最新四人智力竞赛抢答器课程设计文档格式.docx
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2)设计要求
(1)4名选手编号为:
1,2,3,4。
各有一个抢答按钮,按钮的编号与选手的编号对应,也分别为1,2,3,4。
(2)给主持人设置一个控制按钮,用来控制系统清零(抢答显示数码管灭灯)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,若有选手按动抢答按钮,该选手编号立即锁存,并在抢答显示器上显示该编号,同时扬声器给出音响提示,封锁输入编码电路,禁止其他选手抢答。
抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
(4)抢答器具有定时(9秒)抢答的功能。
当主持人按下开始按钮后,定时器开始倒计时,定时显示器显示倒计时间,若无人抢答,倒计时结束时,扬声器响,音响持续1秒。
参赛选手在设定时间(9秒)内抢答有效,抢答成功,扬声器响,音响持续1秒,同时定时器停止倒计时,抢答显示器上显示选手的编号,定时显示器上显示剩余抢答时间,并保持到主持人将系统清零为止。
(5)如果抢答定时已到,却没有选手抢答时,本次抢答无效。
系统扬声器报警(音响持续1秒),并封锁输入编码电路,禁止选手超时后抢答,时间显示器显示0。
(6)可用石英晶体振荡器或者555定时器产生频率为1Hz的脉冲信号,作为定时计数器的CP信号。
三、原理电路和程序设计
1.数字抢答器总体方框图
如下图所示为总体方框图。
电路主要由脉冲产生电路、锁存电路、编码及显示电路、倒计时电路和音响产生电路组成。
当有选手抢答时,优先判断,编号锁存,阻止其他选手抢答,然后编码,再将数字显示在显示器上同时产生音响。
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,而当主持人将开关置“开始”状态,即当主持人宣布开始抢答时,倒计时电路启动由9计到0,选手在定时时间内抢答,如有选手抢答,倒计时停止。
当一轮抢答之后,定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示零。
如果再次抢答必须由主持人再次操作"
和"
开始"
状态开关。
2.方案选择
方案一:
电路大致可以由四个功能模块组成:
以锁存器为中心的编码显示电路部分,脉冲产生电路部分,倒计时显示电路部分,音响电路部分。
在锁存器为中心的编码显示电路部分中,由锁存器74LS373,编码器74LS148,显示器和门电路组成。
使用74LS373作为锁存电路,当有人抢答时,利用锁存器的输出信号号将时钟脉冲置零,74LS373立即被锁存,同时蜂鸣器鸣叫1s,这时抢答无效,使用74LS148作为编码器,对输入的型号进行编码,输出4位的BCD码,再将这四位的BCD码输入数码管里显示出抢答者的编号;
在脉冲产生电路部分中,用555定时器予以实现,通过调节电阻的阻值最后得到符合要求的脉冲,因为可以通过改变电阻电容微调频率,取代了用分频器对高频信号进行分频,从而使电路简单了;
在倒计时显示电路部分中,由计数器74LS190,显示器组成。
利用74LS190计数器作为倒计时的芯片,当主持人按下抢答按钮时,74LS190被置九,同时将显示上次抢到题目的选手编号的数码管清零,并开始倒计时,,并通过74LS148编码器将即时时间进行编码,并送到数码管,显示此时的时间。
假如在9秒内有人抢答,则计数器停止倒计时,将锁存器锁存,禁止选手抢答,蜂鸣器鸣叫一秒,停止倒计时。
在音响电路部分中,由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器,产生所需要的脉冲,然后接入蜂鸣器构成。
方案二:
在脉冲产生电路部分中,用石英晶体振荡器予以实现,由于石英晶体的稳定性和精确性比较高,所以用其产生的脉冲信号更加稳定,同时在显示更能接近预定的值,受外界环境的干扰较少;
选择结果:
方案一。
原因:
虽然用555定时器构成的多谐振荡器的稳定性和精确性没有石英晶体振荡器高,但由于前者设计方便,操作简单,成为了设计时的首选。
3.单元电路设计
1)以锁存器为中心的编码显示电路
该单元电路可以分辨出选手按键的先后,并锁存优先抢答者的编号,同时显示器显示相应的编号,并且可以禁止其他选手抢答。
电路原理:
首先使锁存器74LS373的三态允许控制端OC为低电平,即使其处于正常逻辑状态;
当锁存允许端ENG为高电平时,Q随数据D而变,当ENG为低电平时Q被锁存在已建立的数据电平。
当单刀双置开关置于“开始”端时,抢答器处于等待工作状态,当有选手将键按下时(假如四号手),即把单刀双置开关置于“清除”端时,触发器74LS373的数据输入端4D输入低电平,相应地,触发器的数据输出端4Q置0。
锁存器锁存四号选手的输入的信号,并且阻止其他选手信号的输入。
同时使8线-3线优先编码器74LS148的EI处于低电平,使之处于工作状态。
低电平信号经由编码器74LS148编码成相对应的二制数,然后在显示器显示“4”,该抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
当74LS148的输入端EI=1时,使74LS148处于禁止状态,确保不会出现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开关重新置“清除”端后方可进行下一轮抢答。
锁存器74LS373的真值表如下:
OutputControl
EnableG
D
Output
L
H
×
QO
Z
L--低电平;
H--高电平;
