电工与电子课程设计-八路智力竞赛抢答器.doc

学 生 课 程 设 计 报 告 课程名称： 电工与电子课程设计 院 别： 机电学院 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级： 09机械本 姓 名： 学 号： 2009094443010 指导教师： 教务处制 二0一一年 1 月 7 日课程名称：电工与电子课程设计 课程代码： 09401716 实训周数： 1 学 分： 1 实训单位： 机电学院 实训地点： 校内 实训时间：2011.1.4-2011.1.7 目录设计任务及主要技术指标和要求八路抢答器各部分的设计及其原理2.1 抢答电路设计 2.2 定时电路设计 2.3 秒脉冲产生电路设计 2.4 报警电路设计 2.5 时序控制电路设计 2.6 供电电源电路设计2.7抢答总体电路设计元器件清单心得体会 参考文献 一、 设计任务及主要技术指标和要求1、基本功能(1).设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队比赛，他们的编号是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别用8个按钮s0 s7表示。 （2）.给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。（3）. 抢答器具有锁存与显示功能。抢答开始后，若有选手按动按钮，编号立即锁存，并在led数码管上显示出选手的编号，同时扬声器发出报警声响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。（4）设计为抢答电路供电的电源，电源技术指标为：输入交流电220v，输出直流电压5v，输出电流1a。输入电压在220v上下波动10%时，输出电压相对变化量小于2%，输出电阻r0.1，输出最大纹波电压小于10mv。2、拓展功能（选做）(1)抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。（2） 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止（3） 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。二、八路抢答器各部分的设计及其原理此次设计的八路定时抢答器有两种设计方案，第一种方案的总体框图如图1.1所示 图1.1 方案一的总体设计框图 其原理是：主持人按动开始抢答的开关后，最先抢答的选手的电平信号先经过优先编码器，再依次经过数据锁存器，此时已经限制了其他选手的抢答，信号再经过译码器和七段数码显示器，将最先抢答的该选手的编号显示出来，并同时产生报警信号，到此完成的是抢答功能；如果没有人抢答， 30秒减计数器减到00时也会发出报警信号，此是完成计时功能。这种方案原理比较简单，但组装电路比较麻烦，控制电路部分要用几种芯片，相对繁琐。第二种方案的总体框图如图2所示：该方案是将抢答按钮先直接与锁存器而不是优先编码器相连，将最先抢答的选手的编号锁定，再依次经过优先编码器、译码器和七段显示器，最后显示的是抢答选手的编号，经过优先编码器后的信号到单稳态触发器，单稳态触发器又与报警电路直接连接，所以显示编号的同时可以发出报警信号。另外由主持人控制开关和其他部分电路通过门电路实现对抢答电路、定时电路和报警部分电路的控制。 图1.2 方案二的总体设计框图相比之下，第二种方案更好些。它的优点表现在以下几个方面：主持人对整体电路的控制只需几个门电路就可完成，不必用特别的芯片来组成控制电路；更容易实现报警提示功能，在有选手抢答后或者计时开始和结束时；用集成单稳态触发器代替了自己设计的控制电路，既减少了布线使整个电路更直观简单又降低了产生错误的可能性。所以以下的设计方案都是按照方案二进行的。2 八路抢答器各部分电路设计及其原理单元电路包括抢答电路、秒脉冲发生器电路、定时电路、报警电路和时序控制电路。下面将一一介绍。2.1抢答电路设计抢答电路的功能有两个：一是选手抢答后锁存器进行数据锁存，禁止其它选手抢答，二是抢答后的电平信号由优先编码器判断选手编号，并经译码器译码再由显示器显示该编号。电路是由八d锁存器、优先编码器74148和七段译码器7448和七段数码显示器组成。74ls373是常用的八d锁存器，它功能表如表1所示。表1. 芯片74ls373的功能表输出控制端oc使能端cd输出lhhhlhllllq0hz表可知，只有当使能端为高电平时才能将输入信号输出，同时锁存，且此时由功能输出控制端为低电平。74ls148是有八个输入端，三个输出端的优先编码器，它的功能是判断抢答选手的编号。74ls148的功能表如表2所示。表2 74ls148的功能表七段显示译码器7448输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。七段显示译码器一般与七段数码显示器相连，共同构成四输入端的数码显示电路。共阴极数码显示器的功能表如表3所示表3 共阴极数码显示器的功能表十进制a3a2a1a0abcdefg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601100011111701111110000810001111111910011110011抢答器电路（图2.1原理是：当任意一个选手按下抢答按钮后，74ls373开始工作，与输入端对应的输出端为低电平，低电平经过74ls148编码后输出的是一组与输入对应的三位二进制数，再经过译码显示电路将对应的编号显示出来。