数字式竞赛抢答器设计.doc

22论文名称：数字式竞赛抢答器目录摘要 3前言 3第1章概述1.1 抢答器的应用 4 1.2抢答器的基本功能与扩展功能 41.3数字式抢答器的性能指标与技术要求 5第2章系统方案的确定2.1系统方案的论证 52.2结构框图及说明 52.3系统原理图及工作原理 6第3章单元电路原理设计3.1抢答器电路 73.2显示电路 93. 2报警电路 103. 3定时电路 113.5秒脉冲发生电路 11第4章软件仿真4.1仿真电路图 114.2仿真过程 144.3仿真结果 15第5章安装和调试5.1安装调试过程 155.2故障分析 155.3实验结果与分析 16收获与体会 18参考文献 19附录 20数字式竞赛抢答器设计姓名： 学号： 摘要：本文介绍了一种用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。随着电子技术的发展，它在各个领域的应用也越来越广泛。人们对他的认识也逐步加深。人们也利用了电子技术以及相关的知识解决了一些实际问题。如：智能抢答器的设计与制作。抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装置,从原理上讲,它是一种典型的数字电路。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；主持人按开始按钮示意开始，以上两部分组成主体电路。本课题主要是由数字电路形成实现其功能，以LED显示器显示出来，以CD4511为主控元件，实现其抢答功能。关键词：电子设计自动化；数字电子技术；抢答器，译码器、方波。前言在高新技术日新月异的今天，科学技术已经成为整个社会发展的源动力，电子领域的发展更是令人目不暇接，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，遍迹了千家万户，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。使设计越来越受到人们的重视，通过设计。可以设计出更好更新的科技产品，这将给科技的发展带来很好的积极作用，也使科技的水平得到一定的高。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。随着我国经济和文化事业的发展，当今的社会竞争日益激烈，在很多竞争场合要求有快速公正的竞赛裁决，例如：证 券、股 票 交 易、选 拔 人才、评 选 优 胜 及 各 种 智 力 竞 赛 等。前知识竞赛之类的活动愈加频繁，凡是有知识竞赛类的活动那么也就必然离不开抢答器。而现在的抢答器向着数字化，智能化的方向发展，这就必然提高了抢答器的成本。鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，所以操作简单、经济实用的小型抢答器必将大有市场。因此简易的数字抢答器必将成为小规模知识竞赛之首选。竞赛是一种生动活泼的教育方式，而抢答就是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。抢答能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们迅速增加一些科学知识和生活常识。但是，在这类比赛中，对于谁先谁后抢答，在何时抢答，如何计算答题时间等等问题，若是仅凭主持人的主观判断，就很容易出现误判。所以，我们就需要一种具备自动锁存，置位，清零等功能智能抢答器来解决这些问题。本设计以八路智力竞赛抢答器为基本概念，从实际应用出发,利用电子设计自动化技术,用数字、模拟电子器件设计具有扩充功能的抢答器。该抢答器的设计利用完成了原理图设计和电路仿真，具有数字显示、倒计时显示、编码译码功能，应用效果良好。第1 章 概述在设计中包括：【1】 理论设计部分。【2】 模拟仿真部分。【3】 安装调试部分。理论设计部分需要独立完成系统的原理设计、画出电路图并说明各部分电路的工作原理；模拟仿真部分则需根据理论设计用multisim7在计算机上进行仿真，验证所设计方案的正确性。并且分析电路的工作原理，写出方针报告；安装调试部分包括实现给定的数字式抢答器，进行单元测试和系统分析，若系统出现故障，排除故障并分析记录系统产生故障的原因。最后是本次课程设计的总结。1.1抢答器的应用工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力比赛，在许多比赛活动中，为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，通常设置一台抢答器，通过数显、灯光及音响等多种手段指示出第一抢答者。同时还可以设置记分、犯规及奖励记录等多种功能。1.2抢答器的基本功能和扩展功能1、基本功能：（1）、抢答器同时供8名选手比赛，分别用8个按钮S0S7表示。（2）、设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。（3）、抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。2、扩展功能：（1）、抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时。（2）、参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。