八路抢答器的设计与制作.高.doc

毕 业 设 计论文题目： 八路抢答器的设计与制作 系 部： 电子信息工程学院 专业名称： 应用电子 班 级： 学 号： 01 姓 名： 高 敏 指导教师： 王 琰 完成时间： 2014 年 5 月 10 日八路抢答器的设计与制作摘 要：八路抢答器的设计方案有多种，如何进行方案的选择以及在八路抢答器设计的过程中所需要阐述的问题等等，这些都是值得思考的。本文我主要通过采用数字电路来实现八路抢答器的设计与制作，其最重要的就是它的功能、电路组成原理及设计思路。利用所学专业知识对其某些性能作一些改进设想。关键词：八路抢答器；抢答电路；定时电路；报警电路；时序控制Eight-way Responder design and production Abstract: Eight Responder design There are various options, and how to issue eight Responder design process required so forth, these are worth considering. In this paper, I mainly achieved through the use of digital circuits eight Responder design and production, the most important is its function, circuit theory and design ideas. I have learned to make use of the expertise of some improvements envisioned some of its properties. Key words: Eight Responder; Responder circuit; Timing circuit; Alarm circuit;Timing control目录1、前言11.1设计的目的与意义11.2设计的背景12、设计方案12.1方案一（采用PLC）12.2方案二（采用单片机）22.3方案三（采用数字电路）23、方案选择34、设计任务及系统功能简介34.1设计任务34.2设计的内容44.3设计的主要问题44.4基本功能54.5扩展功能55、实现的原理与电路55.1数字抢答器总体方框图55.2单元电路设计65.3抢答器电路原理图125.4仿真结果显示146、总体方案选择的论证147、在设计过程中发现的问题和所做的改进148、组装与调试158.1使用的主要仪器、仪表158.2电路调试159、所用元器件列表1674LS1921610、改进设想及建议18总结19致 谢20参考文献21附录221、前言1.1设计的目的与意义通过多种方案的选择,对本次抢答器的设计有了明确的思路，了解了抢答器的一些基本功能和电路的组成原理。对以前学的知识进行了复习，提高了自己的专业知识和技能,同时通过本次的设计，更加巩固了自己的理论知识，达到了理论与实践的统一。 1.2设计的背景随着社会的发展，人们生活水平的提高。抢答器在我们生活中的运用也越来越多了。抢答器，顾名思义，就是参赛者们在竞赛的过程中进行抢答所使用的一种工具。在选手作答的过程中，抢答器对其进行相应的定时和计时。若在规定的时间内完成抢答，其计时结束。若在规定的时间内未完成抢答，即抢答无效，这时抢答器的报警功能便实现。如何判定参赛者是否优先作答，当其按下抢答键时，从显示输出的指示灯就可以看出。如今大多数抢答器都是通过单片机或数字电路完成设计的，以数字化和智能化的发展和设计思路，也就意味着抢答器的普遍性和未来发展的趋势。2、设计方案2.1方案一（采用PLC）1.原理方框图方案一采用PLC原理如图1所示。图1 PLC原理图主要通过PLC进行控制输入和输出。当接通电源时，按下启动开关，电路实现互锁功能。2.2方案二（采用单片机）1、原理方框图方案二完成的功能如图2所示。图2单片机原理图主要是以单片机为核心进行电路的控制。接通电源，电路开始工作，把输入信号送往单片机，再通过单片机输出锁存到显示输出电路中，这是通过单片机控制实现的工作原理。反之，若要把相应的号码在输出后显示出来，在其输出的过程中，需要经过单片机控制锁存，以防其他的输入信号。2.3方案三（采用数字电路）1、原理方框图方案三的总体框图如图3所示。图3数字电路原理图 从图中可知抢答器的整个工作过程，有两种状态，非工作状态和工作状态。电源接通，抢答器的开关置于“清除”位置，电路不能正常工作。