编码器74ls148工作时输出使能端为高电平，将其连接到锁存器的控制端口，使其由低电平变为高电平，禁止它再工作，即使其他选手再按动按钮，也不会再有输出，也就是完成了锁存功能。图2.1抢答器电路图2.2 定时电路设计本次设计的要求中有一项是有定时抢答的功能，并且一次抢答的时间可以由主持人设定。这就要设计定时电路。定时电路是由两片74ls192、7448和共阴极显示器组成的。其中7448和共阴极显示器共同构成数码显示功能电路在前面的抢答电路中已经介绍过了。两片74ls192是构成两位十进制递减计数器，以实现定时功能。74ls192是具有置数和清零功能的同步十进制减计数器，其功能表如表4所示： 表4 74192的功能表 由以上集成芯片设计的定时电路如图2示。定时电路（图2的工作原理是：首先主持人根据题的难易程度来确定抢答时间，并通过74ls192的置数端将时间输入，抢答开始时主持人将清零开关置低电平，计数器开始递减计数至00，产生报警，计数器停止工作。计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。 图2.2时间的定时电路图2.3 秒脉冲产生电路设计为了准确地计时，设计中不能缺少秒脉冲产生电路，即能产生周期为一秒的脉冲的电路。如图2.3所示为用555设计的秒脉冲产生电路因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。图中电容的充放电时间分别是：t1=r2c1ln20.7r2c.t2=(r1+r2)cln20.7(r1+r2)c. 所以555的3端输出的频率为： f=1/(t1+t2)1.43/(2r1+r2)c 我们采用的电阻和电容值分别是:r1=15k，r2=64k，c1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲 图 2.3 秒脉冲产生电路2.4 报警电路设计报警电路是由555定时器组成的，电路如图2.4所示图中555定时器用来构成多谐振荡器，震荡频率和秒脉冲产生电路中频率的计算方法相同。3端的输出信号经过三级管驱动扬声器，发出报警信号。当4端的输入信号是高电平时，振荡器工作，有报警信号，4端输入低电平时，振荡器不工作，没有报警信号。也就是说需要报警时只需控制输入端就可以了。 图2.4报警电路图2.5 时序控制电路设计控制电路包括控制扬声器发声时间的部分电路和将以上各个部分电路连接起来的电路因为扬声器的发声时间要控制在0.5秒，所以要控制报警电路的输入脉冲的脉宽，也就是脉冲周期。可以选用不可重复触发单稳态触发器74ls121，它的功能表如表5所示。 表5 74121的功能表由功能表可知，当三个输入端的状态不变时输出是低电平，低电平接至报警电路的输入端是不会有报警信号的，只有当输入端有上升延或是下降延（具体如表）时，输出端才会有单次脉冲，将高电平接至报警电路时就会产生报警信号了。这部分控制电路的电路图如图2.5所示: 图2.5控制部分电路图图中的电阻和电容的值可以决定脉冲宽度： tw0.7rc。要求报警时间为0.5秒，所以我们选择电阻r=10 k，电容c=71f 。2.6 为抢答电路供电的电源设计图2.6 直流电源的原理框图如图2.7，用交流变压器把220v交流电压变为7.5v交流电压（变压器功率12w），然后用桥式整流把7.5v交流电压变为峰值10.6v左右的单向脉动电压，用2000f/16v的铝电解电容滤波，把单向脉动电压变为含有交流纹波的直流电压，再用5v输出的线性稳压器7805稳压（注意输出端对地要接一个几百f/10v的铝电解电容抑制可能产生的自激振荡）。关于选择那些元器件的依据（输入交流电220v，输出直流电压5v/1a）如下，线性稳压器7805的额定输出电流是1a，正好满足需要，7.5v/12w输出是小型交流变压器的基本规格之一，而且7805要求的最小输入电压是8v，而7.5v交流电压经过桥式整流滤波后的直流电压是8.6v左右，这个电压正好给要求8v的最低电压留出了一点余量，恰到好处，再低则7805无法正常工作，过高则效率降低，7805会发烫。整流二极管用1n40011n4007，7805的输入滤波电容耐压要比8.6v稍高即留有余量，选耐压16v是必要的，又由于输出电流1a所以容量也要稍大选2000f较好，7805的输出电容可以稍小些，100f（可选200f）以上即可，这些都是最普通的元器件，很容易买到。 图2.7 供电电源整流电路2.7 整机电路设计各部分电路都已经的设计完毕，现在介绍一下总体电路。在部分电路图上已经表示出了它们之间的联系。相同编号的输出端和输入端是要连接在一起的，例如，输出端1要接输入端1，输出端2要接输入端2，依此类推，把各个电路连接起来就是总体电路图了。开关k是主持人控制的，开始时接高电平，清零时接低电平。同时还有主持人的置数开关和选手的抢答开关，分别在定时电路和抢答电路中。图中“1”表示要接高电平+5v,“0”表示接低电平，即接地。下面介绍本次设计的抢答器的使用原理。首先是各个选手分别对应的按钮编号是s0、s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7，抢答后显示器上显示的分别是0、1、2、3、4、5、6、7。 