（3）、如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。（4）、计分功能，有选手正常抢答，若回答问题正确，则为其加上一分；若回答问题错误，则相应的减去一分1.3数字式抢答器的性能指标与技术要求技术指标是：1，设置一个系统清零和抢答控制开关S，该开关有主持人控制；2，抢答器具有所存与显示功能；3，抢答器具有定时抢答功能，定时时间为30秒，当主持人启动开始键后，定时器进行减计时；4，如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时器上显示00；第2章 系统方案的确定2.1方案论证 在设计中，先规划处系统的结构框图，然后对各个单元电路进行设计与分析，最后将各个单元电路组装在一起，进行安装调试，如遇到故障，则要进行故障分析，直至整个系统无故障，能安全、可靠的运行。2.2结构框图及说明图2.1 结构框图说明：接通电源后，主持人将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人将开关拨到“开始”状态，并宣布“开始”抢答工作。选手在定时时间内抢答时，抢答完成；优先判断、编号锁定、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。本电路的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可选择使用触发器或锁存器等。在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁，即使其他组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别，也可以用发光二极管直接指示出组别。在主持人没有按下开始抢答按钮前，参赛者的抢答开关无效；当主持人按下开始抢答按钮后，开始进行30秒倒计时，此时，若有组别抢答，显示该组别并使抢答指示灯亮表示“已有人抢答”；当计时时间到，仍无组别抢答，则计时指示灯灭表示“时间已到”，主持人清零后开始新一轮抢答。2.3系统原理图及工作原理图 2.3 系统原理图工作原理：接通电源后，主持人将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人将开关拨到“开始”状态，并宣布“开始”抢答工作。选手在定时时间内抢答时，抢答完成；优先判断、编号锁定、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。第3章 单元电路工作原理设计3.1 抢答器电路工作原理：当电路接上电源后，整个电路都处于工作状态当主持人开关打开时，电路处于清零状态此时，各个触发器的Q非端输出都为，假设芯片编码器74LS148处于工作状态，此时，输入的都是高电平，而两输出使能端EO和GS的输出状态分别为0和，GS端与个JK触发器的JK端相连，即各输入端均为1，所以只要当R端为无效电平“1”时，同时有效脉冲边沿过来时触发器就能翻转。当主持人闭合开关，宣布可以抢答后，主线灯亮，此时电路为可抢答状态，当选手按下开关时，CP脉冲由高电平变为低电平，即有一个有效地脉冲边沿过来，触发器发生反转，此时Q端为1，同时对应的灯亮，Q非端输出为0，此时74LS148的其中一个输入端输入信号“0”，OE与GS发生翻转，OE=1，GS=0。使得触发器的JK输入端输入“0”，就算其他选手把开关合上，其对应的触发器也不会翻转。此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应发光二极管点亮和数码显示。使用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S 置于清除端时，RS 触发器的 R、S 端均为0，4 个触发器输出置0，使74LS148 的优先编码工作标志端 0，使之处于工作状态。当开关S 置于开始时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148 的输出经RS 锁存后，CTR=1,RBO =1, 七段显示电路74LS48 处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR 1，使74LS148 优先编码工作标志端，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148 的 此时由于仍为CTR1，使优先编码工作标志端1， 5 所以74LS148 仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。如有再次抢答需由主持人将S 开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。RS触发器：1. 保持状态。当输入端接入=1的电平时，如果基本SR触发器现态=1、=0，则触发器次态=1、=0；若基本SR触发器的现态=0、=1，则触发器次态=0、=1。即=1时，触发器保持原状态不变。2. 置0状态。当=1，=0时，如果基本SR触发器现态为=1、=0，因=0，会使=1，而=1与=1共同作用使端翻转为0；如果基本SR触发器现态为=0、=1，同理会使=0，=1。