若按下“开始”按钮，这时抢答开始，蜂鸣器鸣叫，而随着时间的缩短，当规定抢答的时间到时，如果没有人进行抢答的话，系统将自动报警，则输入信号被锁存电路封锁，以防输入信号，即禁止抢答。抢答器在特定的时间内主要完成以下几项工作：1）抢答者的编号显示问题；2）需要注意的是当扬声器发出短暂声响提示时；3）为了避免抢答情况的出现，故通过时序控制电路进行控制封锁；3、方案选择方案的选择如表一所示。方案比较数字电路单片机PLC制作难度低一般一般实现难度一般低低价格低一般高电路原理简单一般一般设计难度简单高一般表1通过上表可以看出，数字电路的制作难度较低，比较容易实现。并且价格低，电路原理也比较简单，所以我选择采用数字电路来完成设计。4、设计任务及系统功能简介4.1设计任务1）从所有参赛的人中选出规定的人数并分别进行0-7的编号。2）对已编号好的参赛人员进行短时的演练，模拟竞赛时的抢答场景，对抢答器的使用做好熟练工作。以便快速的完成整个竞赛并在竞赛中取得优异的成绩。3）抢答器具有多种功能，对其每个功能的了解度，抢答器的使用程度如何。数据锁存和显示的功能是怎样实现的等等这些，参赛人员都需要有初步的了解。其次，就是抢答比赛开始时，对抢答器的整个使用要够熟练，以及在抢答过程中需要注意的一些细节和问题。4） 参赛选手在竞赛的过程中，需要把握好抢答或作答规定的时间。最好是在规定的时间内完成整个抢答或作答。整个抢答的过程要知道，显示器上显示选手的编号，定时器停止工作并保持到主持人将系统清除为止。5）在抢答开始时，会规定好起始到整个抢答结束的时间。若在起始的时间，无人进行抢答，则本次抢答结束，系统发出报警提示。定时显示器自动归零。6）抢答器的另一功能，定时抢答的功能。利用抢答器这一功能，让主持人设置时间。当主持人按下"开始"键后，这时时间会慢慢缩短并从显示器上可以看出。这时参赛选手要尽快进行抢答，抢答一结束，扬声器发出信号，输入电路被封锁，此时禁止进行超时抢答，即使作答了也将视为无效。4.2设计的内容本系统的抢答器采用了模块化的设计，被广泛应用在抢答竞赛中。抢答未开始时，把所有参赛的选手分成多组，每组都有一个抢答的按钮。每个选手的抢答和回答时间都可以进行时间设置，有“复位”键、“开始”键和“结束”键。简单来说，就是我们可以设置两个时间，一个是抢答时间，一个是作答时间。抢答时间设置到10s，作答时间设置到20s。上述时间的话可以通过按增键或减键进行修改，改过只要按下确定就可以了。抢答开始时，只要一按下开始键，这时选手便可以开始进行抢答，如何知道哪位选手优先抢答及抢答的时间，则可以通过在数码显示屏上看到，当时间快到最后（5s）时，扬声器自动产生提示。数字电路设计的抢答器电路连接简单，性能高，抗干扰能力强。因此这次的设计，对我来说很有意义。4.3设计的主要问题在抢答器的设计过程中存在着许多的问题，并且也有许多的不足之处需要进行改进和研究。无论任何设备都有其优点和缺点，抢答器也不例外。它的频率较低，可靠性低，制作也较复杂。一个单位用到抢答器的话往往是在单位进行知识等各项竞赛时，但一般用到的次数会比较少，每年就那么几次。而且抢答器的长期存放也会导致电子元器件的损坏，则需要再次购置新的，比较麻烦。目前大多数的抢答器都存在缺点，由于连接线太多较复杂。现场每个选手都会站在不同的位置，每个位置与控制台之间是要通过线连接着的。选手多，线多，可想而知，这不仅影响了现场的美观，也影响了抢答器的可靠性，甚至影响了人员的走动，增加了安装的难度。当识别选手抢按号码时，会导致选手易出现抢按成功的现象。这是由于采用简单的逻辑电路扫描技术，其电路的延迟时间较大。4.4基本功能1）从所有参赛的人中选出规定的人数并分别进行0-7的编号。2）对已编号好的参赛人员短时的演练，模拟竞赛的抢答场景，对抢答器的使用熟练工作。以便快速的完成整个竞赛并在竞赛中取得优异的成绩。3）抢答器具有多种功能，对其每个功能的了解度，抢答器的使用程度如何。数据锁存和显示的功能是怎样实现的等等这些，参赛人员都需要有初步的了解。其次，就是抢答比赛开始时，对抢答器的整个使用要够熟练，以及在抢答过程中需要注意的一些细节和问题。4.5扩展功能1） 参赛选手在竞赛的过程中，需要把握好抢答或作答规定的时间。最好是在规定的时间内完成整个抢答或作答。整个抢答的过程要知道，显示器上显示选手的编号，定时器停止工作并保持到主持人将系统清除为止。2）在抢答开始时，会规定好起始到整个抢答结束的时间。若在起始的时间，无人进行抢答，则本次抢答结束，系统发出报警提示。定时显示器自动归零。3）抢答器的另一功能，定时抢答的功能。利用抢答器这一功能，让主持人设置时间。