多路智能抢答器设计.docx

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专科毕业论文

题目：多路智能抢答器设计

完成期限：2016年1月8日 至 2016年4月20日

学习中心：嘉兴
专业名称：电气自动化技术
学生姓名：郑忠平
学生学号：132092433079
指导教师：刘伯颖

天津大学网络教育学院专科毕业论文
多路智能抢答器设计

随着电子技术的飞跃发展，社会发展步入了信息时代，随着信息时代对人才高素质和信息化的要求，随着高等教育发展的趋势，人们的生活水平提高，对精神文明生活的要求也跟着提高，这对电子领域提出了跟更高的要求。
电子学是一门应用很广泛的科学技术，发展及其迅速。要想学好这门技术，首先是基础理论的系统学习，然后要技术训练，进而培养我们对理论联系实际的能力，设计电路的能力，实际操作的能力，以及培养正确处理数据、分析和综合实验结果、检查和排除故障的能力。同时也加深我们对电子产品的理解。
智力抢答器的设计和测试作为此次课程设计的课题，我们采用一般意义上的设计方案，即采用集成芯片构成电路。
数字电路具有很多的有点：
（1） 便于高度集成化。由于数字电路采用二进制，因此单元电路的结构简单，允许电路参数有较大的离散性，便于集成。
（2） 工作可靠性高，抗干扰能力强。数字信号用二进制表示，数字电路的识别能力强。
（3） 数字信息便于长期存放。
（4） 数字电路集成产品多，通用性强，成本低。
（5） 保密性好。数字信息容易进行加密处理，不易被窃取。

设计功能要求
一、功能要求
1、设计制作一个可容纳5组参赛的数字式枪答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。
2、给主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。
3、抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号（1～5），同时扬声器给出音响提示。同时禁止其他选手抢答。
4、抢答器具有定时抢答的功能，抢答时间设定为30秒，当主持人按下开始按钮时，定时器立刻倒计时，并显示。选手在设定的时间内抢答有效。超过时间抢答无效，定时显示器显示00。
二、设计步骤与要求
1、拟定电路的组成框图，要求能实现所有功能，使用的元器件少，成本低。
2、设计并安装电路，要求布线整齐、美观，便于级联和调试。
3、测试所设计抢答器的逻辑功能，满足各项功能要求。
4、画出整机逻辑电路图。
5、写出设计报告。

抢答器框架设计
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的功能。

图1
如图所示为总体方框图。工作原理为：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，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。

电路设计

一、 抢答电路设计
设计电路如图2所示。电路选用优先编码器 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。

图2
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（图中5号端）＝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(图中4端) =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（图中5号端）＝１，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CTR＝１，使优先编码工作标志端（图中5号端）＝１，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。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。74LS148为8线－3线优先编码器，表1为其功能表。

表1
二、 定时电路设计
节目主持人根据抢答器的难易程度，设计一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。具体电路如图3。
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。具体电路如图3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。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。具体电路如图3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

图3
由时钟产生电路提供。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， 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。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 ，即秒脉冲。

三、 报警电路设计
由555 芯片构成多谐振荡电路 ,555 的输出信号再经三极管放大 ,从而推动扬声器发声。
控制电路包括时序和报警两个电路 ,如图4 所示控制电路需具有以下几个功能。
主持人闭合开关扬声器发声 ,多路抢答器电路和计时电路进入正常状态; 参赛者按键时 ,扬声器发声 ,抢答电路和计时电路停止工作; 抢答时间到 ,无人抢答 ,扬声器发声 ,抢答电路和计时电路停止工作

图4
四、 时序控制电路设计
时序控制电路是抢答器设计的关键，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，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按键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。

图5
3) 当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，定时和定时电路停止工作。
根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如（图5）所示。图中，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的输人使能端 。图11、4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（图2）中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A＝1，则时钟信号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①的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝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 =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求。当定时时间到时，则“定时到信号”为0， =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 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。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。

元器件介绍

一、 74LS148功能介绍
在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上编码信号。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。在同时存在两个或两个以上输入信号时，优先编码器只按优先级高的输入信号编码，优先级低的信号则不起作用。74148是一个八线-三线优先级编码器。
如图6所示的是八线-三线编码器74148的管脚图引脚图。

图6

二、 74LS192功能介绍
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。
CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。
LD为预置输入控制端，异步预置。
CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。
CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出。
BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

图7

图8

仿真电路实验

一、 Proteus仿真电路图

仿真电路课实现抢答功能，由于软件局限，报警电路没有在仿真当中。

实物制作
一、 原理图

二、 PCB制图

三、 焊接与调试
在制板中最重要的一个环节就是线路的印制。在这次的制作中，由于打印的客观原因，使在转印的效果不是很好。做出的实物没有预期的好。这也是以后一定要注意的地方。
1) 焊接部分需要注意的是：
严格按照线路的设计进行焊接，首先焊接过孔，在对元器件进行焊接。焊接时间不宜过久，但要完全熔着，以免造成冷焊。焊点的表面要平滑、有光泽。 焊点完全冷却前，不可移动。电烙铁不用时要放置于电烙铁架上，并随时保持烙铁头的清洁。焊接完毕，要在烙铁头镀上薄层焊锡，避免氧化，并等冷却后再收存。
2) 调试部分需要注意的是：
在通电之前必须对照原理图对线路进行详细的检查。检查是否有虚焊或者为焊接的点。可用万用表进行线路检查，看是否有线路在焊接的时候不慎连接在了一起，如有进行修改。在检查完毕之后才可以通电测试。如果在通电之后任然有问题，应立即断电，再仔细检查。

心得体会

通过这次设计，我的理论知识掌握得更扎实，动手能力明显提高。同时，通过网上搜索等多方面的查询资料，我学到许多在书本上没有的知识，也认识到理论联系实践的重要。在制作当中遇到了许多以前没遇到的困难。我们利用许多的方法去解决所遇到的问题。制作好以后，虽然基本符合设计要求，但我们总觉得欠缺点什么。这次设计让我感受最深是。在仿真的阶段遇到很多的问题，计时电路不能随抢答而停止，还有就是由于软件的局限在仿真时候没有完成整体电路的调试，这也为最后的实物调试造成了困难。我们一定要具备一定的检查、排除电路故障的能力。我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，由于在印制电路板的时候效果不好出现很多的断线，这让整个焊接和调试很麻烦。调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！

鸣谢

感谢老师的耐心指导；
感谢同学的帮助；

参考文献
宋树祥《高频电子线路》北京大学出版社
谢自美《电子线路设计·实验·测试》华中科大出版社
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