畢業(yè)設(shè)計（論文）四路搶答器設(shè)計

1、摘 要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，它在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。人們對它的認(rèn)識也逐步加深。人們也利用了電子技術(shù)以及相關(guān)的知識解決了一些實際問題。如：智能搶答器的設(shè)計與制作。搶答器是競賽問題中一種常用的必備裝置，從原理上講，它是一種典型的數(shù)字電路。數(shù)字搶答器由主體電路與擴展電路組成。優(yōu)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；主持人按開始按鈕示意開始，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路實現(xiàn)計時功能，構(gòu)成擴展電路。經(jīng)過布線、焊接、調(diào)試等工作后數(shù)字搶答器成形。在搶答電路中利用一個優(yōu)先編碼器譯出最先搶到答題權(quán)的選手的編號并經(jīng)led顯示器顯示出來，同時還要封鎖電路以防其他選手再搶答。當(dāng)選

2、手答題完成后，主持人將系統(tǒng)恢復(fù)至零。關(guān)鍵詞：搶答；計時；鎖存1 前言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和普及 ,各種各樣的競賽越來越多，其中搶答器的作用也就顯而易見。目前很多搶答器基本上采用小規(guī)模數(shù)字集成電路設(shè)計，使用起來不夠理想?，F(xiàn)在單片機已進入各個領(lǐng)，以其功耗小、智能化而著稱，所以若利用單片機來設(shè)計搶答器，便使以上問題得以解決。針對以上情況，本文設(shè)計出以74ls192單片機為核心的四路搶答器。它能根據(jù)不同的搶答輸入信號，經(jīng)過單片機的控制處理并產(chǎn)生不同的與輸入信號相對應(yīng)的輸出信號，最后通過led數(shù)碼管顯示相應(yīng)的路數(shù)，即使兩組的搶答時間相差幾微秒，也可分辨出是哪組優(yōu)先按下的按鍵。2 智能搶答器功能介紹2.1

3、設(shè)計功能要求主持人有開始鍵和復(fù)位鍵，按下開始鍵后才能開始搶答，否則犯規(guī)。用數(shù)碼管顯示，正常搶答后，顯示搶到的隊號，如果有人犯規(guī)發(fā)出短暫的警報。如果規(guī)定時間內(nèi)沒有搶答，則說明該題超時作廢，用0閃爍表示。復(fù)位鍵用于恢復(fù)犯規(guī)或超時狀態(tài)。通過這次課程設(shè)計，靈活運用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)、單片機與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)理論知識，在實踐中實現(xiàn)鞏固所學(xué)知識，加強綜合能力，培養(yǎng)電路設(shè)計能力，提高實驗技術(shù)，啟發(fā)創(chuàng)新思想。搶答器最多可供4名選手參賽，編號為14號，各隊分別用一個按鈕（分別為s0s3）控制，并設(shè)置一個系統(tǒng)清零和搶答控制開關(guān)s，該開關(guān)由主持人控制。搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存功能,并將鎖存數(shù)據(jù)用led數(shù)碼管顯

4、示出來，直到主持人清零。開關(guān)s作為清零及搶答控制開關(guān)（由主持人控制），當(dāng)開關(guān)s被按下時搶答電路清零，當(dāng)開關(guān)s松開后則允許搶答。輸入搶答信號由搶答按鈕開關(guān)s0s3實現(xiàn)。有搶答信號輸入（開關(guān)s0s3中的任意一個開關(guān)被按下）時，并顯示出相對應(yīng)的組別號碼。此時再按其他任何一個搶答器開關(guān)均無效，指示燈依舊“保持”第一個開關(guān)按下時所對應(yīng)的狀態(tài)不變。2.2 擴展功能介紹搶答器具有定時搶答的功能，搶答的時間由主持人設(shè)定。當(dāng)節(jié)目主持人啟動“開始”鍵后，要求定時器立即減計時，并用顯示器顯示。參加選手在未開始搶答時按下?lián)尨疰I，則犯規(guī)，發(fā)出報警聲。參加選手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手

5、的編號和搶答時刻的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。如果定時搶答的時間已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效，封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答，發(fā)出短暫的報警聲，時間顯示器上顯示為0。3 硬件實現(xiàn)3.1 總體方案設(shè)計模塊如圖3.1所示為總體方框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清零”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，宣布“開始”，搶答器工作。定時器倒計時，選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示。當(dāng)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

6、始”狀態(tài)開關(guān)。顯 示電 路譯碼電 路鎖存器優(yōu)先編碼電路搶答按 鈕主持人控制開關(guān)控制電 路圖3.13.2 局部設(shè)計3.2.1 搶答器電路模塊該電路主要完成兩個功能：分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號（顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管）；禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無效。電路選用優(yōu)先編碼器 74ls148 和鎖存器 74ls279 來完成。3.2.2 優(yōu)先編碼器 74ls14874ls148為8線3線優(yōu)先編碼器，表4為其真值表，圖4.1.1為其管腳圖。74ls148優(yōu)先編碼器管腳功能介紹:為16腳的集成芯片，電源是vcc(16) gnd(8),i0i7為輸入信號，