当主持人按下"开始"键后，这时时间会慢慢缩短并从显示器上可以看出。这时参赛选手要尽快进行抢答，抢答一结束，扬声器发出信号，输入电路被封锁，此时禁止进行超时抢答，即使作答了也将视为无效。5、实现的原理与电路5.1数字抢答器总体方框图如图4所示为总体方框图。图4 总体框图其原理为：电源接通，抢答器的开关置于“清除”位置，电路不能正常工作。若按下“开始”按钮，这时抢答开始，蜂鸣器鸣叫，而随着时间的缩短，当规定抢答的时间到时，如果没有人进行抢答的话，系统将自动报警，则输入信号被锁存电路封锁，以防输入信号，即禁止抢答。5.2单元电路设计52.1抢答器电路设计电路如图5所示。图5抢答器设计原理图该电路主要完成两个功能：一是分辨出先后顺序，并锁存编号，同时输出译码器显示输出编号（七段数字数码显示管）；二是避免其他选手按键。其电路的工作原理过程：当开关S置于"清除"端时，RS触发器的 R非端都为0，4个触发器输出也全部置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，此时锁存电路不工作。当开关S置于"开始"时，74LS148和RS锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端的信号，输出显示。74LS148仍处于禁止状态，封锁了其他按键的输入。这保证了抢答者的优先性，二次按键时输入信号被封锁。如进行再次抢答的话需将开关重新置于“清除”端，结束本轮的抢答。其功能表如表2所示。表2 74LS148的功能真值表5.2.2定时电路该电路的设计框图如图6所示。图6 定时电路图它是由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。74LS192的预置数控制端实现预置数，要想设定一次抢答的时间的话，我们可以根据抢答题的难易程度，来设定某一次抢答的时间，由秒脉冲电路提供计数器的时钟脉冲。当按键弹起后，此时计数器开始进行减法计数工作，这时我们可以在共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG 上看到时间。图7 可预置时间的定时电路表3 555定时器功能表ui1 ui2 uO T的工作状态0××0导通11截止11截止10导通10导通标准秒脉冲产生电路的如图8所示。图8标准秒脉冲产生电路从上图可知，图中电容C的放电时间和充电时间分别为： ，于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为：， 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。5.2.3报警电路报警电路如图9所示。图9报警电路图中NE555构成多谐振荡器， 1.43（R12R2）C为其振荡频率，多谐振荡器的输出信号则是经过三极管推动扬声器。其中PR时序控制电路输出的控制信号，当PR为“1”（即高电平）时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。5.2.4时序控制电路时序控制电路的功能是必不可少的，它主要体现在以下几个方面：（1）时序控制电路的控制开关控制着抢答电路和定时电路的状态。（2）电路的输出指示可以实现报警功能。（3）时序电路中，只要控制开关在接通的过程中，蜂鸣器响起，电路立即停止工作。根据上面的功能要求以及图5，设计的时序控制电路如图10所示。图中，与门G1 主要是用来控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2主要是控制74LS148的输入使能端（即图五中的5端）。图10的工作原理是：控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图5中的74LS279的输出 1Q,即CTR=0，经G3反相，输出为1，则NE555产生的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端（图中用CLCK表示接入到74LS192CPD端的信号），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下“开始”键时，CTR1，经G3反相，输出为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，/ST=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，封锁时钟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。