【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)字式競賽搶答器。 本題要求是：1．設(shè)計制作一個可容納六組參賽的數(shù)字式搶答器，每組設(shè)計一個搶答按鈕供搶答者使用。2．電路具有第一搶答信號的鑒別和鎖存功能。在主持人將系統(tǒng)復(fù)位并發(fā)出搶答指令后，若參賽者按搶答開關(guān)，則該組指示燈亮并用組別顯示電路顯示出搶答者的組別，同時揚聲器發(fā)出“嘀－嘟”的雙音音響持續(xù)2～3秒。此時，電路應(yīng)具備自鎖功能，使別組的搶答開關(guān)不起作用。3．設(shè)置記分電路。每組在開始時預(yù)置成100分，搶答后由主持人記分，答對一次加10分，否則減10分。4．設(shè)置定時電路。30秒時仍無人搶答，則報警電路工作表示搶答時間耗盡并禁止搶答。5．設(shè)置犯規(guī)電路。對提前搶答和超時搶答的組別鳴喇叭示警，并由組別電路顯示出犯規(guī)組別。三、設(shè)計思路（1）本題的根本任務(wù)時準(zhǔn)確的判斷出第一搶答者的信號并將其鎖存。實現(xiàn)這一功能可用觸發(fā)器和鎖存器等。在得到第一信號后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖，即使其他組再次發(fā)出搶答信號也無效。同時還必須注意，第一搶答信號應(yīng)該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效，否則應(yīng)視為提前搶答而犯規(guī)。（2）當(dāng)電路形成第一搶答信號之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的組別，也可以用發(fā)光二級管直接指示出組別。還可以用鑒別出的第一搶答信號控制一個具有兩種工作頻率的交替變化的音頻振蕩器工作，使其推動揚聲器發(fā)出兩個笛音音響，表示該題搶答有效。（3）記分電路可采用3位七段數(shù)碼管顯示，由于每次都是加或減10分，故個位總保持為零，只要十位和百位做加/減計數(shù)即可，可采用兩級十進制加/減計數(shù)器完成。四、參考方案1．總體方案原理框圖：清零命令主持人搶答開關(guān)組別鎖定第一信號鑒別組別顯示(數(shù)碼管)組別顯示(LED)窄脈沖形成穩(wěn)壓電源圖1 數(shù)字式智力競賽搶答器原理框圖定時器犯規(guī)電路音頻信號發(fā)生器預(yù)置記分電路加分(主持人)減分(主持人) 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)置撥至開始狀態(tài)，宣布開始，搶答器工作。搶答定時器30秒倒計時，揚聲器給出聲響提示。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、揚聲器提示等功能。如果再次搶答必須由主持人再次操作清除和開始狀態(tài)開關(guān)。 2． 單元電路參考方案(1)搶答開關(guān)電路 電路如圖２所示。 圖2 搶答開關(guān)電路該電路完成兩個功能：一是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該編號；二是禁止其他選手按鍵操作無效。工作過程：開關(guān)S置于清零端時，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S5），74LS148的輸出 經(jīng)RS鎖存后，1Q=1, =1,74LS48處于工作狀態(tài)，４Q３Q２Q=101,經(jīng)譯碼顯示為５。此外，1Ｑ＝１，使74LS148的 ＝１，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１Ｑ＝１，使＝１，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)重新置于“清除”端，然后再進行下一輪搶答。74LS148為８線－３線優(yōu)先編碼器，圖3為其功能表。 圖3 74LS148的功能真值表74LS48功能說明： 動態(tài)滅零輸入端：低電平有效。當(dāng)＝＝0、且譯碼輸入全為0時，該位輸出不顯示，即0字被熄滅；當(dāng)譯碼輸入不全為0時，該位正常顯示。本輸入端用于消隱無效的0。74LS48外部接線圖思考：圖2所示的搶答開關(guān)電路能否改進？怎樣改進？(2)定時電路由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時間，通過預(yù)置時間電路對計數(shù)器進行預(yù)置，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供?？深A(yù)置時間的電路選用十進制同步加減計數(shù)器74LS192進行設(shè)計。圖4 可預(yù)置時間的定時電路（3）報警電路由555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖14所示。