数字电子技术基础课程设计（论文）-智力竞赛抢答器.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 数字电子技术基础数字电子技术基础课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：智力竞赛抢答器智力竞赛抢答器 院（系）：院（系）：电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专业班级：专业班级： 电子电子091091 学学 号：号： 090404012090404012 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2011.12.122011.12.122011.12.232011.12.23 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息 工程 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号090404012学生姓名专业班级电子091 课程设计 题目 智力竞赛抢答器 课程设计（论文）任务 设计参数： 1五人参赛每人一个按钮，主持人一个按钮， 按下就开始； 2每人一个发光二极管，抢中者灯亮； 3有人抢答时，喇叭响两秒钟； 4答题时限为 10 秒钟，从有人抢答开始，用数码管倒计时间， 0、9、81、0；倒计时到 0 的时候，喇叭发出两秒声响。 设计要求： 1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应 用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁 简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行 方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐 个设计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左 进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 进度计划 1、构思出各种总体方案，绘制结构框图。 （2 天） 2、考虑器件的来源，敲定可行方案。 （2 天） 3、设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设 计。 （2 天） 4、绘制电路图并标出说明（2 天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 摘 要 摘要也称内容提要，概括研究题目的主要内容、特点，文字要精练。中文摘要 一般不少于 200 字，外文摘要的内容应与中文摘要相对应。 关键词：关键词 1；关键词 2；关键词 3；关键词 4 注意：关键词不少于 2 个 目录 第 1 章 设计要求 1.1 智力抢答器要求 1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及 应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的 繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定 可行方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路， 逐个设计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用 左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 1.2 电路设计 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 1.1.1 选手抢答按键 主持人控制秒脉冲产生 优先编码 时序控制 定时电路 译码显示 锁存功能 译码显示 报警电路 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。 第 2 章 基本原理电路 2.1 原理与分析 其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到清除状态，抢答器处于 禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置开始状态， 宣布开始抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时 间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当 一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次 抢答必须由主持人再次操作清除和开始状态开关。 单片机 控制 PLC 控制 显示输出 2.2 原来框图 第 3 章 电路元件的选择与参数 3.1 8 线-3 线优先编码器 74LS148 74ls148 逻辑表达式 使能端 OE(芯片是否启用)的逻辑方程： OE =I0I1I2I3I4I567IE 当 OE 输入 IE=1 时，禁止编码、输出(反码)： A2,A1,A0 为全 1。 当 OE 输入 IE=0 时，允许编码，在 I0I7 输入中，输入 I7 优先级最高，其 余依次为：I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0 等级排列。 从以上的的功能表中可以得出，74ls148 输入端优先级别的次序依次为 I7，I6，I0 。当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端没 有低电平输入时，输出端才输出相应该输入端的代码。