电气电子毕业设计155武汉工程职业技术学院多路智力竞赛抢答器的设计
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电气电子毕业设计155武汉工程职业技术学院多路智力竞赛抢答器的设计,毕业设计论文
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武汉工程职业技术学院毕业论文 1 (共 27 页 ) 武汉工程职业技术学院 数字电路智力抢答器的设计 专业： 04 级信息工程系 班级： 应用电子专业 姓名： 刘攀 学号： 04154132 指导老师： 陈贞、罗敏 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 2(共 27 页 ) 毕业设计（论文）任务书 设计题目： 多路智力竞赛抢答器的设计 设计人姓名： 系 别：信息工程系 指导老师：陈 贞 罗 敏 进行时期： 2006-2007 第二学期（ 1-14 周） 1、 毕业设计论文的原始资料和基本要求： （ 1） 见毕业设计论文撰写的内容与要求 （ 2） 多路智力竞赛抢答器的设计功能说明和技术要求 2、参考资料： 1） 数学电路与逻辑设计曹国清主编；中国矿业大学出版社 2） 电子技术课程设计历雅萍、易映萍编；高等教育出版社 3） 电子技术课程设计指导彭介华 主编；高等教育出版社 4） 电子线路设计、实验、测试 谢自美主编；华中理工出版社 5） 经典集成电路 400 例任致程主编；机械工业出版社 4：进度安排表 周次 设计内容 指导时间 地点 1 下达毕业论文课题 2 生产实习 3-4 收集资料 5 12 系统设计、撰写论文 13 修改论文 14 毕业论文答辩 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 3 (共 27 页 ) 目录 摘 要： . 5 第一章 前言 . 6 第二章 方案的选择 . 7 2.1 方案 . 7 2.2 基本功能 . 7 2.2.1 基本功能 . 7 2.2.2 扩展功能 . 7 2.3 方案设计 . 8 2.3.1 选用 74 系列芯片实现的理由： . 8 2.3.2 原理框图 . 8 2.3.3 原理简述 . 8 第三章 电路设计 . 10 3.1 抢答电路 . 10 3.1.1 电路功能 . 10 3.1.2 与其他电路的接口 . 10 3.1.3 具体原理 . 10 3.1.4 原理图 . 10 3.2 定时电路 . 12 3.2.1 电路功能： . 12 3.2.2 与其他电路接口： . 12 3.2.3 具体原理： . 12 3.2.4 原理图： . 13 3.3 报警控制电路 . 15 3.3.1 电路功能： . 15 3.3.2 与其他电路接口： . 15 3.3.3 具体原理： . 15 3.3.4 原理图： . 16 3.4 时序控制电路 . 16 3.4.1 电路功能： . 16 3.4.2 与其他电路接口： . 16 3.4.3 具体原理： . 17 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 4(共 27 页 ) 3.4.4 原理图： . 17 第四章 调试 . 20 4.1单元电路检测 . 20 4.1.1 抢答电路 . 20 4.1.2 定时电路 . 20 4.1.3 时序控制及报警电路 . 20 4.2整机电路调试 . 21 第五章 所用元器件列表 . 22 第六章 结束语 . 23 致谢： . 24 参考文献 . 25 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 5 (共 27 页 ) 多路智力竞赛抢答器设计 摘 要： 数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。 关键词 : 抢答电路 定时电路 报警电路 时序控制 。 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 6(共 27 页 ) 第一章 前言 在 现 代 社 会 生 活 中 ， 各 种 各 样 的 娱 乐 活 动 相 继 尔 出 。 智力 竞 赛 作 为 一 种 生 动 活 泼 的 教 育 形 式 和 方 法 能 够 引 起 观 众极大的兴趣。而在竞赛中 往往分为几组参加， 为了体现比赛的公平公正性，就需要一种设备来实现这个目标应此竞赛抢答器就相应产生。 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。 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 7 (共 27 页 ) 第二章 方案的 选择 2.1 方案 目的：设计一个多路智力 抢答器， 力求使其功能齐全，连线简单，方便 举行竞赛 活动 。 本 方案 有以 特点 ： 1、 可由主持人操纵避免有人在主持人说 “ 开始 ” 前提前抢答违反规则的 抢答控制 和 清零装置 。 2、 具有定时功能，在 30 秒内无人抢答表示所有参赛选手获参赛队对本题弃权。 3、 在规定时间内 无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。 2.2 基本功能 2.2.1 基本功能 （ 1） 设计一个多路智力竞赛抢答器，同时供 8个选手参赛，编号分别为 1到 8，每个人用一个抢答按键。 给节目 主持人一个控制开关，实现系统清零和抢答的开始 。 （ 2） 具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，如果有选手按下抢答按键，其编号立即锁存并显示在 LED 上，同时扬声器报警。此外，禁止其他选手再次抢答。选手编号一直保存到主持人清除。 2.2.2 扩展功能 （ 1） 具有定时抢答功能，可由主持人设定抢答时间。