《电工电子技术》课程设计-智能抢答器的设计与制作.doc

武汉理工大学电工电子技术课程设计说明书学 号： 0120911350634课 程 设 计题 目智能抢答器的设计与制作学 院自动化专 业电气工程及其自动化班 级姓 名指导教师2011年07月05日课程设计任务书学生姓名： 祁汭晗 专业班级： 电气0906班 指导教师： 石道生 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 智能抢答器的设计与制作 初始条件： （1）可同时供8名选手抢答输入，每人一个开关；（2）稳定显示与输入开关编号相对应的数字0-7；（3）主持人一个开关以控制开始或显示清0（4）当有人抢答时，其对应编号立即显示并锁存，且其他选手被禁止选作: 设计具有定时抢答功能的电路，由主持人预先设定时间要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1） 设计任务及要求（2） 方案比较及认证（3） 系统框图，原理说明（4） 硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明（5） 调试记录及结果分析（6） 对成果的评价及改进方法（7） 总结（收获及体会）（8） 参考资料（9） 附录：器件表，芯片资料时间安排：6月27日6月30日：明确课题，收集资料，方案确定，仿真7月1日7月4日：硬件电路制作与调试7月5日7月8日；报告撰写，交设计报告，答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月目录摘要31设计内容及要求41.1设计内容41.1.1基本内容41.1.2扩展内容41.2 设计要求52电路设计方案52.1智能抢答器总体框图52.2单元电路的设计62.2.1基于RS锁存器的抢答电路62.2.2基于D锁存器的抢答电路82.2.3定时电路102.2.4方案的选择123电路仿真123.1仿真软件Multisim的介绍123.2用Multisim对电路进行仿真133.3仿真结果分析144电路扳的制作与调试144.1电路板的制作144.2电路板的制作过程中的调试155总结165.1课题的实用价值165.2对课题的建议165.3个人心得体会176附录196.1元件表196.2芯片引脚图19参考文献20摘要抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器存在分立元件使用较多，造成每路的成本偏高，而现代电子技术的发展要求电子电路朝数字化、 集成化方向发展，因此设计出数字化全集成电路的多路抢答器是现代电子技术发展的要求。在进行智力竞赛时，需要一种反应准确、显示方便的抢答装置。按照这一要求，并且根据74LS148的编码器与锁存器的功能特点，我们决定用74LS148和其它几块常用的74LS系列数字集成电路设计出了一种带有定时功能的多路抢答器。关键词：抢答器 设计 仿真 定时功能智能抢答器的设计与制作1设计内容及要求1.1设计内容1.1.1基本内容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，他们的编号分别是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的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号。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零为止。1.1.2扩展内容1.抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定(如30s)。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。2.参赛选手在设定的时间内抢答，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，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。1.2 设计要求1.思考用中小规模集成电路组成智力竞赛抢答器电路。2.比较各种方案的优缺点及方案的选择理由。3.画出各单元电路图和总体逻辑框图，并且说明原理。4.正确描述各单元功能，合理选用电路器件，画出完整的电路设计图。5.调试电路与结果分析。6.对成果的总结，并且提出改进方案。7.写出设计总结报告2电路设计方案2.1智能抢答器总体框图本抢答器主要有以下几个部分的设计：抢答器电路设计与定时器电路设计等。图1 智能抢答器总体框图整体框图如图1所示。它由主体电路和扩展电路两部分组成，主体电路完成基本抢答后，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，扩展电路是完成定时抢答的功能。整个电路的工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清零”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，定时器倒计开始。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成工作优先判断、锁存、编号显示。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。2.2单元电路的设计我们知道抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，提供给译码显示电路用；二是要使其它选手按键操作无效。在锁存优先抢答者的编号这个功能中，我们需要用到锁存器。锁存器(Latch)是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。关于锁存器我们可以这样简单的描述：输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，只有在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号。通常只有0和1两个值。常见的锁存器有RS锁存器和D锁存器。针对这种情况，我设计了两种抢答电路，下面一一介绍。2.2.1基于RS锁存器的抢答电路 如图2所示为必做实验电路参考图。电路选用优先编码器 74LS148 和RS锁存器 74LS297 来完成。