其中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其輸出信號經(jīng)三極管推動揚聲器。PR為控制信號，當(dāng)PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。圖5 報警電路（4）時序控制電路 時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下三項功能： ①主持人將控制開關(guān)撥到開始位置時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進入正常搶答工作狀態(tài)。 ②當(dāng)參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作。 ③ 當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。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6 時序控制電路圖6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，來自圖 2中的74LS279的輸出 1Q=0，經(jīng)G3反相， A＝1，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，1Q＝1，經(jīng) G3反相， A＝0，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，=1，74LS148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。集成單穩(wěn)觸發(fā)器74LS121用于控制報警電路及發(fā)聲的時間。（5）以上各部分電路僅做參考，要求獨立畫出自己設(shè)計的電路圖，說明各部分的工作原理。五、主要儀器與設(shè)備（參考）數(shù)字電路實驗箱 或 EDA 軟件QuartusⅡ集成電路 74LS148—1片，74LS279—1片，74LS48—3片，74LS192—2片，NE555—2片，74LS00—1片，74LS121—1片。電 阻 510Ω—2只，1KΩ—9只，—l只，—l只，100kΩ—l只，10kΩ—1只，15kΩ—1只， 68kΩ—l只。電 容 —1只，10 uF—2只，100 uF—1只。三極管 3DG12—1只。其 它 發(fā)光二極管—2只，共陰極顯示器—3只。六、參考文獻1. 高吉祥主編，《電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗與課程設(shè)計》，電子工業(yè)出版社，2002年出版。2. 歷雅萍、易映萍編，《電子技術(shù)課程設(shè)計》，高等教育出版社3. 謝自美主編，《電子線路設(shè)計、實驗、測試》，華中理工出版社4. 任致程主編，《經(jīng)典集成電路400例》，機械工業(yè)出版社5. 彭介華主編，《電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)》，高等教育出版社，2002年出版。6. 陳大欽主編，《電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗－電子電路實驗、設(shè)計、仿真》，高等教育出版社，2002年出版。7．楊春玲編，《電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教材科，1999年第五題 電子密碼鎖一、設(shè)計目的掌握電子密碼鎖電路的組成、工作原理和設(shè)計方法。熟悉常用數(shù)字邏輯電路的工作原理及使用方法。二、設(shè)計內(nèi)容及要求鎖是人們生活中的常用物品，本題要求用電子元器件設(shè)計一個密碼鎖的控制電路，當(dāng)輸入正確代碼時，輸出開鎖信號以推動執(zhí)行機構(gòu)工作（例如：利用繼電器使電磁鐵吸合拉動物件），并用紅燈亮、綠燈熄滅表示關(guān)鎖，用綠燈亮、紅燈熄滅表示開鎖；1． 在鎖的控制電路中儲存一個可以修改的4位代碼，當(dāng)開鎖按鈕開關(guān)（可設(shè)置成6位至8位，其中實際有效為4位，其余為虛設(shè)）的輸入代碼等于儲存代碼時，進入開鎖狀態(tài)而使鎖打開；2． 從第一個按鈕觸動后的5秒內(nèi)若未將鎖打開，則電路自動復(fù)位并進入自鎖狀態(tài)，使之無法再打開，并由揚聲器發(fā)出持續(xù)20秒的報警信號。3．電子鎖也能做門鈴使用，但響聲應(yīng)與報警聲相區(qū)別。三、設(shè)計思路（1）該題的主要任務(wù)是產(chǎn)生一個開鎖信號，而開鎖信號的形成條件是，輸入代碼和已設(shè)密碼相同。實現(xiàn)這種功能的電路構(gòu)思有多種，例如，用兩片8位鎖存器，一片存入密碼，另一片輸入開鎖的代碼，通過比較的方式，若兩者相等，則形成開鎖信號。又比如說，將4位輸入開關(guān)信號送入4個觸發(fā)器的時鐘輸入端，由開關(guān)按順序給出時鐘脈沖時，使置入最低位的高電平狀態(tài)依次向高位移動，移到最高位即輸出開鎖信號。