当抢答开始后，定时器开始倒计时，并显示在 LED上，同时扬声器发声提醒。 （ 2） 选手在规定时间内抢答有效，停止倒计时，并将倒计时时间显示在 LED上，同时报警。 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 8(共 27 页 ) （ 3） 在规定时间内，无人抢答时，电路报警提醒主持人，次后的抢答 按键无效。 2.3 方案设计 2.3.1 选用 74 系列芯片实现的理由： （ 1） 与我们刚学的 数字电路与逻辑设计联系紧密。能将书面知识自己动手实践下，有利于我们对于知识的掌握 。 （ 2） 74 系列芯片价格便宜，用其实现 成本较低基本能满足学校场合需要。 74系列芯片实现原理图：（详见图 1） 2.3.2 原理框图 图 （ 1） 原理框图 2.3.3 原理简述 定时抢答器的总体框图如 图 （ 1） 所示，它由主体电路和扩 展电路抢答按键 报警电路 时序控 制电路 主持人 控制开关 定时显示 显示译码 定时电路 脉冲产生电路 抢答显示 优先编码器 数据锁存器 显示译码 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 9 (共 27 页 ) 两部分组成，上面一部分为主体电路，下面一部分为扩展电路。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。 定时抢答器的工作过程是： 接通电源后，主持人将开关拨到 清除 状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布 开始 抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后， 定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作 清除 和 开始 状态开关。 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： 1. 优先级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； 2. 扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意； 3. 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； 4. 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。 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 10(共 27 页 ) 第三章 电路设计 3.1 抢答 电路 3.1.1 电路功能 一是将抢答选手的编号识别出并锁存显示到数码管上，二是使其他选手按键无效；三是有人抢答时输出时序控制信号，使计数电路停止工作并报警。 3.1.2 与其他电路的接口 S： 输入，与主持人总控相接，此处控制数码管的清零； /ST： 输入， 74148的使能控制端（由 7408 输入）； /YEX： 输出，报警时序控制（与 74121相连）； CTR： 输出，报警时序控制（与 7400相连） ； 3.1.3 具体原理 该部分主要由 74148 优先编码器、锁存器 74279、译码器 7448、按键、 7段数码管组成。如图所示，抢答输入端为 74148 的 /I7到 /I0脚，当有选手按键时， 74148的相应的引脚为低电平，电路完成以下动作： （ 1）、 74148 将编码输入到锁存其中，并通过锁存器由 7448译码后显示到数码管上； （ 2）、 74148 译码输出端 /YEX 0，通过控制时序电路使 74148的使能端/ST为 1， 74148 停在译码工作，使以后其他选手的按键无效； （ 3）、时序信号 /YEX=0， CTR=1，通 过控制时序电路使计时电路停止工作，报警电路报警。 3.1.4 原理图 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 11 (共 27 页 ) 图 （ 2） 抢答电路部分 表 （ 1） 74LS148 的功能真值表 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 12(共 27 页 ) 3.2 定时电路 3.2.1 电路功能 ： 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，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器 74LS192 进行设计，具体电路如图 (3)所示。 3.2.2 与其他电路接口 ： CLCK： 输入，计数脉冲，时序控制电路产生， 由 7411输出； S： 输入，主持人总控，此处控制计数器 74192的预置数； BO2： 输出，倒计时时间到时输出低电平 0，与时序电路 74121相接，控制报警； 3.2.3 具体原理 ： 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 74LS192减法计数电路、 74LS48译码电路和 2个 7段数码管即相关电路组成。具体电路如定时电路所示。两块 74LS192实现减法计数，通过译码电路 74LS48 显示到数码管上，其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，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。