八路抢答器数电设计报告.doc

报告评分批改老师 数字电子技术课程设计报告 八路抢答器 专 业 班 级 学生姓名 指导教师 提交日期 目 录第一部分 设计任务1.1 设计题目及要求 41.2 备选方案设计与比较 41.2.1 方案一 41.2.2 方案二 51.2.3 各方案分析比较 5第二部分 设计方案 2.1 总体设计方案说明 52.2 模块结构与方框图 5第三部分 电路设计与器件选择3.1 功能模块一（抢答电路）63.1.1 模块电路及参数计算 63.1.2 工作原理和功能说明 63.1.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等） 73.2 功能模块二（定时电路） 83.2.1 模块电路及参数计算 83.2.2 工作原理和功能说明 83.2.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等） 83.3 功能模块三（报警电路） 93.3.1 模块电路及参数计算 93.3.2 工作原理和功能说明 93.3.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等） 93.4 功能模块四（时序电路） 93.4.1 模块电路及参数计算 103.4.2 工作原理和功能说明 103.3.3 器件说明（含结构图、管脚图、功能表等） 10第四部分 整机电路 4.1 整机电路图（非仿真图） 114.2 元件清单 12第五部分 电路仿真 5.1 仿真软件简介 125.2 仿真电路图 135.3 仿真结果（附图） 13第六部分 安装调试与性能测量 6.1 电路安装 14 （推荐附整机数码照片） 6.2 电路调试 146.2.1 调试步骤及测量数据 146.2.2 故障分析及处理 14课程设计总结 15第一部分 设计任务1.1 设计题目及要求1本课题要求设计一台可供4-8名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。2基本功能：(1)抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮s0 s7表示。(2)设置一个系统清除和抢答控制开关s，该开关由主持人控制。用来控制系统清零（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。即抢答开始后，选手按动按钮，锁存相应的编号，并在编号显示器上显示该编号。同时封锁输入编码电路，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。3扩展功能：(1)抢答器具有定时抢答功能。要求定时器开始倒计时，并用定时显示器显示倒计时时间。(2)参赛选手在设定时间（20秒）内抢答，抢答有效，同时定时器停止倒计时，编号显示器上显示选手的编号，定时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。(3)如果定时抢答时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统扬声器报警（音响持续0.5秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。1.2 备选方案设计与比较1.2.1 方案一在选手抢答前， “清除/起始” 开关s使基本rs触发器输出端q为0，使集成8线-3线优先编码器禁止；当主持人按下“清除/起始”开关s时，基本rs触发器输出端q为1，与优先扩展输出端yex共同作用，使集成8线-3线优先编码器选通输入端st为0，允许编码，等待数据输入。此时优先按动序号的组号立即通过编码器按bcd421码输出，经rs锁存器74ls279将该数码锁存到led显示器上。与此同时，yex（引脚为14）由1翻转为0，与非门g1输出为1，选通输入端st为1，编码器被禁止。此外，在yex由1翻转为0时，还驱动报警电路工作，发出声音。1.2.2 方案二它采用了74ls148来实现抢答器的选号，采用了74ls279芯片实现对号码的锁存，采用了74ls192实现十进制的减法计数，555芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时，采用了74ls121单稳态芯片来实现报警信号的输出。1.2.3 两种方案的分析比较在方案一中，主要多了一个基本rs触发器，以及相对的74ls148引脚与74ls279之间连线的相应改变，这又涉及到之后的提高方案中的连线的改变。它有自身的优点，即基本rs触发器又相当一锁存器（74ls279），它可以对主持人的指令进行进一步的锁存，这样就可以增强它的抗干扰能力，但其线路过于复杂，另外此次实验所用的电路板对电路设计的大小要求很高，而且在布局和焊接上要越精练越好，所以它不是首选方案。而由于方案二已能满足基本设计和提高设计的要求，而且它的原理更简单易懂，直观明了，元件更少，连线更方便，焊接更可靠，且比较容易实现，所以最终选用了方案二。二设计方案2.1 总的设计方案说明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，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。