只要输入信号=1，=0，无论基本SR触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为0态。3. 置1状态。当=0、=1时，如果触发器现态为=0、=1，因=0，会使G1的输出端次态翻转为1，而=1和=1共同使G2的输出端=0；同理当=1、=0，也会使触发器的次态输出为=1、=0；只要=0、=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置1。&Q QG1G2 R SS R R S QQ R SQ置0置1保持4. 不定状态。当=0时，无论触发器的原状态如何，均会使=1，=1。当脉冲去掉后，和同时恢复高电平后，触发器的新状态要看G1 和G2两个门翻转速度快慢，所以称=0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。基本RS触发器的逻辑图、逻辑符号和波形图如图3-1所示。（a）逻辑图 (b) 逻辑符号 (c) 波形图图 3-1 基本RS触发器表3-1 74LS148真值表输 入输 出1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X01111111100100111111111101 LS148的输入端和输出端低电平有效。是输入信号，为三位二进制编码输出信号，1时，编码器禁止编码，当0时，允许编码。是技能输出端，只有在0，而均无编码输入信号时为0。为优先编码输出端，在0而的其中之一有信号时，0。各输入端的优先顺序为：级别最高，级别最低。如果0（有信号），则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按编码，000。优先编码被广泛用于计算机控制系统中，当有多个外设申请中断时，优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。3.2 显示电路工作原理：当其中一个选手按下抢答器后，74LS148编码器其中一个输入端为0，例如，当1号选手按下开关，则Q1输入为0，此时Q6Q5Q4Q3Q2Q1为111110，输出Y2Y1Y0为110经过74LS48译码器为001,则在七段数码管上显示“1”表3.2 74LS148芯片真值表Q1Q2Q3Q4Q5Q6Y1Y2Y3EOGS01111111010X0111110110XX011110010XXX01101110XXXX0101010XXXXX000110表3.2七段数码管真值表ABCDabcdefg字形000011111100100001100001110011011012001011110013101001100114011010110115111000111116二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出信号的电路。也称为变量译码器。若输入端有n位，代码组合就有2n个，当然可译出2n个输出信号。显示译码器由译码输出和显示器配合使用，最常用的是BCD七段译码器。其输出是驱动七段字形的七个信号，常见产品型号有74LS48、74LS47等。字符显示器：分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成。电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。而LED数码显示器是最常见的。通常有红、绿、黄等颜色。LED的死区电压较高，工作电压大约1.53V，驱动电流为几十毫安。图1-3是七段LED数码管的引线图和显示数字情况。74LS47译码驱动器输出是低电平有效，所以配接的数码管须采用共阳极接法；而74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。数码管常用型号有BS201、BS202等。图3-1（a）是共阴式LED数码管的原理图，使用时，公阴极接地，7个阳极ag由相应的BCD七段译码器来驱动。 3.3 报警电路工作原理：报警电路由两个555定时器构成。由图中可以看到,接上电源后,当信号输入为高电平时,第一个555连接成的单稳态触发器的输出为低电平,处于稳定状态,这时,右边的多谐振荡器的复位输入为低电平,所以其输出也为低电平.扬声器不发音.当信号输入为低电平时,单稳态触发器被触发,处于暂稳态,此时其输出为高电平,输入到多谐振荡器的复位端,多谐振荡工作,输出为频率为1.2KHz的脉冲波形.这样扬声器就会以1.2KHz的频率发出间歇式声响。要求持续23秒，可调节电阻和电容实现。假设t=3s，电阻分别为20k、273k、0.61k、2.4k，电容分别为100pf、100pf、0.22uf、0.01uf。3.4 定时电路工作原理：定时电路由两片74LS160构成，其本身为十进制同步计数器，真值表如下所示：表3.4CLKMRPES1S2QXX1XX全010XX预置数0011计数X000X保持X00X0保持当有效脉冲边沿过来时，有两片74LS160构成的31进制加计数器，当片1输出为0001，片二输出为1100，即转换为十进制时是30，此时片1Q0输出和片二Q0、Q1输出经过三输入与非门后为“0”，使片1的CET、CEP输入为0，片1停止工作，所以数码管显示30。3.5 秒脉冲发生电路工作原理：由555定时器构成的多谐振荡器经过调整电阻电容能改变秒冲周期。当R1=15K，R2=68K，C1=10uF时，T=1s。