X--不定态;
Q0--建立稳态前Q的电平;
OE--使能端,接地。
当G=“1”时,74LS373输出端1Q-8Q与输入端1D-8D相同;
当G为下降沿时,将输入数据锁存。
8线-3线优先编码器74LS148的真值表如下:
输入
输出
EI
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
A2
A1
A0
GS
EO
1
D0-D7是输入信号,A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号,EI是使能输入端,EO是使能输出端,GS为优先编码输出端。
当输入EI=1时,禁止编码,输出(反码);
A2,A1,A0全为1;
当输入EI=0时,允许编码,在D0-D7输入中,D7优先级最高,其余依此为D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0。
以锁存器为中心的编码显示电路如下:
2)脉冲产生电路:
该单元电路由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器,产生所需要的脉冲。
根据555多谐振荡器的频率计算公式:
可以求得1hz的电路电阻均取470k,电容取10uf。
脉冲产生电路如下:
3)倒计时显示电路:
该电路采用十进制同步减计数器74LS190,主持人宣布开始时,按下按钮,同时使计数器置数为“9”,并在脉冲作用下开始倒计时并在显示器上显示,到零时停止。
计数器74LS90的真值表如下:
LOAD’
CTEN’
U/D’
CLK’
A
B
C
QA
QB
QC
QD
a
b
c
d
↑
加计数
减计数
保持
CLK时钟输入端(上升沿有效)CTEN计数控制端(低电平有效)A~D并行数据输入端QA~QD输出端LOAD异步并行置入控制端(低电平有效)U/D加/减计数方式控制端
倒计时显示电路如下:
4)音响电路
该单元电路由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器,产生所需要的脉冲,然后接入蜂鸣器构成。
音响电路如下:
5)整个电路:
由以上几个单元电路就构成了所需功能的完整电路图如下:
4.555多谐振荡器的脉冲波形图:
5.电路元件选择:
名称
型号
数量
锁存器
74LS373
1个
编码器
74LS148
计数器
74LS190
显示器
2个
555定时器
LM555CM
2与门
74LS08
3个
4与门
74LS21
2或门
74LS32
非门
74F04
5个
电阻
4个
电容
单刀双置开关
蜂鸣器
四.工作原理
抢答电路:
当锁存器74LS373有信号输入时,通过与门74LS21将信号反馈回锁存器74LS373的使能端ENG,此时74LS3737立即被锁存,同时蜂鸣器鸣叫1s,停止工作,这时抢答无效。
同时将低电平信号反馈回74LS190的倒计时输入端,使其停止工作,保持剩余抢答时间。
当倒计时为零时,通过或门74LS32将信号反馈回编码器74LS148的使能端ENG,此时编码器74LS148停止工作,禁止有选手超时抢答。
停止倒计时,主持人通过单刀双置开关对锁存器74LS373和编码器74LS148的使能端的控制来清除锁存信号,从而使得抢答器继续工作。
当无选手抢答时,倒计时直到倒计为零为止,此时到零点的信号反馈回编码器74LS148,使其停止工作,此时选手再抢答无效,只有当主持人清零后再置为开始状态,才可以继续抢答。
然后使用74LS148作为编码器,对输入的型号进行编码,输出4位的BCD码,再将这四位的BCD码输入数码管显示出抢答者的编号。
主持人电路:
采用计数器74LS190作为倒计时的芯片,当主持人按下按钮时,将74LS190的load输入端先置为高电平,将其置为1001,再通过开关,将load输入端置为低电平,使其开始倒计时。
当主持人按下开始按钮时,蜂鸣器响,选手开始抢答,并且倒计时开始倒计,假如在9秒内有人抢答,则计数器停止倒计时,将锁存器锁存,其他选手抢答无效,蜂鸣器鸣叫一秒,数码管显示剩余时间和选手的编码。
相反,假如在9秒内无人抢答时,倒计时数码管显示为0,蜂鸣器响,禁止选手抢答。
只有主持人再置为开始状态时,才可以继续抢答,倒计时从新工作,进入下一轮抢答。
五.总结
对该电路总结如下:
优点:
电路清晰,简单易懂,各功能模块基本上达到了要求,显示准确,反应灵敏,基本满足了四人智力竞赛抢答器的要求。
缺点:
因为缺少某些芯片而不得不用其他的芯片稍作改变充当相似的功能,也许这样做,可以基本满足要求,但是没有达到最好的效果。
其次,因为对理论知识没有透彻掌握和对仿真软件的不完全熟悉操作,以至于电路没有出现预期的效果,虽然基本上达到所要求的效果,但是还有一些地方没有达到,这是美中不足的地方,可是以目前的水平,只能这样了,有待以后改进。
改进:
第一,尽量用到适合的芯片;
第二,使整体布局更加合理、明确、美观;
第三,尽量做到使所有功能模块都达到所要求的那样,产生预期的效果。
心得体会:
通过这次课程设计:
首先,加深了我对数字电路知识的了解,尤其是数字芯片的性能和使用。
其次,使我对数字电路设计更感兴趣,原来它是很奥秘的,一些电子功能可以通过组合各种各样的元器件,从而产生想要实现的功能,关键在于能够设计出符合要求的电路。
再次,使我对课本知识得到巩固和加强,毕竟课本知识是抽象的,只有真正在实践中利用它,做到学以致用,才能加深对它的理解,所以设计出这个题目后,我发现以前对课本有疑问的地方都随着在课程设计中豁然开朗了。
最后,加强了我思考和解决问题的能力。
由于知识水平的局限,该课程设计有一些不足的地方,真诚地希望老师给予批评和指正。