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： 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，然后由译码显示电路显示编号； 扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意； 控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答； 控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，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，以便进行下一轮抢答。2.2 模块结构与方框图图1 定时抢答器总体框图第三部分 电路设计与器件选择3.1 功能模块一（抢答电路）抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的的先后，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。选用优先编码74ls148和rs锁存器74ls279可以完成上述功能，其电路组成如图3-1所示：图3.1 抢答电路其工作原理是：当主持人控制开关处于“清零”位置时，rs触发器的r端为低电平，输出端（4q1q）全部为低电平。于是74ls48的bi=0，显示器灭灯；74ls148的选通输入端st=0，74ls148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，既抢答器处于等待工作状态，等待输入端i7、i6、i5、i4、i3、i2、i1、i0输入信号，当有选手将键按下时（如按下s5），74ls148的输出y2y1y0=010，yex=0，经rs锁存器后，ctr=1，bi=1，此时74ls279处于工作状态，4q3q2q=101，经74ls48译码后，显示器显示出“5”。此外，ctr=1，使74ls148的st端为高电平，74ls148处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松开后，74ls148的yex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，其它按键的输入信号仍不会被接受。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，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。3.2 功能模块二（定时电路）74ls48的7，6，2，3引脚接受来自74ls192的输出信号并把它译码 显示在数码管上。74ls192的9，10，11，15引脚完成时间设定功能，本设计要求定时100秒，所以把左边的芯片的1，15引脚接高电位，期于的全接低位，使的初始时间设定为100秒。555芯片完成产生秒脉冲的功能。工作过程为：抢答开始前，74ls192的置数端为低电位，处于初始状态，数码管显示为100，5引脚接高电位。抢答开始后，秒脉冲冲推动右边的芯片开始倒记时，同时右边芯片产生的信号做为左边芯片的cp信号推动左边的芯片倒记时，完成十进制的倒记时功能。当有人抢答后1q的输出为1，经过非门后变为0，通过与门屏蔽了秒信号，停止记时，完成显示抢答时间的功能。当记到了100秒时，左边的芯片产生的定时到信号输出为低电位，也屏蔽了秒信号，使得数码管显示为00。图3.2定时电路3.3 功能模块三（报警电路）由555定时器和三极管构成的报警电路如图3-3所示：图3.3 报警电路其中555构成多谐振荡器，振荡频率为：f0=1/(r1+2r2)*c*ln2=1.43/(r1+2r2)*c其输出信号经三极管推动扬声器。pr为控制信号，当pr为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振不再工作。3.4 功能模块四（时序电路）时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能： 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态，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。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图3.2和图3.3，设计的时序控制电路如图3.4.1，3.4.2所示：图3.4.1 抢答与定时电路的时序控制电路图3.4.2 报警电路的时序控制电路图中，门g1的作用是控制时钟信号cp的放行与禁止，门g2的作用是控制74ls148的输入使能端st。