1、武漢工程職業技術學院 數字電路智力搶答器的設計 專業：04 級信息工程系 班級：應用電子專業 姓名： 學號：04154132 指導老師： 畢業設計（論文）任務書畢業設計（論文）任務書 設計題目：設計題目： 多路智力競賽搶答器的設計多路智力競賽搶答器的設計 設計人姓名：設計人姓名： 系系 別：信息工程系別：信息工程系 指導老師：陳指導老師：陳 貞貞 羅羅 敏敏 進行時期：進行時期：2006-2007 第二學期（第二學期（1-14 周）周） 1、 畢業設計論文的原始資料和基本要求：畢業設計論文的原始資料和基本要求： （1）見畢業設計論文撰寫的內容與要求見畢業設計論文撰寫的內容與要求 （2）多路智力

2、競賽搶答器的設計功能說明和技術要求多路智力競賽搶答器的設計功能說明和技術要求 2、參考資料：、參考資料： 1） 數學電路與邏輯設計數學電路與邏輯設計曹國清主編；中國礦業大學出版社曹國清主編；中國礦業大學出版社 2） 電子技術課程設計電子技術課程設計歷雅萍、易映萍編；高等教育出版社歷雅萍、易映萍編；高等教育出版社 3） 電子技術課程設計指導電子技術課程設計指導彭介華彭介華 主編；高等教育出版社主編；高等教育出版社 4） 電子線路設計、實驗、測試電子線路設計、實驗、測試 謝自美主編；華中理工出版社謝自美主編；華中理工出版社 5） 經典集成電路經典集成電路 400 例例任致程主編；機械工業出版社任致

3、程主編；機械工業出版社 4：進度安排表：進度安排表 周次周次設計內容設計內容指導時間指導時間地點地點 1下達畢業論文課題下達畢業論文課題 2生產實習生產實習 3-4收集資料收集資料 512 系統設計、撰寫論文系統設計、撰寫論文 13修改論文修改論文 14畢業論文答辯畢業論文答辯 目錄目錄 摘摘 要：要：.5 第一章第一章前言前言.6 第二章第二章方案的選擇方案的選擇.7 2.1 方案 .7 2.2 基本功能 .7 2.2.1 基本功能.7 2.2.2 擴展功能.7 2.3 方案設計 .8 2.3.1 選用 74 系列芯片實現的理由：.8 2.3.2 原理框圖.8 2.3.3 原理簡述.8 第三

4、章第三章電路設計電路設計.10 3.1搶答電路搶答電路.10 3.1.1 電路功能.10 3.1.2 與其他電路的接口.10 3.1.3 具體原理.10 3.1.4 原理圖.10 3.2定時電路定時電路.12 3.2.1 電路功能：.12 3.2.2 與其他電路接口：.12 3.2.3 具體原理：.12 3.2.4 原理圖：.13 3.3報警控制電路報警控制電路.15 3.3.1 電路功能：.15 3.3.2 與其他電路接口：.15 3.3.3 具體原理：.15 3.3.4 原理圖：.16 3.4時序控制電路時序控制電路.16 3.4.1 電路功能：.16 3.4.2 與其他電路接口：.16

5、3.4.3 具體原理：.17 3.4.4 原理圖：.17 第四章第四章調試調試.20 4.1 單元電路檢測 .20 4.1.1 搶答電路.20 4.1.2 定時電路.20 4.1.3 時序控制及報警電路.20 4.2 整機電路調試 .21 第五章第五章所用元器件列表所用元器件列表.22 第六章第六章結束語結束語.23 致謝： .24 參考文獻 .25 多路智力競賽搶答器設計 摘 要： 數字搶答器由主體電路與擴展電路組成。優先編碼電路、鎖存器、 譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關 啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒 脈沖產生的信號在顯示

6、器上輸出實現計時功能，構成擴展電路。經過布線、 焊接、調試等工作后數字搶答器成形。 關鍵詞關鍵詞: 搶答電路 定時電路 報警電路 時序控制。 第一章前言 在現代社會生活中，各種各樣的娛樂活動相繼爾出。智 力競賽作為一種生動活潑的教育形式和方法能夠引起觀眾極大的 興趣。而在競賽中往往分為幾組參加，為了體現比賽的公平 公正性，就需要一種設備來實現這個目標應此競賽搶答器就相應 產生。 目前數字電子技術已經廣泛地應用于計算機，自動控制，電子 測量儀表，電視，雷達，通信等各個領域。例如在現代測量技術 中，數字測量儀表不僅比模擬測量儀表精度高，功能高，而且容 易實現測量的自動化和智能化。隨著集成技術的發展