抢答电路的工作原理:主持人将控制开关S置于“清除”端时，RS触发器的、端均为低电平，4个触发器输出置 全为低电平，使而74LS148的优先编码工作标志端为低电平，使之处于工作状态。锁存器此时不工作。当控制开关S置于“开始”端时，优先编码电路与锁存电路同时处于等待工作状态。当有选手将抢答按键按下时，如编号为3的选手优先按下3号键，则74LS148输出=100，输出经RS锁存后，=1,七段显示电路74LS48处于工作状态，=011,经译码显示为“3”。此外，1，使74LS148优先编码工作标志端为高电平，处于禁止状态，可以封锁其他按键的输入。当按键松开时，由于此时为1依然成立，使得74LS148优先编码工作标志端为高电平，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性及抢答电路的准确性。如有再次抢答需由主持人将控制开关S重新置“清除”端，然后再进行下一轮抢答。 图2 基于74LS279的抢答电路下面介绍一下RS触发器的工作特性：1. 保持状态。当输入端接入=1的电平时，如果基本SR触发器现态=1、=0，则触发器次态=1、=0；若基本SR触发器的现态=0、=1，则触发器次态=0、=1。即=1时，触发器保持原状态不变。2. 置0状态。当=1，=0时，如果基本SR触发器现态为=1、=0，因=0，会使=1，而=1与=1共同作用使端翻转为0；如果基本SR触发器现态为=0、=1，同理会使=0，=1。只要输入信号=1，=0，无论基本SR触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为0态。3. 置1状态。当=0、=1时，如果触发器现态为=0、=1，因=0，会使G1的输出端次态翻转为1，而=1和=1共同使G2的输出端=0；同理当=1、=0，也会使触发器的次态输出为=1、=0；只要=0、=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置1。4. 不定状态。当=0时，无论触发器的原状态如何，均会使=1，=1。当脉冲去掉后，和同时恢复高电平后，触发器的新状态要看G1 和G2两个门翻转速度快慢，所以称=0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。基本RS触发器的逻辑图、逻辑符号和波形图如图3所示。抢答电路中所用芯片74LS279就是由四个RS触发器构成的。（ a）逻辑图 (b) 逻辑符号 (c) 波形图图 3 基本SR触发器2.2.2基于D锁存器的抢答电路电路选用优先编码器74LS148和D锁存器74LS175来完成。抢答电路的工作原理同RS锁存器的抢答电路的工作原理基本相同。不同之处在于RS锁存器的功能由D锁存器取代，其基本原理还是一样的，这里就不赘述了。下图为D触发器组成的抢答电路仿真图：图4基于D锁存器的抢答电路表1是D触发器的真值表：表1 D触发器的真值表下面介绍优先编码器74LS148的工作特性： 74LS148的输入端和输出端低电平有效。是8位输入信号，为3位二进制编码输出信号，1时，编码器禁止编码，当0时，允许编码。是技能输出端，只有在0，而均无编码输入信号时为0。为优先编码输出端，在0而的其中之一有信号时，0。各输入端的优先顺序为：级别最高，逐次降低，级别最低。如果0（有信号），则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按编码，000（见表2 真值表）。优先编码被广泛用于计算机控制系统中，当有多个外设申请中断时，优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。在这个抢答电路中，74LS148首先能判断出优先按键选手的编号，并传递给锁存器优先抢答者的编号，进而提供给译码显示电路用，然后就处在禁止编码状态，使得其它选手按键操作无效。表2 74LS148真值表输 入输 出1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X011111111001001111111111012.2.3定时电路如图5为定时电路的电路仿真图。该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、2个十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图5所示。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74LS192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。图5 定时电路下面介绍显示译码器：二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出信号的电路。也称为变量译码器。若输入端有n位，代码组合就有2n个，当然可译出2n个输出信号。显示译码器由译码输出和显示器配合使用，最常用的是BCD七段译码器。其输出是驱动七段字形的七个信号，常见产品型号有74LS48、74LS47等。在这里的抢答电路 及定时电路中所用到的，都是74LS48。图6 译码器和显示器字符显示器是分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成。电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。而LED数码显示器是最常见的。通常有红、绿、黄等颜色。LED的死区电压较高，工作电压大约1.53V，驱动电流为几十毫安。图6中有七段LED数码管的引线图和显示数字情况。74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。使用时，公阴极接地，7个阳极ag由相应的BCD七段译码器来驱动。 2.2.4方案的选择两种方案相差并不大，在这种情况下，我选择了稍微简单一些的RS锁存器的抢答电路，同时加上后面的定时电路，然后，我将进行仿真，来验证我的方案的正确性。3电路仿真3.1仿真软件Multisim的介绍Multisim是美国NI公司（美国国家仪器公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 作为学生的我们，可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了大家的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在这次的课程设计活动中已经得到了很好的体现。