多功能数字抢答器设计说明说

1 多功能数字抢答器 设计说明说 第 1 章 绪 论 题背景 目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，通过对数字电路的设计，熟练掌握设计的方法、步骤。 本课题设计了一种采用数字电路制作的多功能数字抢答器，它主要采用了 74 系列的常用集成电路，它除了具有基本的抢答功能之外，还具有定时报警的功能，和数显的功能，当抢答开始后，系统会自动倒计时，并且时间是可以预设的，期间有人抢答的话系统会停止计时，如果期间没人抢答，系统会有短暂的报警，提示抢答结束。 在现在科技进步的世界里 ,无论工厂、学校和电视台所举办的节目都可能会有各种智力竞赛 ,当遇到抢答环节时 ,如果要求主持人自己去用肉眼观察那一个选手抢答的速度最快无疑会对比赛结果造成很大的影响 ,使比赛失去了公平和公正性 ,这时候 我们想到了抢答记分器是必要设备，我中学参加过各种竞赛 ,我们经常遇到有抢答的环节，由于条件有限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， 所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者，为了使这种不为了使这种不公平不发生，只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。 2 计要求 1 具有优先抢答功能，先抢答后其余抢答无效电路进行锁存并显示选手号码，同时报警（扩展功能）并具有计时功能。 计题目和设计指标 题目： 八路抢答器 技术指标： 4.（扩展功能）并具有计时功能。 计功能 主要功能：具有优先抢答功能，先抢答后其余抢答者无效。电路进行锁存并显示选手号码，同时产生报警、 （扩展功能）并具有计时功能 。 3 第 2 章 电路的方框图 机电路框图 根据课题设计技术指标的要求，本电路主要由 锁存电路、 显示电路 、译码电路、控制电路、定式按钮、优先译码电路，等几部分组成。 整机电路框图 如 2图 2抢答按钮 优先编码电路 锁存器 译码电路 显示电路 主持人控制开关 控制电路 报警电路 定时按钮 译码电路 显示电路 4 路的方框图的原理 如图 2通电源时，节目主持人将开关置于 “ 清除 ” 位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布 “ 抢答开始 ” ，同时将控制开关拨到 “ 开始 ” 位置， 蜂鸣器 给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答 器要完成以下四项工作： 优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号 。 蜂鸣器 发出声响，提醒节目主持人注意 。 控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答 。 控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。 5 第 3 章 单元电路设计、器件的选择 55 定时器及其应用 件特性 图 3555 定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插 8 脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形 的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。 6 部电路框图及引脚功能 图 3555定时器内部结构 R 5i 1(T H )V i 2(T R )V C c o D i 7 555 定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图3 引脚功能： 高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为 ：低电平触发端，简称低触发端，标志为 制电压端。 出端。 电端。 复位端。 555 定时器内含一个由三个阻值相同的电阻 R 组成的分压网络，产生31个电压比较器 个由与非门 S 触发器（低电平触发）；放电三极管 3。 i c 51 2 3 45678G N D o c i 5.( a ) 5 5 5 的逻辑符号( b ) 5 5 5 的引脚排列图 3555定时器逻辑符号和引脚 8 复位端，低电平有效。复位后 , 基本 发器的 Q 端为 1（高电平），经反相缓冲器后 ，输出为 0（低电平）。 分析图 3 555定时器的 让 比较器 较器为了学习方便，我们规定： 当 的电压 32为 ，当 的电压 31，写为 ，当 的电压 31 ，比较器 论 本 =0，使 Q 1，经输出反相缓冲器后， 0； 时称 555定时器“高触发”。 555 定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即 0”、“ 1”）必须牢牢掌握。 9 先编码器 74 374片外观 4脚功能 图 374脚功能 746脚的集成芯片，除电源脚 6)和 )外，其余输入、输出脚的作用和脚号如图中所标。