例如：I5=0 且 I6=I7=1(I6、I7 优先级别高于 I5) 则此时输出代码 010 (为(5)10=(101)2 的反 码)这就是优先编码器的工作原理。 3.2 十进制可逆计数器 74LS192 该器件为双时钟工作方式，CP+是加计数时钟输入，CP-是减计数时钟输 入，均为上升沿触发，采用 8421 BCD 码计数。 Cr为异步清 0 端，高电平有效。 LD为异步预置控制端，低电平有效，当Cr=0、LD=0 时预置输入 端D、C、B、A的数据送至输出端，即QDQCQBQA=DCBA。 进位输出和借位输出是分开的。 OC为进位输出，加法计数时，进入 1001 状态后有负脉冲输出，脉宽 为一个时钟周期。 OB为借位输出，减法计数时，进入 0000 状态后有负脉冲输出，脉宽 为一个时钟周期。 3.3 BCD-七段显示译码器 74LS47 (1)要求输出 015 时，灭灯输入（BI）必须开始时保持高电平。如果不灭， 则动态灭灯输入（RBI）必须开路或为高电平。 (2)将一低电平直接加于灭灯输入（BI）时，则不管其他输入为任何电平，所 有各段输出都关闭。 (3)当动态灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或者保持高电平而试灯输入 为高电平时，所有各段输出都关闭并且动态灭灯输出（RBO）处于低电平（响 应条件） 。 (4)当灭灯输入/动态灭等输出（BI/RBO）开路或者保持高电平而试灯输入为低 电平时，则所有各段都开通。 (5)BI/RBO 是线与逻辑，作灭灯输入（BI）或动态灭灯（RBO）之用，或两者兼 用 3.4 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极 性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还 有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐 振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定 时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时 器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部 包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压 VCC /3 和 2VCC /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触 发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比 较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为 VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于 VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3， 同时 TR 端的电压大于 VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。555 定时器在抢答器中的应用有单稳态触发器 和多谐振荡器。 3.4.1 NE555 构成的单稳态触发器 由 555 构成的单稳态触发器及工作波形如下图所示，电源接通瞬间，电 路有一个稳定的过程，即电源通过电阻 R 向电容 C 充电，当 V 才上升到 2/3Vcc 时，Vo 为低电平，放电 BJT T 导通，电容 C 放电，电路进入稳定状态。 若触发器输入端施加触发信号（Vi1/3Vcc） ，触发器发生翻转，电 路进入暂稳态，Vo 输出高电平，且 BJT 截止。此后电容 C 充电至 Vc=2/3Vcc 时， 电路又发生翻转，Vo 为低电平，T 导通，电容 C 放电，电路恢复至稳定状态。 如果忽略 T 的饱和压降，则 Vc 从零电平上升到 2/3Vcc 的时间，即为 输出电压 Vo 的脉宽 tw，tw=RCln3=1.1RC。 （a）电路图 （b）工作波形图 3.4.2 NE555 构成的多谐振荡器 由 555 定时器构成的多谐振荡器如下图所示，其工作波形如 b 图所示。 接通电源后，电容 C 被充电，Vc 上升，当 Vc 上升到 2/3Vcc 时，触发器被 复位，同时放电 BJT T 导通，此时 Vo 为低电平，电容 C 通过 R2 和 T 放电， 使 Vc 下降。当 Vc 下降到 1/3Vcc 时，触发器又被置位，Vo 翻转为高电平。电 容器 C 放电所需的时间为 tPL=0.7R2C 当 C 发电结束时，T 截止，Vcc 将通过 R1、R2 向电容器 C 充电，Vc 有 1/3Vcc 上升到 2/3Vcc 所需的时间为 tPH=0.7(R1+R2)C 当 Vc 上升到 2/3Vcc 时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出 端就得到一个周期的方波，其频率为 F=1.43/（R1+2R2）*C （a）电路图 （b）工作波形图 第 4 章 电路设计及仿真 4.1 单元电路设计 4.1.1 抢答器电路 如图，该电路实现两个功能：一是能够过分辨出选手按键的先后，并锁 存优先抢答者的编号，同时译码器显示电路显示编号；二是禁止其他选手之后 按键无效。工作过程：当开关处于清除端时，74LS279 的 RS 触发器段均为 0 信号，所以四个触发器端均输出为 0，此时 ST 为 0，根据 74LS148 功能表可以 看出，该芯片处于工作状态。当开关达到“开始”端时，抢答器处于等待工作 状态，当有选手按下键时，及有一个输入端为低电平，根据 74LS148 功能表可 知，Y1，Y2，Y3 处于一种输出状态，Yex 输出为 0，所以 1Q 输出为 1，74LS47 处于工作状态。