声光显示智力竞赛抢答器设计毕业论文.doc

目 录摘要31绪论41.1设计任务41.2课题目的与意义41.3抢答器的组成框图52基本知识介绍62.174LS148优先编码器62.274LS279锁存器72.3555定时器92.3.1555定时器的基本功能92.3.2555组成的基本电路及应用10图2-6单稳态触发器11图2-7多谐振荡器112.4 74LS121芯片介绍112.4显示译码器74LS48122.4.1发光二极管显示器122.4.2译码驱动器132.5芯片74LS192153电路设计163.1抢答电路设计163.2定时电路设计173.3声音电路设计183.4时序控制电路设计184整机电路图195在设计过程中发现的问题和所做的改进20结束语21参考文献22摘要智力竞赛抢答器是一个供参赛组进行智力竞赛的装置，该装置由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存电路、译码电路将参赛组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音响电路，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记时功能，构成扩展电路。本文详细介绍了抢答器的设计方案、功能及在设计过程中所做的改进。他要实现以下主要功能：（1）主持人可以控制系统的清零与抢答开始；（2）抢答器要有数据锁存与显示的功能。抢答开始后，若有任何一名选手按动抢答按钮，则要显示其编号至系统被主持人清零，并且扬声器发声提示，同时其他人再按对应按钮无效；（3）抢答器要有自动定时功能，并且一次抢答时间由主持人任意设定。当主持人启动“开始”键后，定时器自动减计时，并在显示器上显示。同时扬声器上发出短暂声响；（4）参赛选手只有在设定时间内抢答方为有效抢答。若抢答有效，则定时器停止工作，并且显示抢答开始时间直到系统被清零；（5）若设定时间内无选手进行抢答（按对应按钮），则系统短暂报警，并且禁止选手超时抢答，定时器上显示。关键词:抢答电路；计数电路；音响电路；译码显示电路1绪论智力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，就很容易出现错误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。在本次设计中，将主要设计一个定时抢答器。在这次毕业论文中主要是实现抢答功能，因为社会的发展越来越快，不论在各行各业都是竞争压力比较大，因此为了适应社会的发展，做每件事都要快速，所以抢答电路是非常重要的，它也对社会的进步起很大作用。1.1设计任务（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮表示。(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，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。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。(4)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，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。(5)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。(6)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。1.2课题目的与意义随着社会经济的发展，人们对生活质量的追求越来越高。所开设的娱乐活动也是越来越多了，例如智力竞赛抢答，但是往往由于主持人和抢答者本人所造成的误差而导致活动的不公平性。作为一个当代大学生设计一款智力竞赛抢答器解决了在活动中的这一弊端。因此在这毕业之际设计抢答器，不仅让我巩固了所学知识并应用于实践，同时也让我觉得所学知识能贡献于社会，所读的这几年书是没有白念的。让我有了一个质的飞跃。1.3抢答器的组成框图定时抢答器的总体框图如图1-1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答按钮时，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功能。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秒脉冲产生电路定时电路译码电路显示电路主体电路扩展电路图1-1抢答器的组成框图图1-1所示定时抢答器的工作过程是：接通电源时，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，定时显示器上显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，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按钮时，抢答器要完成以下四项工作：（1）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；（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时，主持人操作控制开关，使系统恢复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。2基本知识介绍2.174LS148优先编码器表2-1是74LS148电路的功能表，图2-1是8线-3线优先编码器74LS148的逻辑符号。表2-174LS148电路的功能表输入输出11111101111111111101000001000100110001101010001110111000111110010001111110110001111111101000111111111110图2-174LS148的逻辑符号在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上的编码信号。