图3-4（a）的工作原理是：主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时，来自于图3-1中的74ls279的输出ctr=0，经g3反相，a=1，则从555输出端来的时钟信号cp能够加到74ls192的cpd时钟输入端，定时电路进行递减计时，在定时时间未到时，来自于图3-2的74ls192的借位输出端bo2=1，门g2的输出st=0，使74ls148处于正常工作状态，从而实现功能的要求；当选手在定时时间内按动抢答键时，ctr=1，经g3反相，a=0，封锁cp信号，定时器处于保持状态，门g2的输出st=1，74ls148处于禁止工作状态，从而实现功能的要求；当定时时间到时，来自于图3-2的74ls192的借位输出端bo2=0，门g2的输出st=1，74ls148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答，门g1同时处于关门状态，封锁cp信号，使定时电路为00状态，从而实现功能的要求，74ls121用于控制报警电路及发声的时间。第四部分 整机电路4.1整机电路图（非仿真图）4.2元件清单元件序号型号参数数量备注u1，u4,u574ls48各1块4线7段译码驱动器u274ls2791块rs锁存器u374ls1481块8线3线优先编码器u6,u774ls192各1块十进制可逆计数器u85551块ne555u974ls151块三输入与门u1074ls041块非门ds1ds3ld5013块数码管d1led-green1个发光二级管sw1sw3sw-sprt10开关c1,c2c1:10uf c2:0.1uf各1个电容r1r6r1:1ok r2:510r3:10k r4:10kr5:15k r6:68k各1个电阻第五部分 电路仿真 5.1 仿真软件简介在此课程设计中，我们组采用了proteus7.8软件。proteus软件是英国labcenter electronics公司出版的eda工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它eda工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。proteus是世界上著名的eda工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到pcb设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、pcb设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086和msp430等，2010年即将增加cortex和dsp系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持iar、keil和mplab等多种编译器。5.2 仿真电路图5.3 仿真结果（附图） 第六部分 安装调试与性能测量6.1 电路安装工具：电烙铁、镊子、钳子、万用表、砂布、松香、支架台。首先，用砂布将万用板上的氧化剂去除，同时将各元件引脚上的氧化剂去掉。其次，用万用表测试好每一个电阻的阻值，将其标好值。再次，搜所相关信息，查阅芯片资料、确定参数，辨别好各芯片的引脚以及数码管的引脚。最后，按照原理图，用电烙铁将每一个元件正确焊接好。在焊接过程中，要注意电烙铁的温度不要太高，以免烧坏铜片，使其剥落，一般温度控制在270度左右。焊接过程中，使用松香，作为助焊剂。在焊元件时，各个芯片的引脚功能不能混淆，必须了解各个芯片的使用方法，内部结构以及使用时的注意事项，该接电源的一定要接电源，该接地的一定要接地，且不能有悬空。要注意二极管元件的正负引脚，根据不同元件耐热性能尽量减少焊接时间。焊接完毕后用万用表检查是否断路和短路。还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路。6.2 电路调试6.2.1 调试步骤及测量数据 调试工具：万用表，变压器，示波器。（1）在不通电的情况下按照设计电路图检查安装的线路；（2）用指针式万用表“1”档，查找有无虚焊、假焊等接触不良的连线与接点;（3）在加电的情况下进行对单元电路进行逐个检测、调试；（4）在单元电路调试的基础之上，逐步扩大调试范围，找出问题、修改电路参数、直到完全符合设计要求；（5）调试完毕后，比较电路实测的性能和计算机的仿真结果，认识计算机仿真在电路设计中所起的作用；（7）做好调试记录, 包括调试时遇到的电路故障及解决方法、测试结果等。6.2.2 故障分析及处理 我自己的电路在焊接过程中，出现了元件面和焊接面的认识错误，导致自己按照pcb布局焊接，电路不能起到作用。最后，自己重新焊接了一块，认真检查了一遍电路焊接面，发觉了有几个点没有焊接好，重新焊接一次。在不通电情况下，用了万用表检查，无虚焊，电路导通正常。课程设计总结通过本次的课程设计，我学到了不少知识。既有专业方面的知识，又有学习做事方面的知识。通过自己亲自动手设计一个八路抢答器，更加巩固了自己去年所学的数电知识，了解到理论与实际的差别和联系。同时自己明白了一个做事的道理：努力能够把每件事做完，但是，只有认真才能够把每件事做好。从最初的原理图的选择，到最后焊接调试的每一步，我自己在参与制作过程中遇到了不少的问题，同时也得到了同学和老师的帮助。原理图最初是由我在网上查找资料，找到了一个适合的图。最后，在我和同学共同讨论下，选择了一个比较满意的原理图，同时也得到了老师