7、，尤其是中， 大規模和超大規模集成電路的發展，數字電子技術的應用范圍將 會更廣泛地滲透到國民經濟的各個部門，并將產生越來越深刻的 影響。隨著現代社會的電子科技的迅速發展，要求我們要理論聯 系實際。 第二章方案的選擇 2.1 方案 目的：設計一個多路智力搶答器，力求使其功能齊全，連線簡單，方 便舉行競賽活動。 本方案有以特點： 1、 可由主持人操縱避免有人在主持人說“開始”前提前搶答違反規則 的搶答控制和清零裝置。 2、 具有定時功能，在 30 秒內無人搶答表示所有參賽選手獲參賽隊對本 題棄權。 3、 在規定時間內無人搶答其報警電路工作表示搶答時間耗盡并禁止搶答。 2.2 基本功能 2.2.12

8、.2.1 基本功能基本功能 （1 1）設計一個多路智力競賽搶答器，同時供 8 個選手參賽，編號分別為 1 到 8，每個人用一個搶答按鍵。給節目主持人一個控制開關，實 現系統清零和搶答的開始。 （2 2）具有數據鎖存和顯示功能。搶答開始后，如果有選手按下搶答按鍵， 其編號立即鎖存并顯示在 led 上，同時揚聲器報警。此外，禁止其 他選手再次搶答。選手編號一直保存到主持人清除。 2.2.22.2.2 擴展功能擴展功能 （1） 具有定時搶答功能，可由主持人設定搶答時間。當搶答開始后， 定時器開始倒計時，并顯示在 led 上，同時揚聲器發聲提醒。 （2） 選手在規定時間內搶答有效，停止倒計時，并將倒計

9、時時間顯 示在 led 上，同時報警。 （3） 在規定時間內，無人搶答時，電路報警提醒主持人，次后的搶 答按鍵無效。 2.3 方案設計 2.3.1 選用選用 74 系列芯片實現的理由：系列芯片實現的理由： （1） 與我們剛學的 數字電路與邏輯設計 聯系緊密。能 將書面知識自己動手實踐下，有利于我們對于知識的掌握。 （2） 74 系列芯片價格便宜，用其實現成本較低基本能滿足學校 場合需要。 74 系列芯片實現原理圖：（詳見圖 1） 2.3.2 原理框圖原理框圖 圖（圖（1 1） 原理框圖原理框圖 2.3.3 原理簡述原理簡述 搶答按鍵 報警電路時序控制 電路 主持人 控制開關 定時顯示顯示譯碼定

10、時電路脈沖產生 電路 搶答顯示 優先編碼 器 數據鎖存 器 顯示譯碼 定時搶答器的總體框圖如圖（1）所示，它由主體電路和擴展電路 兩部分組成，上面一部分為主體電路，下面一部分為擴展電路。主體 電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當選手按動搶答鍵時，能 顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電 路完成定時搶答的功能。 定時搶答器的工作過程是：接通電源后，主持人將開關撥到清除 狀態，搶答器處于禁止狀態，編號顯示器滅燈，定時器顯示設定時間； 主持人將開關置“開始”狀態，宣布開始搶答器工作。定時器倒計時， 揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內搶答時，搶答器完成：優先 判斷、編號鎖

11、存、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，定時器 停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主 持人再次操作清除和開始狀態開關。當選手在定時時間內按動搶答 鍵時，搶答器要完成以下四項工作： 1. 優先級電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進行 鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號； 2. 揚聲器發出短暫聲響，提醒節目主持人注意； 3. 控制電路要對輸入編碼電路進行封鎖，避免其他選手再 次進行搶答； 4. 控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余 的搶答時間，并保持到主持人將系統清零為止。 當選手將問題回答完畢，主持人操作控制開關，使系統回復到禁 止工作狀態，以便進行下一輪

12、搶答。 第三章電路設計 3.1 搶答搶答電路電路 3.1.1 電路功能電路功能 一是將搶答選手的編號識別出并鎖存顯示到數碼管上，二是使其他選手 按鍵無效；三是有人搶答時輸出時序控制信號，使計數電路停止工作并報 警。 3.1.23.1.2 與其他電路的接口與其他電路的接口 s： 輸入，與主持人總控相接，此處控制數碼管的清零； /st： 輸入，74148 的使能控制端（由 7408 輸入） ； /yex： 輸出，報警時序控制（與 74121 相連） ； ctr： 輸出，報警時序控制（與 7400 相連） ； 3.1.33.1.3 具體原理具體原理 該部分主要由 74148 優先編碼器、鎖存器 74