第4章 软件仿真4.1 仿真电路图1抢答器电路4.1.2显示电路图4.1.2显示电路4.1.3报警电路图4.1.3报警电路4.1.4定时电路图4.4 定时电路4.2 仿真过程在测试好整个电路后，先将开关拨到“清零”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：再将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。若是主持人开关并未置“开始”，此时进行抢答，此次在规定时间内进行抢答，看指示灯的的亮暗情况及警铃是否响。按后再将开关拨到”清零“状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器设定时间，再将开关值”开始“状态，之后，先不抢答，等已过了定时器设定的时间后，在进行抢答，观察指示灯的的亮暗情况及警铃是否响。然后再将开关拨到“清零”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：先不将开关值“开始“状态，进行抢答，观察指示灯的的亮暗情况及警铃是否响。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。4.3 仿真结果 仿真过程中，没有错误，所有的可能都进行了仿真，都出现了对应的正确的结果。第5章 安装调试5.1 安装调试过程1在调试抢答器主电路时，主电路对于抢答按键的输入不能锁存且一上电74ls148的EI端就跳变为高电平锁存芯片，致使74ls48译码输出给数码管为0。2调试过程中发现倒计时到0的时候不能停止。3在测试报警电路的时候，发现蜂鸣器不工作，报警功能失效。4调试计分电路时，发现按键有抖动现象，致使计分时按一次键分值变化好几次。5.2 故障分析1在调试抢答器主电路时，发现主电路对于抢答按键的输入不能锁存且一上电74ls148的EI端就跳变为高电平锁存芯片，致使74ls48译码输出给数码管为0。解决方法：反复的调试分析其电路原理，并用示波器测试输入的电源，发现纹波非常之大，之后在电源输出端并接一个220uf的电解电容和一个0.1uf的瓷片电容，再用示波器测试发现纹波减少很多；然后再在74ls148的使能端EI并接一个0.1uf的瓷片电容，很好的消除了开关电源带来的纹波干扰，使抢答电路正常的工作。2调试过程中发现倒计时到0的时候不能停止。解决方法; 高位192显示0的时候，BO2端输出低电平，因此可以利用这信号与门锁住低位192的秒脉冲输入信号。3在测试报警电路的时候，发现蜂鸣器不工作，报警功能失效。解决方法：在通过对单稳触发器74ls121的测试后发现其能正常工作，555在121触发后3脚会有一个高脉冲输出，说明555也能正常工作，在检查后级推动蜂鸣器工作电路时发现两个8050管脚装反，原因是protel99里的封装与8050的封装不同。解决这个问题后可以报警，但是声音很小，于是去掉了100uf的耦合电容，问题解决。4调试计分电路时，发现按键有抖动现象，致使计分时按一次键分值变化好几次。解决方法：在按键输出口并接一个电容，去除抖动，但是效果不佳，但是相对没有加之前情况要好很多，对于纯数字逻辑芯片，可以使用锁存器对按键进行消抖，效果要比电容好得多。5.3实验结果及分析接通电源，开关打到预置端，倒计时数码管显示30。主持人拨动开关后，倒计时电路开始从30秒倒数，8路触点开关处于待命状态。若有选手按下所在开关（抢答），抢答电路显示选手所在编码（07），倒计时电路图 5-1 倒计时状态停止计时。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。如果30秒倒计时结束后仍无人抢答，LED灯熄灭，倒计时电路锁定为00，抢答不再有效。 这时只需主持人重新将开关打到预置段，整个电路全部回到初态。准备进行下一轮抢答。 图 5-2 抢答显示图 5-5 计时锁定收获与体会这次课程设计的电路是比较复杂的。虽然以前在模电、Protel课程设计中接触过一些电子电路，但在初期还是感到无从下手.设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。 设计单元电路阶段，这个阶段可以说是考察数电书本知识的阶段。所有的设计方法还有步骤在数电书上都有，而且还有例题。这个阶段遇到的主要问题就是以前的知识忘记不少，所以做设计的时候要常随手翻阅课本，等于是做了几道数电作业题。这个阶段的难度也不是很大，一般翻课本就可以找到答案并解决问题。 实验阶段可以说是这次设计中最重要的部分，因为以前的只是理论而不是真正的实体。所以说它是最重要的。实验阶段我们遇到的问题有：对软件不熟悉；对实验过程中信号的测量知识学习很少；因为各个模块是分开做而后又组装到一起的，所以兼容性不是很好（也就是不能融合为一个整体，部分工作能行但是接到一起就会出现问题）;针对以上几个问题我们作出了以下的“对策”:软件不熟悉，就借来参考书，一步一步的对着学，而且老师给的资料上也有软件的使用说明，所以随着接触的增加软件也就越来越熟悉，这方面的问题不是太难因为一边理论一边学习正好是学习的好方法，而且也学的特别快。总之，通过这次练习我有了很多收获。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了动手能力。在改进电路的过程中，同学们共同探讨，最后的电路已经比初期设计有了很大提高，这次课程设计使我懂得了理论与实际相结