然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为三路：一路与74ls148的e0端与非后变为高电平输出到74373的使能端c，此时锁存器不锁存数据，所以抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零；另一路低电平输出到计数器74ls192的ld端，而cr端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据；三是与集成单稳态触发器74ls121相连，因为是低电平所以没有报警信号。接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74ls192的四个输入端d、c、b、a的高低电平来进行（例如要设定时间为30秒,就将十位的74192的d、c、b、a分别置位为0、0、1、1，而将各位的74ls192的d、c、b、a都置于0）。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此高电平有三路方向：一路输出到集成单稳态触发器74ls121的输入端，使其产生单个周期为0.5s的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能；另一路输出到74ls192的ld端，使其处于高电平而开始减计数；还有一路输出到锁存器的c端；当任意一个选手抢答时，例如2号抢答时，八d锁存器74ls373工作，与输入端相对应的输出端2q输出低电平，则锁存器输出的八位电平经83八位优先编码器74ls148编码输出的a2a0成为与输入信号相对应的三位二进制码001，而74ls148的管脚15（e0）的输出电平由低变高，输出到七段译码显示器74ls48的二进制码经其译码后输出到七段共阴数码管上，则显示器上显示对应的编号1。此时，74ls48的ri/rbo端输出高电平，开关出也输出高电平，二者经过与非门输出低电平，经过与门还是低电平输出到锁存器74ls373的c端，起到所存功能，其他选手若再按动对应按钮也无对应输出，即实现了抢答功能；同时，由于74ls148的e0段输出高电平输出到集成单稳态触发器74ls121的输入端，使其产生单个周期为0.5s的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能；同时，74ls148的gs端输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得无脉冲抵达计数器74ls192的down端。计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能；若没有选手按动按钮，则74ls373输出全为高电平，74ls148也输出高电平，e0端输出低电平至74ls48的灭灯输入ri/rbo端，使得信号经74ls48到显示器上时无显示；若到定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，十位74ls192的借位输出端输出高电平，将此输出高电平输入到单稳态触发器74ls121的b端口，使其产生周期为0.5s的脉冲刺激报警路发声提示；综上所述，这次设计的电路完全可以实现要求中的所有功能下图是整机电路图:元器件清单 表6 元器件清单序号编号 名称数量 器件说明 173ls373 八d锁存器 1片工作电压5v 274ls148 优先编码器 1片工作电压5v 374ls48 七段译码显示器 3片工作电压5v 4 -共阴极七段数码显示管 3片工作电压5v 574ls192 十进制可逆计数器 2片工作电压5v 6 ne555 555计时器 2片工作电压5v 774ls121非重复触发单稳态触发器 1片工作电压5v 874ls00 与非门 1片工作电压5v 974ls08 与门 1片工作电压5v 1074ls32 或门 1片用于报警电路 1174ls04 非门 1片 用于报警电路 11 9013 三极管 1个工作电压5v 12 r1 10k1只连接121的11脚与地 13 r268k2只连接555的6与7管脚 14 r315k2只连接555的7与8管脚 15 r4100k1只连接555的3与三极管 16 r550k1只连三极管发射极与地 17 c171uf1只连121的10与11脚 18 c210uf2只连555的2脚与地19 c30.01uf2只连555的5与1脚 20 c4100uf1只用于发声电路21c52000uf1只用于滤波22c6200uf1只用于抑制振荡23变压器7.5v/12w1只用于降压 24s0-s7弹片开关8只供选手答题25 s8单刀双置开关1只供主持人控制电路26整流二极管1n40011n40074只用于整流27 -蜂鸣器1只8，6v心得体会最后一周的实习竟然是课程设计，太不可思议了。刚刚接到课题的时候，就忍不住一阵好奇，抢答器啊，做都没做过，也没见过，接下来更多想到的是悲剧，因为这几天刚好是复习的时间，哪里会有时间搞这些啊，更何况这个对我们来说挺难的。不过开始设计时遇到的问题不是很多，这让我这种感觉好了一点了，因为老师说这个比较简单，可以有很多资料参考，所以我们刚回来就向图书馆奔去，