根据 2Q，3Q，4Q 的输出，译码器将显示第一个按下键的选手 号码。并且此时 1Q=1，使 74LS148 的 ST=1，所以 74LS148 处于禁止工作状态， 封锁了其他键的再次输入。因为只有 8 名选手，编号从 0000 到 0111，所以 74LS47 芯片的 A3 端不需要用到，所以可以直接置地。如果没有选手按键的话， 七段显示译码器就会一直不亮，直到最后此次比赛结束。抢答器部分仿真如下， 当主持人按下开关可实现清零，再次按下开关开始抢答，如选手 4 按下，数码 管显示 4 并且其他选手无法再次抢答。仿真结果验证了抢答部分电路的设计成 功。 4.1.2 定时电路 电路分为两个部分，一是秒脉冲，由 555 定时器构成的多谐振荡电路，根据 公式振荡周期为 T=0.7（R1+2R2）C，可计算出该振荡器的振荡周期为 1 秒，由于 是矩形脉冲，所以一个周期内发光二极管会发一次光。74192 是可预置时间的减 计数器，对于预置端可以采用十进制 8421BCD 码设置，当 555 振荡器发出一个脉 冲时，74LS192 的 CP-端就接受一个信号，在 cp 脉冲的上升沿预置数就开始自减， 当各位减少到 0 时，成功实现定时功能。 4.1.3 报警电路及秒脉冲产生电路 工作原理： 其工作过程为当一开关闭合时鸣笛系统鸣笛，因为总电路中抢答器的 按钮一按下去，就会有低电平产生，再经过与非门变为高电平使得喇叭的 阳极为正，从而鸣叫，但很快又停止鸣笛，因为鸣笛器正负极都进入高电 平。当定时系统倒计时到 0 时，也可使得其鸣叫，原理如上。 工作原理： 由前面介绍知道，秒信号发生电路由集成电路 555 定时器与 RC 组成的多谐 振荡器构成。需要的芯片有集成电路 555 定时器，还有电阻和电容。上图为其电 路图。 振荡电路是数字钟的核心部分，它的频率和稳定性直接关系到表的精度。因 此选择 555 振荡器构成的多谐振荡器，其中电容 C1 为 47 微法，C2 为 0.01 微法， 两个电阻 R1=R2=10K 欧姆。此时在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波，其 震荡频率为： f =1.43/R1=2R2)C 由上式代入 R1,R2 和 C 的值得，f =1Hz。即其输出频率为 1Hz 的矩形波信 号。 4.1.4 时序控制电路 工作原理： 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： （1）主持人将控制开关拨到开始位置时，抢答电路和定时电路进人正常抢答 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 根据上面的功能要求以及图六，设计的时序控制电路如图九所示。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 的输人使能端 。图八的工作原理是：主持人控制开关从清除位置拨到 开始位置时，来自于图六中的 74LS279 的输出 1Q=0，经 G3 反相， A1，则 时钟信号 CP 能够加到 74LS192 的 CP 时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时， 在定时时间未到时，则定时到信号为 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， 1Q1，经 G3 反相， A0，封锁 CP 信号，定时器处于保持工作状态；同时， 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，则定时到信号为 0，1Q =1，74LS148 处于禁止工作状态，禁止选 手进行抢答。同时， 门 G1 处于关门状态，封锁 CP 信号，使定时电路保持 00 状 态不变，从而实现功能的要求。集成单稳触发器 74LS121 用于控制报警电路及 发声的时间，其工作原理如下：当主持人将开关拨到开始键时，S 信号从 0 变成 1，是上升的，但是定时到信号还是 1，Yex 由于 74LS148 已经开始工作所以为 0，所以根据 74LS121 功能表可以看到 PR 会有一个高电平输出，所以扬声器就会 发出声音。在最后结束时候，如果没有选手按键但是时间已经结束，这时候 S 是 1，Yex 因为没有选手按键而为 1，而又因为定时到信号而又有一个负脉冲输入， 所以 PR 会输出一个正脉冲，从而使扬声器发声。假如有选手按键，Yex 会从 1 变 成 0，定时到信号还是 1，所以最后也会有一个正脉冲输出，扬声器也会发生的。 4.2 整体电路 整体电路图如图 4.2.1，可实现如下功能：接通电源后，主持人将开关拨到 清除状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主 持人将开关置开始状态，宣布开始抢答器工作。定时器倒计时 10 秒，扬声器 给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、 编号显示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。 如果再次抢答必须由主持人再次操作清除和开始状态开关。 第 5 章 使用的元器件 74LS1481 片 74LS2791 片 74LS483 片 74LS1922 片 NE5552 片 5102 只 1K9 只 4.7k l 只 5.1k l 只 100kl 只 10k1 只 15k1 只 68k l 只 电阻 50k1 只 0.1uF 1 只 10uf 2 只 电容 100uf 2 只 共阴极显示器2 只 开关6 只 5.1 第 6 章 学习体会 子技术课程设计”是电子技术课程的实践性教学环节，是对我学习电子技 术的综合性训练。在我以前我从来没有真正的搞过这样的实