此时抢答结束。图10 时序控制电路图图11 原理图用于控制报警电路及发声的时间（其功能表见表3）。表3 74121功能表主要是通过集成单稳态触发器74LS121实现的,具体原理如下： 它是由555时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路构成。单稳态触发器74121通过信号/Ys、BO2、S控制报警与否和报警时间，脉冲时钟则是由555时钟电路产生。在规定的时间有人抢答时，/Ys由1跳变到0，74121有状态2（见表3状态编码），即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为=4.3秒；如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态1，Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为结合图9所示的报警电路，分析计算如下：。取100uF, =51K,。有4.3秒。5.3抢答器电路原理图5.4仿真结果显示6、总体方案选择的论证74系列芯片实现原理图：（详见图4）选用74系列芯片实现的理由：第一，它的价格便宜，成本较低，能满足学校场合需要；第二，它在数字电路与逻辑设计中被提及，将知识与实践密切的相结合了起来，对我们以后巩固所学知识有很大的作用。 第三，总体方案易于实现(如NE555标准秒脉冲电路)。第四，设计难度较低。7、在设计过程中发现的问题和所做的改进1. 如何选择参赛选手编号：一般地，只要是在七段数码显示管上，按照一开始的设计，其数码管上显示的数只能显示0-7，而我们希望的则是在抢答开始时，按下“开始”键，其显示的数是选手的编号1-8，这样1-8刚好是每位参赛选手的编号，通过以上分析可以通过观察7448译码器的功能表（见表四）后发现，只需要把七段数码显示管上显示的0改为显示8，而其他的显示则不改变。便可如希望所得每位参赛选手的编号1-8。由表四可以看出，有两种方案可供选择：一是将7448的A3端置1，其他位置0；二是将图5中的4端置1，其他位不管。  但是在计时未到时，4端始终为低电平，所以如果采用方案二的话，我们的整设计就将全部打乱，故方案二不可取。2.当主持人按下“开始”键，如何在七段数码显示管上显示7而不是显示0的问题。在对电路进行焊接的过程中，对于元器件的选择上，我把按键的开关换成了点触式的，换的时候并未对这种开关进行仔细的分析，发现当按下抢答按键时，数码显示管上显示的都是7。经过研究分析并找出了原因，发现是在元器件的选择上出现了问题，问题就在于开关是点触式的。因为点触式开关在按下的同时会马上弹起。后将其更换为单刀双置开关，问题得到了解决。 表4 7448译码器的功能表 8、组装与调试8.1使用的主要仪器、仪表多路直流稳压电源YB1719；数字万用表MY61；数字示波器TDS1012；函数发生器EE1411；8.2电路调试8.2.1单元电路检测1）抢答电路当把控制开关置于 “清除”端时，可以用万用表进行电路的检测。当输出指示灯不亮时，74LS48的4端/BI/RBO=0； 5端/ST=0即74LS148的选通输入端，74LS148处于工作状态，此时锁存电路处于非工作状态。当把控制开关置于“开始”端时，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。 2）定时电路主要是通过示波器进行调试，方波信号调到1Hz，在示波器上在进行观察其输出是否为555定时器的输出波形，如不是其输出波形，则对其外围电路重新进行调整。3）时序控制及报警电路时序控制电路的控制开关控制着抢答电路和定时电路的状态。电路的输出指示可以实现报警功能。时序电路中，只要控制开关在接通的过程中，蜂鸣器响起，电路立即停止工作。8.2.2整机电路调试开始进行整机电路调试时，首先主持人将控制开关接“0”，即地端。锁存器的输出全为0，其Q1端与74LS48的灭灯输入相接，所以输出无显示。与此同时，计时电路部分，当减法计数器的预置数端为0时，将事先的预置数送入减法计数器中。当主持人按键弹起时，计数器开始计数工作，抢答开始。如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态2， Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为=4.3 秒；ST=1，抢答电路停止工作，此后的抢答按键无效。 