其中 I 0 I 7为输入信号， 1, I O G 由 74148 真值表可列输出逻辑方程为： 10 (5+7) (36+7) (357) O O E = 67 使能输入 时，禁止编码、输出 (反码 )： 1,全 1。 当使能输入 时，允许编码，在 入 余依次为： 5,3,0， 级排列。 O E 为使能输出端 ，它只在允许编码 ()，而本片又没有编码输入时为 0。扩展片优先编码输出端 G S 的逻辑方程为： (1+3+5+7) 片优先编码输出端，它在允许编码 ()，且有编码输入信号时为 0 若允许编码而无编码输入信号时为 1在不允许编码 ()时，它也为 1 0 表示“电路工作，而且有编码输入”。 4值表 表 34值表 输 入 输 出 C A S 1 d d d d d d 0 1 1 1 1 11 1 1 0 d d d d d 0 0 d d d d 0 1 0 d d d d 1 1 1 1 1 11 1 1 1 10 0 0 0 01 0 0 1 01 0 1 0 01 11 0 d d d d 01 1 1 0 d d d 0 11 1 1 0 d d 0 1 11 1 1 0 d 0 1 1 11 1 1 0 0 1 1 1 11 1 1 0 1 1 01 1 0 0 01 1 0 1 01 1 1 0 01 1 1 1 01 由真值表可知，输入 输出 有效工作电平均为低电平 0 入端中，下角标号码越大的优先级越高。例如， 为 1 ， 0 时，输出按优先级较高的 码，即 001，而不是按优先级较低的 码。此后，若 为 1，则按 码 ,11 。若 变为 1，输出才按 码， 10。输入 输出工作状态选择端 (或称允许输入端 )，当 时，编码器工作，反之不进行编码工作； 允许输出端，当允许编码 (即 )而无信号输入时， 0。 不允许编码 (即 )，或者虽允许编码 ()但无信号输入 (即 为 1)时 ,。换而言之，允许编码且有信号输入 (即 至少有一个为 0)时， 。 出公共端符号 输入信号 1,三位二进制编码的呼出信号 使能输入端 是使能输出端 片优先编码输出端 电源 12 地 4脚功能 （ a）引脚排列 (b) 逻辑符号 图 34脚排列及逻辑符号 加计数时钟输入端， 减计数时钟输入端。 预置输入控制端，异步预置。 复位输入端，高电平有效，异步清除。 进位输出： 1001状态后负脉冲输出， 借位输出： 0000状态后负脉冲输出。 13 4能表 表 3 74能表 14 第 4 章 整机电路的组成 答电路 图 4答电路 （）抢答器的主体电路设计 抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的先后，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。选用优先编码器 74148 和 存器可以完成上述功能，其电路组成如图所示。其工作原理是：当主持人控制开关处于 “清除 ”位置时， 发器的端为低电平，输出端（ 4Q1Q）全部为低电平。于是 74 =0，显示器灭灯； 74148的选通输入端 =0， 74于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人开关拨到 “开始 ”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端 7. 0输入信号，当有选手将键按下时 (如按下 74010， 15 =0，经 存器后， l， =1， 74于工作状态，401，经 74码后，显示器显示出 “5”。此外，使 74端为高电平， 74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， 74由于 以 74处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。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，由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。 时电路 图 4时电路 （ 2）定时电路设计 原理及设计：该部分主要由 555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器 7474段数码管即相关电路组成。具体电路如图所示。两块 74过译码电路 74时钟信号由时钟产生电路提供。 74192的预置数控制端实现预置数，由节目主 持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，如果要设置为 30S，就可以在计数器的预置数控制端输入 00110000。时钟脉冲由秒脉冲电路提 16 供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。 警电路 图 4警电路 采用 555定时器和三极管构成的报警电路如图所示。其中 555构成多谐振荡器，振荡频率 其输出信号经三极管推动 蜂鸣器 。 高电平时，多谐振荡器工作，当 路停振 序控制电路 图 4序控制电路 17 与门 作用是控制时钟信号 放行与禁止，门 作用是控制 74输入使能端。