不过在设计优先编码器时已经将所有的输入信号按优先顺序排了队，当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。（1）编码输入从8线-3线优先编码器74LS148的功能表可以看出，输入信号在时表示发出编码信号，故逻辑符号输入端上面均有“-”号，这表示编码输入低电平有效。从功能表中看出，的优先权最高，而的优先权最低。只要，就对进行编码，而不管其它输入信号为何种状态。（2）编码输出端、从功能表可以看出，74LS148编码器的编码输出是反码。比如，对编码，应当输出000，而电路输出的是111；对编码，应当是101，而电路输出为010，这点请读者注意。为此，、上面都有“-”号，这表示输出为反码。(3)选通输入端只有在时，编码器才处于工作状态；而在时，编码器处于静止状态，所有输出端均被封锁为高电平。(4)选通输出端和扩展输出端和是为扩展编码器功能而设置的。从功能表可以看出，只有当所有编码输入端都是1（即没有编码输入），并且时，才为0。可见，表示“电路工作，但无编码输入”。从功能表还可以看出，只要任何一个编码输入端有0，且，则为0。因此，表示“电路工作，且有编码输入”。2.274LS279锁存器其管脚图2-2如下图所示：74LS279内部是由4个基本RS触发器组成的。当有一个人优先抢答后其它的就不能抢答了。其它的虽然有电平输入，但是输入的电平保持原态不变。74LS279内部的4个基本RS触发器的R输入端为高电平图2-2管脚图有效。四个锁存器中有 2个具有2个 置位端（/SA/SB）。当/S 为低电平，/R 为高电平时，输出端Q 为高电平。当/S 为高电平，/R为低电平时，Q 为低电平。当/S 和/R 均为高电平时，Q 被锁存在已建立的电平。当/S 和/R 均为低电平时，Q 为不稳定的高电平状态。对/SA和/SB，/S的低电平表示/SA和/SB只要有一个为低电平，/S的高电平表示/SA和/SB均为高电平。引出端符号：1Q4Q 输出端/1S/4S 置位端（低电平有效）/1R/4R 复位端（低电平有效）锁存器参考电路如图2-3所示。图中端接主持人控制开关，抢答前，控制开关使锁存器输出为零。、分别与编码器的输出端、和工作状态标志GS联接，当有抢答开关按下，编码器输出相应的二进制代码，经锁存器保持抢答信息。编码器工作状态标志GS使锁存器输出为“1”，联接图2-374LS279锁存器参考电路到编码器74LS148的输入使能端，封锁其它路输入，同时接译码电路74LS48的控制端，当其为高电平时，译码器工作，当其为低电平时， 字型全“灭”。、与译码显示电路的输入端相连，控制开关为主持人所设，S打向RESET端复位后才可以抢答。2.3555定时器2.3.1555定时器的基本功能 555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。555定时器原理图及引线排列分别如图2-4和2-5所示。其功能见表2-2。定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。分压电路由三个5K的电阻构成，分别给和提供参考电平2/3和1/3。和的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚输入大于2/3时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止。4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则；正常工作时4接为高电平。5脚为控制端，平时输入2/3作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。如果不在5脚外加电压通常接0.01F电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。图2-4555定时器内部框图图2-5555定时器引脚排列表2-2555定时器的功能表2.3.2555组成的基本电路及应用（1）构成单稳态触发器电路如图2-6所示，接通电源电容C充电（至2/3Vcc）RS触发器置0，T导通，C放电，此时电路处于稳定状态。当2加入1000PF，只要满足的重复周期大于，电路即可工作，实现较精确的定时图2-6单稳态触发器（2）多谐振荡器电路如图2-7所示，电路无稳态，仅存在两个暂稳态，亦不需外加触发信号，即可产生振荡（振荡过程自行分析）。电容C在1/3Vcc-2/3Vcc之间充电和放电。555电路要求R1与R2均应大于或等于1k，使R1+R2应小于或等于3.3M。图2-7多谐振荡器2.4 74LS121芯片介绍74LS121芯片是一种常用的非重触发单稳态触发器，他采用了施密特触发输入结构。 图2-8 74LS121管脚图和逻辑符号 2.4显示译码器74LS482.4.1发光二极管显示器8段发光二极管数码显示器BS201/202（共阴极）和BS211/212（共阳极）的等效电路如图2-9所示。其中，BS201和BS211每段的最大驱动电流约10mA，BS202和BS212每段的最大驱动电流约15mA。驱动共阴极显示器的译码器输出为高电平有效，如74LS48、CC4511；而驱动共阳极显示器的译码器输出为低电平有效，如74LS46、74LS47等。a）共阳极LED b)共阴极LED图2-9发光二极管显示器2.4.2译码驱动器74LS48为BCD-7段译码器，74LS48用来驱动共阴极的发光二极管显示器。74LS48的内部有升压电阻，因此无需外接电阻（可以直接与显示器相连接）。74LS48的功能表如表2-4所示，其中为8421BCD码输入端，ag7段译码输出端。