毕业设计（论文）-基于电子技术的八路抢答器.doc

湘潭大学毕业设计说明书题 目：八路抢答器的设计学 院： 职业技术学院 专 业： 机电一体化技术 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期：2012年4月12日 23湘 潭 大 学毕业设计任务书设计题目： 八路抢答器的设计 学 号： 20099202119 学生姓名： 李 斌 专 业： 机电一体化技术 指导教师姓名（职称）： 冷爱莲（讲师）系（教研室）主任： 黄祯祥 一 、主要内容及基本要求： 主要内容: 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛用。违规或超时 有声音及光电显示报警；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；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。 基本要求 : 1. 主要利用电子技术的相关知识完成抢答器硬件电路设计； 2. 设计可预置时间的定时电路,完成工作时钟电路的参数设计计算及器件选择。 3.设计报警电路。每次有违规或超时现象时有声音及光电显示报警； 4.设计时间显示电路,要求用两位显示,时间数字显示为倒计时方式。 二、重要研究的内容：1、 抢答器电路原理组成方框图。 2、 参数设计计算及器件选择。 三、进度安排：各阶段完成的内容起止时间1选题2011.1.10前2收集资料2011.3.10前3分析、设计方案2011.3.103.304完成设计操作2011.4.14.155准备设计说明书初稿2011.4.164.256进行初稿的修改2011.4.265. 87定稿2011.5.1 前四、应收集的资料及主要参考文献：1、 江晓安等 数字电子技术 西安电子科技大学西安电子科技大学出版社， 2004 2、 宋春荣 通用集成电路速查手册山东科学技术出版社，2004 3、 陈大钦电子技术基础实验高等教育出版社，2002 4、 童诗白 数字电子技术高等教育出版社 2001 5、 何小艇等电子系统设计浙江大学出版社，2000 6、 潘松. vhdl实用教程 电子科技大学出版社， 2004 7、 郑家龙等集成电子基础教程高教出版社，2002 8、 康华光. 电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2005 9、 何伟 现代数字系统实验及设计 重庆大学出版社，2005 10、金唯香等. 电子测试技术. 湖南大学出版社，2004 湘潭大学毕业设计评阅表学号 20099202119 姓名 李 斌 专业 机 电 一 体 化 技 术 论文（设计）题目 八路抢答器的设计 评价项目评 价 内 容选 题1是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2难度、份量是否适当。能 力1 是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2 是否有综合运用知识的能力；3 是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4 是否具备一定的外文与计算机应用能力；5 工科是否有经济分析能力。论文质量1 立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表是否完备、整洁、正确；引文是否规范；2 文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3 有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。工作量工作量是否饱满，论文篇幅、图纸等是否达到规定要求。综合评价评阅人姓名（职称）： 年 月 日湘 潭 大 学毕业设计鉴定意见学 号： 20099202119 学生姓名： 李 斌 专 业： 机电一体化技术 毕业论文（设计说明书） 27 页 图表： 15 张论文题目： 八路抢答器设计 内容提要： 本设计说明重点描述了数码显示八路抢答器电路的组成、设计及功能特点，电路采用74系列常用集成电路进行设计，主要运用到编码器，译码器和锁存器，它采用74ls148来实现抢答器的选号，采用74ls279芯片实现对号码的锁存，采用74ls192实现十进制的减法计数，采用555芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时功能，采用74ls121单稳态芯片来实现报警信号的输出。 该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能，若超过抢答时间则抢答无效。 指导教师评语指导教师姓名： 2012年 月 日答辩委员会意见经答辩委员会讨论，同意该毕业设计成绩评定为答辩委员会主任： 2012年 月 日 目 录摘要-3前言-4第一章 设计要求 -51.1基本要求 -51.2提高要求 -5第二章 系统的组成及工作原理-62.1系统的组成框图-62.2系统的工作原理-6第三章 电路设计-73.1方案的选择-73.1.1方案一-73.1.2方案二-83.1.3确定方案-83.2单元电路设计-93.2.1抢答电路的设计-93.2.2定时电路的设计-113.2.3报警电路的设计-123.2.4时序电路的设计-13第四章 电路实验与调试-154.1焊接-154.2调试中出现的问题及解决-15第五章 设计总结-15致谢-参考文献-18附录（元件清单）- 19 摘 要本设计采用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。该抢答器除具有基本的功能外，还具有定时、报警多重功能。主持人通过时间预设供抢答时间系统将自动完成到倒计时。若在规定的时间内抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答、系统的蜂鸣器将会发响，实现报警功能。