13、279、譯碼器 7448、按 鍵、7 段數碼管組成。如圖所示，搶答輸入端為 74148 的/i7 到/i0 腳， 當有選手按鍵時，74148 的相應的引腳為低電平，電路完成以下動作： （1） 、74148 將編碼輸入到鎖存其中，并通過鎖存器由 7448 譯碼后顯 示到數碼管上； （2） 、74148 譯碼輸出端/yex0，通過控制時序電路使 74148 的使能 端/st 為 1，74148 停在譯碼工作，使以后其他選手的按鍵無效； （3） 、時序信號/yex=0，ctr=1，通過控制時序電路使計時電路停止工 作，報警電路報警。 3.1.4原理圖原理圖 圖（圖（2 2） 搶答電路部分搶答電路部分

14、 表（表（1 1） 74ls14874ls148 的功能真值表的功能真值表 3.2 定時電路定時電路 3.2.13.2.1 電路功能電路功能： 由節目主持人根據搶答題的難易程度，設定一次搶答的時間，通 過預置時間電路對計數器進行預置，計數器的時鐘脈沖由秒脈沖電路 提供。可預置時間的電路選用十進制同步加減計數器 74ls192 進行 設計，具體電路如圖(3)所示。 3.2.23.2.2 與其他電路接口與其他電路接口： clck： 輸入，計數脈沖，時序控制電路產生， 由 7411 輸出； s： 輸入，主持人總控，此處控制計數器 74192 的預置數； bo2： 輸出，倒計時時間到時輸出低電平 0，

15、與時序電路 74121 相接，控制報警； 3.2.33.2.3 具體原理具體原理： 原理及設計：該部分主要由 555 定時器秒脈沖產生電路、十進制 同步加減計數器 74ls192 減法計數電路、74ls48 譯碼電路和 2 個 7 段數碼管即相關電路組成。具體電路如定時電路所示。兩塊 74ls192 實現減法計數，通過譯碼電路 74ls48 顯示到數碼管上，其時鐘信號 由時鐘產生電路提供。74192 的預置數控制端實現預置數，由節目主 持人根據搶答題的難易程度，設定一次搶答的時間，通過預置時間電 路對計數器進行預置，計數器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈 起后，計數器開始減法計數工作，并將時

16、間顯示在共陰極七段數碼顯 示管 dpy_7-seg 上，當有人搶答時，停止計數并顯示此時的倒計時 時間；如果沒有人搶答，且倒計時時間到時，bo2輸出低電平到時序 控制電路，控制報警電路報警，同時以后選手搶答無效。下面結合圖 （4）具體講 下標準秒脈沖產生電路的原理。 結合圖(4)圖中電容 c 的放電時間和充電時間分別為 ，2 21 incrtcr 2 7 . 0crrincrrt)(7 . 02)( 21212 于是從 ne555 的 3 端輸出的脈沖的頻率為 ，結合我們的實際經驗及考慮到元器 crrtt f )2( 43 . 1 1 2121 件的成本，我們選擇的電阻值為 r1=15k，r2

17、=68k，c=10uf，代入到 上式中即得，即秒脈沖。 z hf1 ui1ui2uo t 的工作 狀態 00 導通 11 截止 11 截止 10 導通 10 導通 表（表（2 2） 555555 定時器功能表定時器功能表 3.2.43.2.4 原理圖：原理圖： 圖（圖（3 3） 定時電路部分定時電路部分 圖（圖（4 4） 標準秒脈沖產生電路標準秒脈沖產生電路 3.3 報警控制電路報警控制電路 3.3.1電路功能電路功能： 由 555 定時器和三極管構成的報警電路如圖 11、4 所示。其中 555 構成多 諧振蕩器，振蕩頻率 fo143（ri2r2）c，其輸出信號經三極 管推動揚聲器。pr 為控