如此等等。（2）在產(chǎn)生開鎖信號后，要求輸出聲、光信號，其中聲音的產(chǎn)生可以由開鎖信號去觸發(fā)一個音響電路，從而使揚聲器工作。其中的光信號可以用開鎖信號點亮LED指示燈；（3）用按鈕開關(guān)的第一個動作信號觸發(fā)一個作5秒定時的定時器，若5秒內(nèi)無開鎖信號產(chǎn)生，讓揚聲器發(fā)出特殊音響，以示警告，并輸出一個信號推動LED不斷閃爍。四、參考方案（一）．總體方案原理框圖：方案一：以AT89C2051為核心的單片機控制方案； AT89C2051單片機是51系列單片機的一個成員，是8051單片機的簡化版與Intel MCS51系列單片機的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位CPU和閃速存儲器結(jié)合在單個芯片中，因此，AT89C2051構(gòu)成的單片機系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)最簡單、造價最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，減少了硬件開銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價比。內(nèi)部自帶2K字節(jié)可編程FLASH存儲器的低電壓、高性能COMS八位微處理器，89S51單片機矩陣鍵盤控制輸入錯誤鎖定鍵盤延時報警控制電路AT24C02掉電存儲開鎖控制電路指示電路串口顯示電路圖1 單片機控制方案原理框圖電子密碼鎖由單片機電路和機械兩部分組成，此次設(shè)計的電子密碼鎖可以完成密碼的修改、設(shè)定及非法入侵報警、驅(qū)動外圍電路等功能。從硬件上看，它由六部分組成，分別是：LED顯示器，顯示亮度均勻，顯示管各段不隨顯示數(shù)據(jù)的變化而變化，且價格低廉，它用于顯示鍵盤輸入的相應(yīng)信息；無須再加外部EPROM存儲器，且外圍擴展器件較少的AT89C52單片機是整個電路的核心部分；振蕩電路為CPU產(chǎn)生賴以工作的時序；顯示燈是通過CPU輸出的一個高電平，通過三極管放大，驅(qū)動繼電器吸合，使外加電壓與發(fā)光二極管導(dǎo)通，從而使發(fā)光二極管發(fā)光，電機工作?，F(xiàn)在來進行修改密碼操作。修改密碼實質(zhì)就是輸入的新密碼去取代原來的舊密碼。密碼的存儲用來存儲一位地址加1，密碼位數(shù)減1，當(dāng)八個地址均存入一位密碼，即密碼位數(shù)減為零時，密碼輸入完畢，此時按下確認鍵，新密碼產(chǎn)生，跳出子程序。為防止非管理員任意的進行密碼修改，必須輸入正確密碼后，按修改密碼鍵，才能重新設(shè)置密碼。密碼輸入值的比較主要有兩部分，密碼位數(shù)與內(nèi)容任何一個條件不滿足，都將會產(chǎn)生出錯信息。當(dāng)連續(xù)三次輸入密碼出錯時，就會出現(xiàn)報警信息，LED顯示出錯信息，蜂鳴器鳴叫，提醒人注意。在電路中，P1口連接8個密碼按鍵AN1～AN8。BL是用于報警與聲音提示的喇叭，發(fā)光管D1用于報警和提示，L是電磁鎖的電磁線圈。由單片機實現(xiàn)的電子密碼鎖的硬件接線圖參見圖2，由于本課程設(shè)計為數(shù)字電子技術(shù)的課程設(shè)計的內(nèi)容，所以用單片機構(gòu)成的電路只作為方案比較，因此，此部分的軟件設(shè)計略。 圖2 用單片機實現(xiàn)的電子密碼鎖硬件電路圖方案二：以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路控制方案。本課程采用此種方案。輸入按扭開關(guān)組輸入鎖存電路密碼存儲電路開鎖控制電路機械動作構(gòu)件5秒定時電路20秒定時電路聲光指示電路圖3 數(shù)字邏輯控制方案電子密碼鎖原理框圖框圖（二）. 單元電路參考方案1. 電路由兩大部分組成：密碼鎖電路和備用電源(UPS)，其中設(shè)置UPS電源是為了防止因為停電造成的密碼鎖電路失效，使用戶免遭麻煩。密碼鎖電路包含：鍵盤輸入、密碼修改、密碼檢測、開鎖電路、執(zhí)行電路、報警電路、鍵盤輸入次數(shù)鎖定電路等。其電路如下圖4所示： 圖4 鍵盤輸入、密碼修改、密碼檢測、開鎖、執(zhí)行電路開關(guān)K1~K9是用戶的輸入密碼的鍵盤，用戶可以通過開關(guān)輸入密碼，開關(guān)兩端的電容是為了提高開關(guān)速度，電路先自動將IC1~IC4清零，由報警電路送來的清零信號經(jīng)C25送到T11基極，使T11導(dǎo)通，其集電極輸出低電平，送往IC1~IC4，實現(xiàn)清零。 密碼修改電路由雙刀雙擲開關(guān)S1~S4組成（如圖5所示）, 它是利用開關(guān)切換的原理實現(xiàn)密碼的修改。例如要設(shè)定密碼為1458，可以撥動開關(guān)S1向左，S2向右，S3向左，S4向右，即可實現(xiàn)密碼的修改，由于輸入的密碼要經(jīng)過S1~S4的選擇，也就實現(xiàn)了密碼的校驗。本電路有16組的密碼可供修改。 圖5 密碼修改電路 由兩塊74LS112（雙JK觸發(fā)器