关键词: 抢答器 八路 定时 报警 前 言 电子技术的优点是价格低廉、使用便利、安全可靠、效率高校，也容易实现产品化发展，随着科技的发展，电子技术不断得到广发的应用，已然成为社会发展的重要部分，与此同时，它也开始向网络技术方面发展，对当今世界的经济进步和人类生活水平的提高起到了重要作用。如今，电子技术也已经渗透到社会生活、学习、生产的各个方面了。关键词 电子技术 社会 发展 1.电子技术的发展 电子技术是在19世纪末、20世纪初发展起来的新型技术，尤其是20世纪发展的最为迅速，应用也最广泛，它在这个时代已经成为科学技术的象征。早在18世纪和19世纪，由于各方生产的需要，电磁方面的研究十分迅速。1895年，h.a.lorentz假定了电子存在；1897年，j.j.thompson用试验找出了电子；1904年，j.a.fleming发明了最简单的二极管(diode或valve)，用于检测微弱的无线电信号；1906年，l.d.forest在二极管中安上了第三个电极（栅极，grid）发明了具有放大作用的三极管，这些都是电子技术发展的里程碑。1948年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管；1958年集成电路的第一个样品见诸于世。集成电路的出现和应用，标志着电子技术已经进入了新的时期。 2.电子技术发展策略 当今社会，新技术不断出现，科技日新月异，同时带动着世界发展和进步。市场经济的确立让我国的经济实力有了很大的提高，各种新技术也随之而来，社会生活的各个角落都与电子技术密切结合，对社会经济的发展又是一种促进，这也必然带动我国电子技术的进步。这个世界是一个科技发展迅速的世界，新技术不仅对社会发展是一种考研，也是一个重要的机会，因此，对于发展电子技术已经是刻不容缓的事情，我们必须制定一系列的电子技术发展计划，例如逐步开发数据库、通信网络软件和通用技术，重视电子技术的产业化和专业法发展，或者建立工程的标准和规范，统一编程和系统，积极发展与电子技术有关系的产业，提高电子技术的发展效率。 3.电子技术的应用 3.1现代电子技术的高速发展促使广播电视业走向产业化 广播电视是一个新兴行业，在短短的几十年间已经有了飞跃的发展，首先，广播电视行业是伴随着现代电子技术的发展而产生的，而在最近的10年中，以数字技术、卫星技术、光传输技术和网络技术为代表的新技术已经给广播电视行业带来了新的变革，技术已经改变了广播电视的节目的制作质量、传输质量和覆盖范围，这些电子技术也正是广播电视发展的重要手段。今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是酒无法实现，例如参赛人数的增加。随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74ls系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。 第一章 设计要求1.1基本要求（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。（3） 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。 1.2提高要求 （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响声，响声持续0.5秒左右。发光二极管灯亮。（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。（4） 按钮到控制中心的距离为20m。第二章 系统的组成及工作原理2.1系统的原理： 图2-1 八路抢答器原理图 输入锁存当八路锁存器74ls373的 s 端为高电平时，锁存器输入端 (1d-8d)的电平能直接送到相应的输出端1q-8q当s端由高电平变到低电平时，锁存器锁存，即输入端电平不能送到输出端，各输出端保持锁存前的电平.先将开关 k 置于2，此时 74ls373 的s端为高电平，其各输入端的高电平直接送到各相应的输出端， 从而使八输入端与非门74ls373 的八个输入端均为高电平，导致其输出为低电平，经非门1后变成高电平，再由或门送到 74ls373 的s 控制端，然后将开关k 置于1，这时由于或门的另一输入仍为高电平，故s控制端仍保持高电平，当八个按钮开关an0-na7 中有一个先按下时，其对应的 d 端变为低电平，此低电平经锁存器送到相应的q 输出端，这时74ls的八个输入端中因有一个端变低电平，所以它的输出端变为高电平，经非门1和或门后，使s控制端由高电平变成低电平，74ls373 执行锁存功能，如果这时 还有按钮按下，锁存器对应的输出端电平也不会变.2.2系统的工作原理：定时抢答器的总体框图如下图2.2： 图2.2 抢答器工作框图 如图所示电路包括主体电路和扩展电路两部分。其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。图2.2所示电路的工作过程是：接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（30s），当主持人将控制开关置于 “开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间按动抢答键时，电路要完成以下功能： （1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；（2）扬声器发出短暂声响；（3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；（4）控制电路要使内定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。当定时时间到，却没有选手抢答，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。 第三章 电路设计3.1方案介绍该方案采用了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。3.1.2 确定方案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。该方案能满足基本设计和提高设计的要求，而且它的原理简单易懂，直观明了，元件少，连线方便，焊接可靠，且比较容易实现。