最后解决问题时，电路的正确是非常振奋，也很有成就感和满足感。4、建议设计的作品主要是用74系列集成芯片来完成的，在焊接的过程中由于芯片的引脚过多，布线工作不是很方便。有时候还因为某一跟线没有焊牢，造成电路的不稳定，这些都是有待改进的。5、不足实验效率低，焊接水平不足导致电路稳定性不高，布线比较混乱，这些都有待提高。总之，在设计过程中学到了许多。作为现代的大学生，如果仅停留在以往的层次上，是远远跟不上时代的步伐，也无法使自己立足在竞争如此激烈的社会里，通过此次实习，看到了自己的水平和差距，学要在今后的学习中又进一步的提高。.-八.参考文献参考文献【1】钱培怡.电子电路实验及课程设计.西安电子科技大学出版社