7、a2,a1,a0為三位二進制編碼輸出信號，ie是使能輸入端，oe是使能輸出端，gs為片優(yōu)先編碼輸出端。圖4.1.1 表4 74ls148 8線3線二進制編碼器真值表74ls148工作原理如下：該編碼器有8個信號輸入端，3個二進制碼輸出端。此外，電路還設(shè)置了輸入使能端st，輸出使能端eo和優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標(biāo)志gs。當(dāng)st=0時，編碼器工作；而當(dāng)st=1時，則不論8個輸入端為何種狀態(tài)，3個輸出端均為高電平，且優(yōu)先標(biāo)志端和輸出使能端均為高電平，編碼器處于非工作狀態(tài)。這種情況被稱為輸入低電平有效，輸出也為低電來有效的情況。當(dāng)st=0，且至少有一個輸入端有編碼請求信號（邏輯0）時，優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標(biāo)志g

8、s為0。表明編碼器處于工作狀態(tài)，否則為1。由表4可知，在8個輸入端均無低電平輸入信號和只有輸入0端（優(yōu)先級別最低位）有低電平輸入時，y2y1y0均為111，出現(xiàn)了輸入條件不同而輸出代碼相同的情況，這可由gs的狀態(tài)加以區(qū)別，當(dāng)gs1時，表示8個輸入端均無低電平輸入，此時y2y1y0=111為非編碼輸出；gs0時，y2y1y0=111表示響應(yīng)輸入0端為低電平時的輸出代碼（編碼輸出）。ys只有在st為0，且所有輸入端都為1時，輸出為0，它可與另一片同樣器件的st連接，以便組成更多輸入端的優(yōu)先編碼器。 從表4不難看出，輸入優(yōu)先級別的次序為7，6，0。輸入有效信號為低電平，當(dāng)某一輸入端有低電平輸入，且比

9、它優(yōu)先級別高的輸入端無低電平輸入時，輸出端才輸出相對應(yīng)的輸入端的代碼。例如5為0，且優(yōu)先級別比它高的輸入6和輸入7均為1時，輸出代碼為010，這就是優(yōu)先編碼器的工作原理。3.2.3 鎖存器 74ls279在74ls279中，由于4回路中2回路置位端子為兩個，所以使用其一時，整理兩個置位輸入作為1個使用，或?qū)⒘硪粋€輸入固定為“h”使用。另外，作為稍微變化74ls279 的使用方法，也可將3組作為rs鎖存器使用，剩余的rs鎖存器作為2輸入nand門電路使用，復(fù)位輸入例如1管腳固定為”l”時其輸入為”h”，所以可構(gòu)成將2管腳和3管腳作為輸入，輸出為4管腳，此變換如圖4.1.2所示。 圖4.1.2 搶

10、答器參考電路如圖4.1.3所示，其工作過程：開關(guān)s置于清除端時，rs觸發(fā)器的 端均為0，4個觸發(fā)器輸出置0，使74ls148的 0，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)s置于開始時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將鍵按下時（如按下s3），74ls148的輸出 經(jīng)rs鎖存后，1q=1,74ls48處于工作狀態(tài)，4q3q2q=100,經(jīng)譯碼顯示為4。此外，1q1，使74ls1481，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時，74ls148的此時由于仍為q1，74ls1481，所以74ls148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將s開關(guān)重新置

11、“清除”然后再進行下一輪搶答。 圖4.1.33.2.4 定時電路模塊該部分主要由555定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進制同步加減計數(shù)器74ls192減法計數(shù)電路、74ls48譯碼電路和1個7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。一塊74ls192實現(xiàn)減法計數(shù)，通過譯碼電路74ls48顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。74ls192的預(yù)置數(shù)控制端實現(xiàn)預(yù)置數(shù)，由節(jié)目主持人根據(jù)情況設(shè)定時間。共陰極七段數(shù)碼顯示管上，當(dāng)有人搶答時，停止計數(shù)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， 輸出低電平到時序控制電路，控制74ls48，使0閃爍，同時以后選手搶答無效。3.2.5 計數(shù)器74ls19274l

12、s192具有下述功能： （1）異步清零：cr=1，q3q2q1q0=0000 （2）異步置數(shù)：cr=0，ld=0，q3q2q1q0=d3d2d1d0（3）保持： cr=0，ld=1，cpu=cpd=1,q3q2q1q0保持原態(tài) （4）加計數(shù)：cr=0, ld=1，cpu=cp，cpd=1，q3q2q1q0按加法規(guī)律計數(shù) （5）減計數(shù)：cr=0, ld=1，cpu=1，cpd= cp，q3q2q1q0按減法規(guī)律計數(shù)74ls192是雙時鐘方式的十進制可逆計數(shù)器。 cpu為加計數(shù)時鐘輸入端，cpd為減計數(shù)時鐘輸入端。ld為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。 cr為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。 co為進

