数电课程设计---8路智力竞赛抢答器.doc

机械与电气工程学院数字电子技术课程设计报告姓 名：杨广学 号：091290139班 级：09电自1班指导教师：严金龙 李燕宁波大红鹰学院ningbo dahongying university 8路智力竞赛抢答器1 设计任务与要求1.1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个代表队参加比赛，其编号分别是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，分别是s0、s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7。（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）抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在led数码管上显示选手的编号，同时扬声器发出音响提示 此外要封锁输人电路，禁止其他选手抢答，并将优先抢答选手的编号直保持到主持人将系统清零为止。1.2 扩展功能（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间长度可以由主持人设定（如30 s）。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的音响，音响持续时间为0.5 s左右。（2）参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效；有效抢答结束定时器停止工作显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。（3）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后做无效抢答，时间显示器上显示00。2 设计原理定时抢答器的总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答；扩展电路完成定时抢答的功能。图1- 1定时器总体框图 图1所示的定时抢答器的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间；当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器发出音响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时开始。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手在超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：（1）优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码电路显示编号；扬声器发出短暂音响，提醒节目主持人注意。（2）控制电路要对输人编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答。（3）控制电路要使定时器停止工作，时间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。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关使系统回复到禁止工作状态，以便进行下轮抢答。3 电路设计3.1 抢答电路抢答电路的功能有两个：是能分辨选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。方案一：选用优先编码器74ls148和八d锁存器74ls573（或74ls373）可以完成上述功能。通过74ls573可以一次性锁存八个信号输入的功能，将八个抢答的信号送给它29的八个输入管脚，再将它1912的八个管脚接74ls148的优先编码信号输入的八个管脚，最后通过优先编码器的gs端经相应门电路处理后接锁存器的锁存端进行锁存。74ls573管脚与功能如图3-1所示。图3- 174ls573管脚与功能方案二：选用优先编码器74ls148和rs锁存器74ls279可以完成上述功能，其电路组成如图3-2所示。图3- 2抢答器电路其工作原理是：当主持人的控制开关处于“清除”位置时，rs触发器的端为低电平，输出端（4q1q）全部为低电平，于是74ls48的0，显示器灭灯；74ls48的选通输入端0， 74ls48处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到“开始”位置时，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，等待输入端、 、输人信号。当有选手将键按下时（如按下s5，74ls148的输出000，0，经rs锁存器后，ctr1，b1，74ls279处于工作状态； 4q3q2q101，经74ls48译码，显示器显示“5”。此外，ctr1，使74ls148的端为高电平74lsl48处于禁止工作状态，封锁了其他按键的输人。当选手按下的键松开后，74ls148的为高电平；但由于ctr维持高电平不变，所以，74ls148仍处于禁止工作状态，其他按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制开关s，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。最终方案：经过对比以上两种抢答电路，我们最终选择实验室有所有现成芯片方案二（在最后的方案里对方案二也进行了修改）。抢答与按键电路如图3-3和图3-4所示。为了连线方便，图中使用了大量的网络标号，如“rbo”、“a0” 、“a1” 、“a2”等。完整电路原理图请看附录。图3- 3抢答电路通过proteus isis 7.8仿真得图3-2的抢答电路未能实现所需的抢答要求。主要为74ls279的最右边个rs触发器输出q端接74ls148的时，在电路工作状态主持人控制开关不能实现“清零”后再“开始”让抢答电路继续工作。经过改进得如上图3-3完成了抢答电路要求。rbo从图3-9中产生。图3- 4抢答按键电路图3-4中的8个按钮现实中用1个八位拨码开关代替，简化材料的同时又更加贴近真实抢答过程中选手会一直按着按钮的这种情况的模拟。如果电路中再增加一个74ls83到优先编码器与显示译码器之间，实现二进制码的加一操作可以使数码管从18数码的显示可更加贴近真实抢答中的显示内容，同时可以去掉图3-4中的与门。