3.2单元电路设计3.2.1抢答电路的设计其工作原理是：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。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抢答器电路图3.2.2定时电路的设计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30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30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30，5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30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 .2 定时电路3.2.3报警电路的设计由555定时器和三极管构成的报警电路如图3-3所示：图3.2.3 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。 3.2.4时序电路的设计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3.2.1和图3.2.2，设计的时序控制电路如图3.2.4所示：图3.2.4(a) 抢答与定时电路的时序控制电路图3.2.4(b) 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3-49(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。 第四章 电路实验与调试4.1焊接 通过实验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊接工艺的重要性：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。同时在电路板上要预先确定电源的正负端，便于区分及焊接。正确焊接各芯片个管脚连接必须查阅各种资料并记录，以确保在焊接过程和调试过程中芯片不被烧坏，同时确保整个电路的正确性。在焊接完后每块芯片都用万用表检测，看是否有短接等，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。4.2 调试中出现的问题及解决方法 （1） 显示电路不稳定问题在完成电路的焊接进入调试阶段时发现抢答器数码管显示选手编号不稳定。主要表现在单选手按下抢答键后数码管显示的不是选手当前号码。因此着手对电路进食检查，首先检查数码管看是否是关节焊接错误，后又检查电路各个芯片管脚接错均未发现问题，最后发现当触动某按键连线时显示正常由此判断可能是因为出现了虚焊，遂将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。（2） 控制开关无法控制电路在调试是发现当按下主持人开关时电路断电，当松开后数码管显示始终为7，经过一个多小时对电路用万用表逐个检查，发现是开关触焊接错误，通过改正焊接后电路能正常工作。（3）数码管不能正常倒计时在进入定时电路调试时，发现数码管不能正常倒计时，出现乱码。对这问题我们检查了芯片是否完好，电路界限是否正确均未发现问题，后发现是由于在焊接时焊线有些地方出现部分短接，于是就将焊线重新理清，数码管也能正常工作了。第五章 设计总结本次基于电子技术对抢答器做出了简单设计，将理论与实践有机地结合，既考查了同学对理论知识的掌握程度，由反映了实际动手能力，更主要的是考查了同学对知识的综合运用以及创新设计思维能力，为今后的发展提供了一次良好的学习环境。针对课设题目八路抢答器，一开始还没有头绪，不会运用所学知识进行有效设计，但通过上网查阅各种类似的设计，去图书馆翻阅相关设计书籍，查阅所提供的芯片功能，确定基本设计方案，又通过仿真验证试验方案的可实行性，虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。同时也使自己认识到：拿下每个课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。只有对课题的充分理解，对各种器件的熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。翻阅各种资料，上网查询填补所需知识的空白是必要的。焊接必须精益求精，一丝不苟，一点的差错都可能导致实验结果错误，因此必须准确无误还要工整，这样才能在调试中能比较轻松进行，也是整个电路可看性更好。调试工作是个精细工作。在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。当最后解决问题时，电路的正确是非常振奋，也很有成就感和满足感。设计的作品主要是用74系列集成芯片来完成的，在焊接的过程中由于芯片的引脚过多，布线工作不是很方便。有时候还因为某一跟线没有焊牢，造成电路的不稳定，这些都是有待改进的。实验效率低，焊接水平不足导致电路稳定性不高，布线比较混乱，这些都有待提高。总之，在设计过程中学到了许多。作为现代的大学生，如果仅停留在以往的层次上，是远远跟不上时代的步伐，也无法使自己立足在竞争如此激烈的社会里，通过此次实习，看到了自己的水平和差距，学要在今后的学习中又进一步的提高。致谢 首先，我要感谢我的指导老师冷爱莲，她严谨细致的作风一直影响着我，是我们学习的榜样，循循善诱的教导和不拘一格的思路给我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中，其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和支持，没有他们飞鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此顺利的进行。此次设计是我再大学遇到的最难的设计、设计内容之广、工作量大，可以说是把以前的课程设计的综合在一起，重点是把握细节、环环相扣、增强逻辑。一个月的设计老师全程追