13、位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出 bo為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。圖4.2.1 3.2.6 譯碼器74ls4874ls48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，常用在各種數(shù)字電路和單片機系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中。74ls48引腳排列示意圖（圖4.2.2）：圖4.2.2 3.2.7 555定時器555定時器的內(nèi)部電路框圖如圖4.2.3所示：圖4.2.3555 定時器外引腳排圖如圖4.2.4所示：圖4.2.4555定時器的內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 rs 觸發(fā)器，一個放電管 t 及功率輸出級。它提供兩個基準(zhǔn)電壓vcc /3 和 2vcc /3 。555 定時器的功能主要由兩

14、個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 rs 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時，則電壓比較器 c1 的反相輸入端的電壓為 2vcc /3，c2 的同相輸入端的電壓為vcc /3。若觸發(fā)輸入端 tr 的電壓小于vcc /3，則比較器 c2 的輸出為 1，可使 rs 觸發(fā)器置 1，使輸出端 out=1。如果閾值輸入端 th 的電壓大于 2vcc/3，同時 tr 端的電壓大于vcc /3，則 c1 的輸出為 1，c2 的輸出為 0，可將 rs 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。3.2.8 定時電路設(shè)定一次搶答的時間，通過定時電路對計數(shù)器進行時間預(yù)置，定時電路選用十進制同

15、步加減計數(shù)器74ls192進行設(shè)計，電路如圖4.2.5所示.圖4.2.5 3.3 控制電路控制電路包括時序控制和報警兩個電路。時序控制電路需具有以下幾個功能：主持人閉合開關(guān),多路搶答器電路和計時電路進入正常狀態(tài)；參賽者按鍵時 ,搶答電路和計時電路停止工作；搶答時間到 ,無人搶答 ,揚聲器發(fā)聲 ,同時搶答電路和計時電路停止工作。根據(jù)上面的功能要求，設(shè)計的時序控制電路如圖 4.3.1所示。圖中，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的輸人使能端 。圖4.3.1的工作原理是：主持人控制開關(guān)從清除位置撥到開始位置時，來自于圖4.1.3中的74ls279的輸出 1

16、q=0，經(jīng)g3反相， a1，則時鐘信號cp能夠加到74ls192的cpd時鐘輸入端，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(tài)，從而實現(xiàn)功能1的要求。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，1q1，經(jīng) g3反相，a0，封鎖 cp信號，定時器處于保持工作狀態(tài)；同時，門g2的輸出 =1，74ls148處于禁止工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能2的要求。當(dāng)定時時間到時，則定時到信號為0，使74ls148處于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進行搶答。同時， 門g1處于關(guān)門狀態(tài)，封鎖 cp信號，使定時電路保持00狀態(tài)不變，從而實現(xiàn)功能3的要求。圖4.3.1

17、3.4 報警電路由555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖4.3.2所示。其中555和r1、r2、c1等組成可控多諧振蕩器，其輸出信號由3腳輸出經(jīng)三極管推動揚聲器。圖4.3.24 軟件實現(xiàn)4.1 軟件的編程代碼 s1 bit p1.0 s2 bit p1.1 s3 bit p1.2 s4 bit p1.3 org 0000h ljmp main org 0030hmain: mov p1,#0ffh loop: jb s1,lop acall d1 jb s1,lop ljmp out1lop: jb s2,lop1 acall d1 jb s2,lop1 ajmp out2lop1: jb s

18、3,lop2 acall d1 jb s3,lop2 ajmp out3lop2: jb s4 lop3 acall d1 jb s4,lop3 ajmp out4lop3: ljmp loop out1: clr p1.4 clr p3.3aa: ajmp aaout2: clr p1.5 clr p3.3bb: ajmp bbout3: clr p1.6 clr p3.3cc: ajmp ccout4: clr p1.7 clr p3.3dd: ajmp ddd1: mov r1,#0ffhd2: mov r2,#0ffhd3: djnz r2,d3 djnz r1,d2 ret end5 調(diào)試結(jié)果在試驗箱上按各個單元電路分別組裝搶答器、定時譯碼顯示電路、控制電路和報警電路。然后按照以下步驟進行調(diào)試：組裝調(diào)試搶答器電路，并使之能正常工作。組裝調(diào)試定時電路。輸入1hz的時鐘信號，觀察電路能否進行倒計時，并注意倒計時到零，電路能否輸出低電平有效的信號。組裝調(diào)試報警電路和控制電路，并使之能正常工作。整機聯(lián)調(diào)，注意各單元電路之間的時序配合關(guān)系。然后檢查電路各部分的功能，使其滿足設(shè)計要求。6 小結(jié)本文以74ls19