9、所用元器件列表序号编号名称数量说明174LS192十进制可逆计数器2片工作电压5V2NE555单稳态触发器2片工作电压5V374LS48七路显示译码器3片工作电压5V474LS148优先编码器1片工作电压5V574LS279触发器1片工作电压5V674LS121非重触发单稳态触发器1片工作电压5V77400与非门1片工作电压5V87408与门1片工作电压5V97404反向器1片工作电压5V109013三极管1个11R3、R4510电阻3只12R268k电阻2只13R115k电阻 2只14R6100k电阻1只15R51k电阻2只16R710k电阻10只17C10.1uF2只18C10uF1只19C2100uF1只20Speaker蜂鸣器1只8，6V21SW弹片开关9只22单刀双置开关9只23LED发光二极管2只24DPY_7-SEG共阴极七段数码显示管3片10、改进设想及建议 1.我主要是用74系列集成芯片来完成整个设计的，在整个设计的过程中有很多的困难，尤其是在焊接的过程中，芯片的引脚过多，不能很好的完成布线工作。而且我在焊接时把某一根线没有焊牢，因此造成了电路的不稳定，这些都是我太粗心大意了，需要不急不燥。我主要是想根据单片机原理及相关知识进行一些改进，挑战一下。2.电路的设计完成后，我主要采用了在面包板上进行电路模拟的方法。虽然结果出来了，但是在模拟的过程中效率很低。所以我觉得是否可以采用仿真工具，通过EWB、MAX-PLUS II等EDA软件对设计出的电路进行仿真和模拟，这样既可以提高效率，又可以提高模拟的准确性。总结通过这次八路抢答器的设计，对抢答器的设计思路更加的清晰，结构框图、原理图等也有了基本的理解，对以前学的知识进行了复习，提高了自己的专业知识和技能。同时通过本次的设计，更加巩固了自己的理论知识，达到了理论与实践的统一。温故而知新。采用数字电路设计的抢答器，更加了解了其中的逻辑关系。对自己的专业知识也有了进一步的巩固和提高，增加了自己的知识面。整个毕业设计的过程总结主要如下:首先，得先进行选题。要选择自己喜欢的、感兴趣的、恰当的题目，因为一个号的选题将决定你的整个设计是否能顺利。因此，选题时一定要考虑好了，一旦选定就不要轻易的改动。其次，查资料。在刚开始做毕业设计的时候，查资料是必不可少的。充足的资料将决定着你的设计，它是最基本的前期准备工作，俗话说:“好的开端决定了成功的一半”。我们可以通过去图书馆、书店、资料室等方式查找资料，必有其可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。再次，当你记录了不少资料，也积累了许多资料的时候，你也大概有了一些基本的了解，这时便可以综合已有的资料来更透彻的分析题目。最后，有了资料，有了研究方向，设计就可以实现。其实以上的三步都是为这一步作的铺垫。致 谢时光飞逝，一眨眼，我即将告别了我的大学生活。三年大学的生活是多姿多彩的，在这三年里我积极的参加各项活动比赛，可以说大学三年的时光没有白费。如何把握同学之间和师生之间相处是尤为重要的，提升了自己良好的沟通和表达能力。在此我要感谢所有老师三年以来对我的谆谆教诲，同时在此我要感谢我的指导老师，感谢老师给我这样的机会锻炼。在本次设计的过程中存在许多的问题和不足之处，但最后在同学和老师的指导下最终得到了解决。感谢三年来一直陪伴着我的同学们，眼看即将离开母校，有的是更多的不舍。这次的毕业设计培养了自己解决问题的能力和独立思考的能力，掌握了专业知识和技能，懂得理论与实践相结合的重要性。虽然这个设计还不是很好，不是很完善，但是在设计过程中的那种心情、那种学习的过程是美好的，使我终身受益。参考文献1康华光.电子技术基础.数字部分M.北京:高等教育出版社,2009.6.2李海.74系列芯片手册M.重庆:重庆大学出版社,2008.5.3欧阳星明.数字逻辑M.武汉:华中科技大学出版社,2010.5.4肖景和.CMOS数字电路应用300例M.北京:中国电力出版社,2005.1.5康华光.电子技术基础.数字部分（第四版）M.北京:高等教育出版社,2009.1.6 宁志刚,黄智伟,唐慧,胡芬芬.八位数显抢答器课程设计方法研讨J. 实验室研究与探索: 2009(01).7 王冬梅,张建秋. 基于单片机的八路抢答器设计与实现J. 佳木斯大学学报(自然科学版): 2009(03).8崔本亮，张雷.八位竞赛抢答器电子系统电路分析与设计J.现代电子技术：2009（20）.9王青萍.八路智力竞赛抢答器的设计J.湖北教育学院学报：2007(08).附录整机电路原理图