18、制信號，當 pr 為高電平時，多諧振蕩器工作，反 之，電路停振。 3.3.2與其他電路接口：與其他電路接口： /yex： 輸入，由搶答電路提供 bo2： 輸入，由計數電路提供 s： 輸入，來自主持人按鍵 pr： 來自 74121 的/q，與 555 的 rst 腳相接，控制 555 的振蕩振 蕩與否。 3.3.3具體原理：具體原理： 主要由 555 時鐘電路（用于控制報警聲音頻率） 、蜂鳴器即相關 的延時電路和控制電路組成。單穩態觸發器 74121 通過信號 /yex、bo2、s 控制報警與否和報警時間，555 時鐘電路產生脈沖時鐘。 當 74121 輸出單穩態觸發器的輸出延時：。取2ln e

19、xtextw crt 10uf, =620k,有4.3 秒。 ext c ext r2ln extextw crt 上電時，74121 的狀態為，pr=1，555 振蕩，蜂鳴器按時鐘頻 1 率鳴叫，表示電路正常工作；當主持人按下鍵時，不能報警提醒選手， 由于 121 不能實現次功能，這是本設計的缺陷；在規定的時間有人搶 答時，/yex 由 1 跳變到 0，74121 有狀態 2，即/q 輸出暫態低電平， 蜂鳴器連續發聲報警，持續時間為=4.3 秒；如果在規定時間內無 w t 人搶答，bo2 由 1 跳變到 0，74121 有狀態 2，/q 輸出暫態低電平， 蜂鳴器連續發聲報警持續時間為。 w

20、t 3.3.4原理圖原理圖： 圖（圖（5 5） 報警控制電路部分報警控制電路部分 3.4 時序控制電路時序控制電路 3.4.1電路功能電路功能： 它要完成以下四項功能： （1）主持人將控制開關撥到開始位置時，揚聲器發聲，搶答電路 和定時電路進入正常搶答工作狀態。 （2）當參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發聲，搶答電路和定時電路 停止工作。 （3）當設定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發聲，同時搶答電 路和定時電路停止工作。 3.4.2 與其他電路接口：與其他電路接口： bo2： 輸入，由計數電路產生； ctr： 輸入，由搶答電路產生； /st： 輸出，控制搶答電路； clck： 輸出，提供給計數電

21、路； 3.4.3具體原理：具體原理： 該部分主要由定時器 555、單穩態觸發器 74121、與非門 7400、 三段輸入與門 7411 和相關電路組成。由 555 產生計數脈沖，通過 7400 和 7411 結合控制信號 bo2、ctr 控制輸入到計數電路的脈沖有 無。脈沖周期，選擇電容為 10uf，電阻的值 2ln)2( 21 crrt)2( 21 rr 為 144.44 時 t 為一秒，本設計中選取 20k，62k， 0.998s。輸出到計數電路的脈沖為 1 r 2 r t ，搶答開始時，bo2=/st=1，故 clck=cp，計數器 cpboctrclck*2* 正常工作，當計數時間到時

22、（bo2=0）或者有人搶答 ctrbost*2 時（ctr=1） ，/st=1，74148 使能端為高電平，禁止編碼，即此后的 搶答無效。 3.4.4原理圖原理圖： 圖圖(6)(6) 時鐘產生和時序控制電路時鐘產生和時序控制電路 根據上面的功能要求以及數字搶答器電路，設計的時序控制電路 如時序控制電路所示。圖中，與門 g1 的作用是控制時鐘信號 cp 的放 行與禁止，門 g2 的作用是控制 74ls148 的輸入使能端（即圖二中的 5 端）。 標準秒脈沖產生電路的工作原理是：主持人控制開關從“清除”位 置撥到“開始” 位置時，來自于數字搶答器電路中的 74ls279 的輸出 1q,即 ctr=

23、0，經 g3 反相，輸出為 1，則 ne555 產生的時鐘信號 cp 能夠 加到 74ls192 的 cpd 時鐘輸入端（圖中用 clck 表示接入到 74ls192cpd 端的信號），定時電路進行遞減計時。同時，在定時時間未到時，則 定時到信號為 1，門 g2 的輸出 =0，使 74ls148 處于正常工作狀態， 從而實現功能的要求。 當選手在定時時間內按動搶答按鍵時，ctr1，經 g3 反相，輸出 為 0，封鎖 cp 信號，定時器處于保持工作狀態；同時，門 g2 的輸出 =1，74ls148 處于禁止工作狀態，從而實現功能的要求。當定時時間 到時，則定時到信號為 0，/st=1，74ls1