表2-474LS48功能表功能或数字输入输出显示字形 a b c d e f g灭灯试灯动态灭零x x0 x1 0x x x xx x x x0 0 0 00(输入)100 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0灭灯8灭灯01234567891011121314151 11 x1 x1 x1 x 1 x1 x1 x1 x1 x1 x1 x1 x1 x1 x1 x0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 111111111111111111 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 1 0 1 10 0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 0 10 1 0 0 0 1 11 0 0 1 0 1 10 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 00123456789注：是一个特殊端，有时用作输入，有时用作输出。各使能端功能简介如下：灯测试输入使能端。当=0时，译码器各段输出均为高电平，显示器各段全亮，因此，=0可用来检查74LS48和显示器的好坏。：动态灭零输入使能端。在=1的前提下，当=0且输入=0000时，译码器各段输出全为低电平，显示器各段全灭，而当输入数据为非零数码时，译码器和显示器正常译码和显示。利用此功能可以实现对无意义位的零进行消隐。：静态灭灯输入使能端，只要=0，不论输入为何种电平，译码器各段输出全为低电平，显示器灭灯（此时为输入使能）。RBO：动态灭零输出端。在不使用功能时，为输出使能（其功能是只有在译码器实现动态灭零时RBO=0，其它时候RBO=1）。该端主要用于多个译码器级联时，实现对无意义的零进行消隐。实现整数位的零消隐是将高位的RBO接到相邻低位的，实现小数位的零消隐是将低位的RBO接到相邻高位的。2.5芯片74LS19274LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图2-10所示。（a）引脚排列 (b)逻辑符号图2-1074LS192的引脚排列及逻辑符号图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据端。其功能如表2-5所示。表2-5 74LS192功能表输入输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011加计数011减计数3电路设计3.1抢答电路设计抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，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钮操作无效。选用优先译码器74LS148和锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如图3-1所示。 图3-1抢答电路工作原理是：当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的端为低电平，输出端（4Q1Q）全部为低电平。于是74LS48的=0，显示器灭灯；74LS148的选通输出端，74LS148处于工作状态，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，等待输入端输入信号，当有选手将按钮按下时（如按下S5），74LS148的输出=010，=0经RS锁存器后，CTR=1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器上显示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁其他按钮的输入。当按下的按钮松开后，74LS148的为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他按钮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。3.2定时电路设计该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、74LS192十进制同步加减计数器、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图3-2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。74LS192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3-2具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。图中电容C的放电时间和充电时间分别为： （3-1） （3-2）于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为 （3-3）结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得，即秒脉冲。图3-2定时电路3.3声音电路设计由555定时器和三极管构成的报警电路如图3-3所示。其中，555构成多谐振荡器，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。图3-3报警电路3.4时序控制电路设计时序控制电路抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能。（1）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。（2）当参赛选手按动抢答键时，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。根据上面的功能要求以及图3-1和图3-2，设计的时序控制电路如图3-4所示。