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DPY_7-SEG 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， BO2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。下面结合图 （ 4） 具体讲 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 13 (共 27 页 ) 下标准秒脉冲产生电路的原理。 结合图 (4)图中电容 C的放电时间和充电时间分别为 221 InCRt CR 27.0 ， CRRInCRRt )(7.02)( 21212 于是从 NE555的 3端输出的脉冲的频率为 CRRttf )2( 43.11 2121，结 合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为 R1=15K， R2=68K， C=10uF，代入到上式中即得 ZHf 1 ，即秒脉冲。 Ui1 Ui2 UO T的工作 状态 0 0 导通 1 1 截止 1 1 截止 1 0 导通 1 0 导通 表 （ 2） 555定时器功能表 3.2.4 原理图： nts武汉工程职业技术学院毕业论文 14(共 27 页 ) 图 （ 3） 定时电路部分 图 （ 4） 标准秒脉冲产生电路 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 15 (共 27 页 ) 3.3 报警控制电路 3.3.1 电路功能 ： 由 555定时器和三极管构成的报警电路如图 11、 4所示。其中 555构成多谐振荡器，振荡频率 fo 1 43（ RI 2R2） C，其输出信号经三极管推动扬声器。 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。 3.3.2 与其他电路接口： /YEX： 输入，由抢答电路提供 BO2： 输入，由计数电路提供 S： 输入，来自主持人 按键 PR： 来自 74121 的 /Q，与 555 的 RST 脚相接，控制 555 的振荡振荡与否。 3.3.3 具体原理： 主要由 555 时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。单稳态触发器 74121通过信号 /YEX、 BO2、S控制报警与否和报警时间， 555 时钟电路产生脉冲时钟。 当 74121输出单稳态触发器的输出延时： 2lnEXTEXTw CRt 。取 EXTC 10uF, EXTR =620K,有 2lnEXTEXTw CRt 4.3秒。 上电时， 74121 的状态为 1， PR=1， 555 振荡，蜂鸣器按时钟频率鸣叫，表示电路正常工作；当主持人按下键时，不能报警提醒选手，由于 121不能实现次功能，这是本设计的缺陷；在规定的时间有人抢答时， /YEX 由 1 跳变到 0， 74121 有状态 2，即 /Q 输出暂态低电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为wt=4.3秒；如果在规定时间内无人抢答， BO2 由 1跳变到 0， 74121 有状态 2， /Q输出暂态低电 平，蜂鸣nts武汉工程职业技术学院毕业论文 16(共 27 页 ) 器连续发声报警持续时间为wt。 3.3.4 原理图 ： 图 （ 5） 报警控制电路部分 3.4 时序控制电路 3.4.1 电路功能 ： 它要完成以下四项功能： （ 1） 主持人将控制开关拨到 开始 位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。 （ 2） 当参赛选手按动抢答 键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。 （ 3） 当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。 3.4.2 与其他电路接口： BO2： 输入，由计数电路产生； CTR： 输入，由抢答电路产生； /ST： 输出，控制抢答电路； nts武汉工程职业技术学院毕业论文 17 (共 27 页 ) CLCK： 输出，提供给计数电路； 3.4.3 具体原理： 该部分主要由定时器 555、单稳态触发器 74121、与非门 7400、三段输入与门 7411和相关电路组成。由 555 产生计数脉冲，通过 7400和 7411结合控制信号 BO2、 CTR 控制输入到计数电路 的脉冲有无。脉冲周期 2ln)2( 21 CRRt ，选择电容为 10uF，电阻 )2( 21 RR 的值为 144.44时 t为一秒，本设计中选取 1R 20K， 2R 62K， t 0.998S。输出到计数电路的脉冲为 CPBOC TRC LC K *2* ，抢答开始时， BO2=/ST=1，故CLCK=CP，计数器正常工作， CTRBOST *2 ，当计数时间到时（ BO2=0）或者有人抢答时（ CTR=1）， /ST=1， 74148使能端为高电平，禁止编码，即此后的抢答无效。 3.4.4 原理图 ： 图 (6) 时钟产生和时序控制电路 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 18(共 27 页 ) 根据上面的功能要求以及数字抢答器电路，设计的时序控制电路如时序控制电路所示。图中，与门 G1 的作用是控制时钟信号 CP的放行与禁止，门 G2的作用是控制 74LS148 的输入使能端（即图二中的 5端）。 标准秒脉冲产生电路的工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始” 位置时，来自于数字抢答器电路中的 74LS279的输出 1Q,即 CTR=0，经 G3反相，输出为 1，则 NE555产生的时钟信号 CP能够加到74LS192 的 CPD 时钟输入端（图中用 CLCK 表示接入到 74LS192CPD 端的信号），定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 G2 的输出 =0，使 74LS148 处于正常工作状态，从而实现功能的要求。 