本电路中的与门为对抢答时“0”信号的特殊处理，避免抢答时“0”号按钮按下而数码管中不显示“0”的情况。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3-1所示。表3-174ls148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3-2所示表3-2共阴极数码显示器的功能表十进制a3a2a1a0abcdefg0000011111101000101100002001011011013001111110014010001100115010110110116011000111117011111100008100011111119100111100113.2 定时电路节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间长度，通过预置时间电路对计数器进行预置。主持人按键电路如图3-7所示。现选用十进制同步加减计数器74ls192进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供，具体电路如图3-5与图3-6所示。图3- 5定时器减计数电路在现实调试中两个74ls192的第5管脚同时接5v高电平才能使计数器正常减计数。不然会发生无法借位的情况。图3-5中74ls192输入所用的“0”、“1”的逻辑开关，在实际电路中使用一侧接地的拨码开关代替。拨码开关导通时，输入为“0”；拨码开关断开时，输入为“1”（ttl悬空的输入默认为高电平）。表3-474ls192的功能表图3- 6定时器1秒脉冲发生电路555定时器构成一个多谐振荡器，产生一个周期接近1秒方波信号从第3管脚输出。而接一个与非门是为了对方波信号整型。555定时器的振荡频率计算公式为：图3-6中r11=15k，r12=68k，c2=10uf带入公式得：由以上计算得555电路产生的方波周期约为1秒。图3- 7主持人按键与抢答指示灯电路由于光比声音在空气中的速度快，而每个抢答按钮与提示开始抢答的信号距离不一定相等，所以图3-7的电路中使用led的熄灭模拟主持人按下按钮后提示选手开始抢答的现象。即图3-7中d3灯灭时，选手开始抢答，同时图3-5中数码管显示每秒减一个数字，直到显示为零。3.3 报警电路本电路采用较为经典的蜂鸣器控制电路。当tcd3接收到低电平，pnp的三极管q2（本电路中使用8550）饱和导通，则蜂鸣器发出声音；当tcd3接收到高电平（5v电源的高电平），则蜂鸣器不发出声音。图3- 8声音报警电路3.4 相关逻辑电路逻辑控制电路是抢答器设计的关键。它要完成以下三项功能：（1）主持人将控制开关sw1拨到图3-7显示的状态为定时器减计数电路置数，也是抢答器总复位状态。当控制开关sw1拨到另一个位置时，抢答电路和定时电路进人正常工作状态。（2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。（3）当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。根据上面的功能要求以及前面所有电路，设计的逻辑控制电路如图3-9所示。图3- 9相关逻辑控制电路图3-9中，u2:b、u2:c、u2:d的三个与非门通过反演律组成一个或门（5、9脚悬空即为高电平）。u12:c、u12:d、u16:a的功能与前面相同。反演规则：i.变换时应保持原函数运算顺序不变。ii.变换运算符号的优先顺序，遵循 “先进行括号里的运算变换，再进行逻辑乘的运算变换，最后进行逻辑加的运算变换”。iii.不属于单个变量上的非号应保留不变。当74ls279输出的a0、a1、a2有信号时，则rbo为高电平，实现74ls148封锁输入。由图3-9得逻辑函数表达式如下：rbo=(a0+a1)+a2= a0+a1+a2tcd4=rbo= (a0+a1+a2)tcd2=(tcd4)(d0) 注：d0在图3-4中tcd3=(tcd2)(tcd)dclk=(clk)(tcd3) 注：clk在图3-6中表3-4函数rbo与tcd4的真值表输入输出a0a1a2rbotcd40000100110010100111010010101101101011110当74ls279输出为零的二进制码，即a0、a1、a2都为0时，不能使rbo为1，因而不能实现74ls148封锁输入。在本抢答器电路中对0号按钮（抢答选手对应的0号）做了特殊处理。u15:b中只要tcd3=0则使dclk不能随着clk的变化而变化，74ls192就不会计数。4元器件的使用列表表3-5元器件清单元器件数量74ls192274ls48374ls148174ls279174ls00274ls081ne55518位拨码开关2一位7段共阴数码管310k电阻91k电阻315k电阻168k电阻110电阻13的led10.1uf无极性电容110uf有极性电容11n40071电源开关按钮18550三极管1蜂鸣器1小型面包板7导线若干5仿真结果仿真效果良好，完成所有设计要求。proteus isis 7.8电路仿真原理图如附录所示。6 设计体会经过这次课程设计的学习，我确实学习了很多知识，真正的感受到了理论联系实际的重要性，以及这之间莫大区别，到最后看着自己的结果心里还是感到很欣慰的。在课程设计期间我懂得了怎样利用网上的资源和图书馆里的资源，通过网上的资源和图书馆的资源我了解了许多电子元件的工作原理，如：74ls121、74ls48、74ls192等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用电子设计软件如：proteus等，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。同时我深刻的体会到实际与理论有很大的区别。在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。特别是在仿真过程中对参数的改进和电路图的查找过程中，我深有体会。我认为这次实习不仅仅学习了软件知识，还提高了我们专业素质。完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了数电的知识及相关专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。实践是检验真理的唯一标准。理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。这将有助于我今后更加明确学习的方向，可认识到自己的不足，确定自己的目标，从而更加努力的学习。只有这样我们才能真正的去掌握它，真正的去运用它。虽然只是初步学会了数字抢答器的设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