24、48 處于禁止工作狀態，禁止 選手進行搶答。同時，門 g1 處于關門狀態，封鎖時鐘 cp 信號，使定時 電路保持 00 狀態不變，從而實現功能的要求。 圖圖(7)(7) 觸發器觸發器 74ls12174ls121 集成單穩態觸發器 74ls121 用于控制報警電路及發聲的時間（其功 能表見表 3）,具體原理如下：主要由 555 時鐘電路（用于控制報警聲音 頻率） 、蜂鳴器即相關的延時電路和控制電路組成。單穩態觸發器 74121 通過信號/ys、bo2、s 控制報警與否和報警時間，555 時鐘電路產生脈沖 時鐘。在規定的時間有人搶答時，/ys 由 1 跳變到 0，74121 有狀態 2（見表 3

25、 狀態編碼） ，即 q 輸出暫態高電平，蜂鳴器連續發聲報警，持 續時間為=4.3 秒；如果在規定時間內無人搶答，bo2 由 1 跳變到 w t 0，74121 有狀態 1，q 輸出暫態高電平，蜂鳴器連續發聲報警持續時間為 w t 結合圖 5 所示報警電路，分析計算如下：。取100uf, w t2ln 23c rtw 2 c =51k,。有4.3 秒。 3 r2ln 6c rtw 狀態編碼 a1a2b ldh dlh ddl hhd hh1 hh2 h ld 暫態低電平 暫態低電平 暫態低電平 暫態高電平 暫態高電平 暫態高電平 h 暫態低電平 l l l 暫態高電平 h 輸入 q l h 輸出

26、 /q h 表(3) 74121 功能表 第四章 調試 4.1 單元電路檢測 4.1.14.1.1 搶答電路搶答電路 把主持人的控制開關設置為“清除”位置，用萬用表檢查 rs 觸發器 的端為低電平，輸出端（4q1q）全部為低電平。于是 74ls48 的 4 端r /bi/rbo=0，顯示器滅燈；74ls148 的選通輸入端，即 5 端/st=0，74ls148 處于工作狀態，此時鎖存電路不工作。然后把主持人的控制開關撥到“開 始”位置，優先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態，即搶答器處于等 待工作狀態，給 8 路搶答端口即輸入端給上低電平的輸入信號，如 7 i 0 i 當有選手將搶答按鍵按下時

27、（如按下） ，74ls148 的輸出=010， 5 s 2 y 1 y 0 y =0，經 rs 鎖存器后，74279 的輸出 1q,即 ctr=1，/bi/rbo ex y =1，74ls279 處于工作狀態，輸出端 4q3q2q=101，=0，經 rs 鎖存器后， ex y 出“5” 。此外，ctr=1，使 74ls148 仍處于禁止工作狀態，其它按鍵的輸 入信號不會被接收。 4.1.24.1.2 定時電路定時電路 用示波器檢查 555 的輸出波形是否為 1hz 的方波信號，如不是對 555 的外圍電路進行調整達到要求為止。給 74ls192 的數據輸入端設定一次搶 答的時間，如 35 秒（

28、00110101）的八位數據。觀察顯示器的顯示時間是 否進行減計數。有問題按原理進行修改。 4.1.34.1.3 時序控制及報警電路時序控制及報警電路 主持人將控制開關撥到“開始”位置時，搶答電路和定時電路進 入正常搶答工作狀態。 當參賽選手按動搶答按鍵時，揚聲器發聲，搶答電路和定時電路 停止工作。 當設定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發聲，同時搶答電路 和定時電路停止工作。 4.2 整機電路調試 開始時，主持人將控制開關接地，搶答電路部分鎖存器 74ls279 的 狀態輸出全為 0，74ls48 的滅燈輸入與鎖存器 74ls279 的 q1 相接，故搶 答電路無顯示（清除） ；與此同時，在計時電路部分，減法計數器 74ls192 的預置數端為 0，將事先的預置數送入減法計數器中。當主持人按鍵彈起 時，計數器開始計數工作，搶答開始。 在沒有人按鍵且搶答時間沒到時，優先編碼器/yex 輸出為 1，計數器 bo2 輸出為 1，74148 的 5 端，即0, 而 ctrbost*2 優先編碼器和計數器都正常工作； cpboctrclck*2* 當在規定時間有人按下搶答按鍵時，/yex 輸出為“0” ， ctr=1，/st=1，優先編碼器停止工作，此后選手的搶答無效，電路將按鍵 者的編號顯示在 led 上；同時，c