图中，门G1的作用是控制时钟信号CP的放行和禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端。图3-4 a)所示电路的工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自图3-1的74LS279的输出CTR=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减。同时，在定时时间未到时，来自图3-2所示74LS192的借位输出端，门G2的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能（1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答按钮时，CTR=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能（2）的要求。当定时时间到了，来自74LS192的，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CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能（3）的要求。74LS121用于控制报警电路及发声的时间。a）抢答与定时电路的时序控制电路 b）报警电路的时序控制电路图3-4时序控制电路4整机电路图经过以上各单元电路的设计，可以得到定时抢答器的整机电路，如图4-1所示。U1、U2、U5、U9、U11组成了抢答电路，U3、U4、U6、U7、U8、U9、组成了定时电路，U10、U13组成了报警电路，U12为报警电路的时序控制电路。整机电路图5在设计过程中发现的问题和所做的改进（1）选手号码的显示问题：在设计过程中，我们发现按下抢答按钮后，我们希望其在七段数码显示管上显示的选手号码是1到8，这样符合我们一般的思维，而按照我们一开始所做的设计，数码管只能显示0到7，我们在认真研究体设计方案和7448译码器的功能表后，发现解决此问题只须将显示0改为显示8，而其他的显示则不改变。（2）在计时结束时让选手号码显示牌显示0而不是8的问题。承1中所述，我们实现了选手号码显示8的问题，但随之而来的是当计时结束时因为A2、A1、A0均为零，导致我们在做出（1）中所述改动后，选手号码显示牌上显示的为8而不是我们要求的0。此时我们仍然是通过研究我们的总体电路图来解决这个问题的。我们知道，只有在字形为0时，/A2/A1/A0=1，其他时候其值均为0。当计时时间到时，定时到信号输出为0，若将定时到时间信号与/A1、/A2、/A0一起接入与门，然后再接入到A3端的话，那么在定时到时，A3、A2、A1、A0均为0，经7448译码输出即为0。（3）主持人按下抢答按键时选手号码牌显示为7而不是我们要求的0的问题。在电路焊接过程中，我们在主持人的按键选择上选择了点触式开关，因为未对这种开关做细致的分析，我们发现每次主持人按下抢答按键选手号码显示牌上总是为7。经过我们的认真分析，我们找到了原因，是我们的开关选择出了问题。点触式开关在按下后马上又弹起，此即问题的所在。于是我们很快将其更换为单刀双置开关，问题得到了解决。（4）显示电路显示不稳定的问题。在完成电路的焊接，进入调试阶段时，我们的抢答器显示电路出现了不稳定的问题。主要表现在当我们在完成一轮抢答后对计时时间进行重新设定时，显示部分会出现乱码的现象。开始我们以为是芯片出了问题，于是对芯片进行了逐个排查，确定芯片没有损坏后，我们开始检查导线的焊接情况。我们利用万用表对接线处逐个进行了排查，最后发现某芯片的一个引脚处的导线松了。我们对导线进行了重新焊接，过后系统恢复了稳定。结束语 实用抢答器的这一产品是各种竞赛活动中不可缺少的设备，在国内外都是比较有用的，而它的发展也是比较快的，从一开始的光具有抢答锁定功能的一个电路，到现在的具有倒计时、定时、自动（或手动）复位、报警（即声响提示，有的以音乐的方式来体现）、屏幕显示、按键发光等多种功能的技术合并，这就可以说明其多种功用及发展的快速。我所设计的抢答器主要介绍了它的功能有那些，设计它的目的与意义是什么，画出了它的设计框图。主要介绍了抢答器的设计部分，其中介绍了抢答部分、定时部分、声音部分、时序控制部分。并在论文中有相应的设计图，更能让人们具有一目了然的效果。 在这次设计中，我觉得比较成功的是能实现声光显示，这样能比较公平的让抢答者进行抢答，但是它也有不足的地方，那就是扬声器容易坏掉时候不能发声。同时也发现自己在学业上的不足与欠确，对所学知识掌握的不牢固，不能灵活运用，但在设计中马老师对我的谆谆教导使我受益匪浅，同时也感谢所有的同学和朋友三年以来给我的帮助和关心。老师在她紧张而又繁忙的工作之中，还要抽出一定的时间为我们申报设计课题，并且不断的为我进行指导，也正是有马老师的耐心指导，我此次的设计才能够顺利并按时的完成。因此我要忠心感谢马老师在毕业设计上给我的帮助与指导，使我能够顺利的完成此次毕业设计。再次对老师和同学致以诚挚的谢意！ 参考文献【1】邱寄帆，唐程山数字电子技术北京：北京人民邮电出版社，2005【2】黄永定电子线路实验与课程设计北京：北京机械工业出版社，2005【3】谢自美电子线路设计实验测试（第二版）武汉：武汉华中科技大学出版社，2006【4】高建新，雷少刚电子技术实验与实训北京：北京机械工业出版社，2006.【5】张有礼，韩爱娟电子技术综合实训北京：北京师范大学出版社，2005【6】唐程山数字电子技术北京：人民邮电出版社，2005【7】李银华电子线路设计指导北京：北京航空航天大学出版社，1985【8】何小艇电子系统设计浙江：浙江大学出版社，1994【9】姚福安电子电路设计与实践山东：山东科学技术出版社，1933【10】 刘书明，冯小平数据采集系统芯片AduC812原理与应用西安：西安电子科技大学出版社，2000【11】 金显贺，王昌长一种用于在红线检测局部放电的数字滤波技术【12】 康华光电子技术基础数字部分北京：北京高等教育出版社，2000 【13】 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