主持人控制开关从 清除 位置拨到 开始 位置时， 741Q,即 ，经 出为 1，则 生的时钟信号 够加到 74时电路进行递减计时。同时，在定 时时间未到时，则 定时到信号 为 1，门 =0，使 74选手在定时时间内按动抢答按键时， 1，经 出为 0，封锁 时器处于保持工作状态；同时，门 =1， 74定时时间到时，则 定时到信号 为 0， /， 74于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门 锁时钟 定时电路保持 00状态不变，此次抢答结束。 18 第 5 章 电路的组 装与调试 器件的检测 电路组装调试之前首先要对所用元器件进行检测，判断元器件的好坏和确定元器件的引脚及极性。下面将分别介绍电路中所用到的元器件的检测方法。 一 、 三极管引脚极性的检测 大家知道，三极管是含有两个 据两个以分为 测试三极管要使用万用电表的欧姆挡，并选择 R100 或 R1表笔所连接的是表内电池的负极，黑表笔则连接着表内电池的正极 (电流：红进黑出 )。假定我们并不知道被测三 极管是分不清各管脚是什么电极。 *：测试的第一步是判断哪个管脚是基极。 这时，我们任取两个电极 (如这两个电极为 1、 2)，用万用电表两支表笔颠倒测量它的正、反向电阻，观察表针的偏转角度；接着，再取 1、 3两个电极和 2、 3两个电极，分别颠倒测量它们的正、反向电阻，观察表针的偏转角度。在这三次颠倒测量中，必然有两次测量结果相近：即颠倒测量中表针一次偏转大，一次偏转小；剩下一次必然是颠倒测量前后指针偏转角度都很小，这一次未测的那只管脚就是我们要寻找的基极。 二、 管型 找出三极管的基极后，我们就可以根据基极与另外两个电极之间 万用表的黑表笔接触基极，红表笔接触另外两个电极中的任一电极，若表头指针偏转角度很大，则说明被测三极管为 表头指针偏转角度很小，则被测管即为 三、 顺箭头，偏转大 找出了基极 b，另外两个电极哪个是集电极 c，哪个是发射极 这时我们可以用测穿透电流 (1) 对于 万用电表的黑、红表笔颠倒测量两极间的正、反向电阻 然两次测量中万用表指针偏转 19 角度都很小，但仔细观察，总会有一次偏转角度稍大，此时电流的流向一定是：黑表笔 c 极 b 极 e 极 红表笔，电流流向正好与三极管符号中的箭头方向一致 (“ 顺箭头 ”) ，所以此时黑表笔所接的一定是集电极 c，红表笔所接的一定是发射极 e。 (2) 对于 理也类似于 电流流向一定是：黑表笔 e 极 b 极 c 极 红表笔，其电流流向也与三极管符号中的箭头方向一致，所以此时黑表笔所接的一定是发射极e，红表笔所接的一定是集电极 c 路的组装与调试 检测完元器件的 好坏及引脚极性后便可以进行电路的组装了，根据电路原理图首先在面包板上搭接电路。搭接电路时要注意集成芯片和集成芯片的引脚不要接错，电解电容的引脚极性不要弄反。在面包板上搭接好电路后就可以进行电路的调试了。 合设计要求便可以在万能板上焊接了，在焊接过程中和焊接好后调试过程中需要注意以下事项。 不允许带电使用烙铁焊接，要确认烙铁不带电，最好把烙铁的外壳接地，对 采用 6 焊接时 要 焊牢，焊锡的堆积、气孔容易造成虚焊。焊接时 间一般不超过 3秒钟，烙铁的功率应用内热式 25焊接好的集成电路要仔细查看，最好用欧姆表测量各引脚间有否短路，确认无焊锡粘连现象再接通电源。 20 理布局 电路在安装前要将各级进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布局，在此过程中我们本着以下原则： 1. 了解元件管脚功能。 2. 布线尽可能少，合理进行布线。 3. 电源线用红线，地线用黑线。 4. 布线规律有制 ,尽量减少交叉。 5美观大方。 注意事项： 1 电路板各个所用电源，地都连起来。 2 防止接线短路。 3 元件 不可接反、接错。 4 焊盘上不可压线。 21 结 论 八路抢答器 有优先抢答功能，先抢答后其余抢答无效 电路进行锁存并显示选手号码，同时报警，并具有计数功能。 2数码管正确显示选手号码。 3抢答完毕声音报警提醒。 通过我们的付出与努力，完成了本次的设计，并且达到了预期的效果，实现了其要求的功能和各项指标并做了扩展功能，也达到了预期的效果。 但是在 设计的过程中，还是存在一些不足之处，遇到了许多不太好解决的问题。然后对电路进行足部的细致的检查与分析。在团队的不断努力下解决了我们遇到的各种问题 22 收获与体会 通过本次 电子线路课程设计，我对万用板、示波器、万用表和 555 定时器等电子仪器和电子元件的基本应用方法有了更深一步的理解，既检验了以前学过的理论知识又为以后的学习打下了非常坚实有力的基础，也了解到了过去学习所未了解到的知识，真正做到了理论与实践相结合，更扩充了自己的知识面，而且还加深了团队合作意识和互助精神，知道了 在一个集体中，个人的力量是渺小的，只有团队的力量统一起来，事情才变得不再难办。在这次课程设计中，我们从开始选课题到电路设计过程中，遇到了一些分歧，经过大家不断交流分歧得以消除。同时也有过迷茫，制作出的电路有段时间一直有错误，我和小组的其他同学一起讨论了好长时间一直没有找到，最后再请教刘老师，刘老师在看过电路图之后，一语道破玄机，所有的问题和迷茫都迎刃而解。在制作电路时，我们在制作电路之处，曾做过三、四个方案，经过理论分析之后，挑