当选手在定时时间内按动抢答按键时， CTR 1，经 G3 反相，输出为 0，封锁 CP 信号，定时器处于保持工作状态；同时，门 G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能 的要求。当定时时间到时，则 定时到信号 为 0， /ST=1， 74LS148 处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门 G1 处于关门状态，封锁时钟 CP 信号，使定时电路保持 00状态不变，从而实现功能的要求。 图 (7) 触发器 74LS121 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 19 (共 27 页 ) 集成单稳态触发器 74LS121用于控制报警电路及发声的时间（其功能表见表 3） ,具体原理如下： 主要由 555 时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。单稳态触发器 74121通过信号/Ys、 BO2、 S 控制报警与否和报警时间， 555 时钟电路产 生脉冲时钟。 在规定的时间有人抢答时， /Ys由 1跳变到 0， 74121 有状态 2（见表 3状态编码），即 Q 输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为wt=4.3秒；如果在规定时间内无人抢答， BO2 由 1 跳变到 0， 74121 有状态 1， Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为wt结合图 5 所示报警电路，分析wt计算如下： 2ln23CRtw 。取 2C 100uF, 3R=51K,。有 2ln6CRtw 4.3秒。 状态编码A1 A2 BL d Hd L Hd d LH H dH H 1 H H 2 HL d 暂态低电平暂态低电平暂态低电平暂态高电平暂态高电平暂态高电平H暂态低电平LLL暂态高电平H输入QLH输出/QH表 (3) 74121 功能表 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 20(共 27 页 ) 第四章 调试 4.1 单元电路检测 4.1.1 抢答电路 把主持人的控制开关设置为“清除”位置，用万用表检查 RS触发器的R 端为低电平，输出端（ 4Q1Q）全部为低电平。于是 74LS48 的 4 端/BI/RBO=0，显示器灭灯； 74LS148 的选通输入端，即 5 端 /ST=0， 74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。然后把主持人的控制开关拨到“开始”位置，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，给 8 路抢答端口即输入端7I0I给上低电平的输入信号，如当有选手将抢答按键按下时（如按下5S）， 74LS148 的输出 2Y 1Y0Y=010，EXY =0，经 RS锁存器后， 74279 的输出 1Q,即 CTR=1， /BI/RBO =1， 74LS279处于工作状态，输出端 4Q3Q2Q=101， EXY =0，经 RS锁存器后，出“ 5”。此外， CTR=1，使 74LS148 仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。 4.1.2 定时电路 用示波器检查 555 的 输出波形是否为 1Hz 的方波信号，如不是对 555的外围电路进行调整达到要求为止。给 74LS192 的数据输入端设定一次抢答的时间，如 35 秒（ 00110101）的八位数据。观察显示器的显示时间是否进行减计数。有问题按原理进行修改。 4.1.3 时序控制及报警电路 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。 nts武汉工程职业技术学院毕业论文 21 (共 27 页 ) 当参赛选手按动抢答按键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。 当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。 4.2 整 机电路调试 开始时，主持人将控制开关接地，抢答电路部分锁存器 74LS279的状态输出全为 0， 74LS48 的灭灯输入与锁存器 74LS279的 Q1相接，故抢答电路无显示（清除）；与此同时，在计时电路部分，减法计数器 74LS192的预置数端为 0，将事先的预置数送入减法计数器中。当主持人按键弹起时，计数器开始计数工作，抢答开始。 在没有人按键且抢答时间没到时，优先编码器 /Yex 输出为 1，计数器BO2输出为 1， 74148 的 5端，即 CTRBOST *2 0, 而 CPBOC TRC LC K *2*优先编码器和计数器都正常工作； 当在规定时间有人按下抢答按键时， /YEX输出为“ 0”， CTR=1， /ST=1，优先编码器停止工作，此后选手的抢答无效，电路将按键者的编号显示在LED 上；同时， CTR=1，计数部分的计数脉冲 CPBOC T RC L C K *2* =0，计数器停止工作，此时的倒计时时间记录并显示在 LED上； 74148的 /Ys端由1跳变到 0， 74121 有状态 2，即 Q输
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