Multisim仿真的内容包括：器件建模及仿真；电路的构建及仿真；系统的组成及仿真；仪表仪器原理及制造仿真。我们可以通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路，可以通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为，可以借助高级电路分析, 理解基本设计特征等等。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。3.2用Multisim对电路进行仿真 首先在Multisim的绘图界面中，将抢答器的电路图完整的绘制出来，经检查无误后开始仿真。当控制开关至于“开始”端，定时器应开始倒计时。模拟按下编号为3的按键后，显示器上应显示数字3。图7为其仿真结果示意图：图7 抢答器仿真结果3.3仿真结果分析从图7可以看出，第一个显示器显示的是抢答选手的编号3，结果与我们设想的一样，定时器有三十秒减少到二十七秒，证明其工作正常，满足题目要求。因此我们可以说，这个电路是没有问题的。现在，我们可以用实物连接电路图了。4电路扳的制作与调试4.1电路板的制作 按照之前的电路图制作出来的电路板由于缺少芯片74LS270的原因，最终没能实现其抢答功能。于是，我们小组的成员在老师的指点下，临时决定改用方案二，即使用D触发器的芯片74LS175来完成这块电路板。图8是我们在安装电路板的过程中，调试时的照片。图8 实物照片为了使电路板看起来简洁明了，也为了节约时间，我们只连接了四路抢答器。接通电源，开关打到预置端。拨动控制开关后，四路触点开关处于待命状态。按下任意开关，显示器显示其对应编码，对应的二极管灯亮。然后再随意按下其他开关，显示器显示数字不变。由此看来，电路板能够完成抢答器的基本功能。4.2电路板的制作过程中的调试问题一：显示器上不显示数字。首先，我们检查电源是否连接好，每个导线是否接触良好。确定这些都没有问题后，我们从后级往前级进行测试，首先用1.52V的电压作用各个笔段,看对应各笔段是否亮,判断是否完好。若完好则继续检测74LS148芯片是否完好。在74LS148的A、B、C、D四个输入端随意输入一组二进制数码，用高低电平表示1和0，并且要用到5V左右的电源电压，看是否能显示数字。无显示的故障原因最终确定为74LS279工作不正常。由于没有替换芯片，于是我们该接74LS175的电路。问题二：若显示器上显示的是不符合要求的数字，即出现乱码。在设计原理正确的前提下，首先检查连线是否正确。确定无误后，通过测试判断74LS148的输出ag与LED管的ag笔段是否连接有错。其方法是74LS148的输出ag分别按规律输入高低电平，观察LED管是否显示相应的数字。如果这个环节正常，则问题在二极管编码电路，再逐一进行检查。经检查后发现，译码器的接地导线接触不良，因此不能正常工作。换一根导线插好即可出现正常显示。问题三：不能锁存。问题在锁存电路，应该从原理上进行分析。我们对09十个数字的显示笔段进行分析，只有0数字的d笔段亮与g笔段灭，其它数字至少有一点不成立。由此可以区分0与其它数字。我们将LED管的a笔段与g笔段的输入信号反馈到锁存电路，通过锁存电路控制锁存端LE输入为0或1，即锁存与否。LED显示器显示任何数字时，均不能锁存。查找电路接线原因，经排查后发现，锁存器的芯片的接地线在改进电路时没有接上，因此不能对电路进行锁存。接上地线后，显示器显示电路可以被锁存。问题四：在测试的过程中我们一定要注意，高低电平的测试电压数值要针对不同的电路而选取不同的数值。比如，针对LED管，高电平只能用1.52V,而在74LS系列芯片的输入端高电平要用到5V左右的电源电压。选高了，会烧管子；选低了，会看不到效果，甚至产生误判断。5总结5.1课题的实用价值工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是必要设备。在这些单位举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。本次课程设计就可以解决这个问题。我们在这次的课程设计中，设计和制作了一个不但低成本并且能很好的满足比赛需要的八路智能抢答器。通过八路智能抢答器的设计实验，要求我们回顾之前所学的数字电子技术的基础理论和基础实验，掌握组合电路、时序电路、编程器件和任意集成电路的综合使用及设计方法，熟悉掌握优先编码器、触发器、计数器、单脉冲触发器、555电路、译码/驱动电路的应用方法，熟悉掌握时序电路的设计方法。这个将“电路基础”、 “模拟电子技术”与“数字电子技术”三门课程的综合课程设计，让我们以实践的方式达到数字实验课程大纲所要求掌握的基本内容。5.2对课题的建议对于这次的课题智能抢答器，我们在设计与制作中仅仅考虑了视觉上的判断，我想，我们可进一步的深入思考，从听觉上改进。例如，选手按下抢答开关时，伴有声音提示；定时器在倒计时的时候有提示应；倒计时结束后有报警音等等，都是下次可以深入研究的地方。5.3个人心得体会转眼间两周数字电子课程设计转眼就结束了，通过这次课程设计，我学会了许多课本上学不到的东西，同时也加强了我的动手、思考和解决问题的能力，受益匪浅。通过各种途径的学习，整体上的设计的大体思路，每一步该实现怎么样的功能，怎么实现该功能，一直到最后实物的完成，我从茫然而无从下手的境地，到最后熟练插线、接电路板、排查问题。在这个过程中，我觉得自己在一步一步的成长、进步着。比如在设计的过程中，为了弄懂74LS192芯片的功能，我从图书馆里借来了好几本书，同时也在网上找了资料再到逻辑功能，经过一番努力终于解决啦。还有其它的芯片的功能也是这样慢慢地琢磨出来的。整个课程设计，我觉得是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，同时平时课间又没有好好的运用额理解个个元件的功能，而且考试的内容有限，所以之前我仅仅停留在理论记忆阶段。而在这次课程设计过程中，我了解很多元件的功能，对其在电路中的使用有更多的认识，同时也拓宽了自己对电路的认知。开始的几天的主要任务是设计和仿真出主体电路。刚刚开始在设计中会遇到这样那样的问题，有时理论上认为是可信的，而在仿真中却出现了这样那样的问题。比如说在设计定时部分的电路时，电路图我认为自己设计的没有问题，而在仿真的是后去出现了问题，就是显示器显示没有倒计时，一直停留在既定时间。其它的都是正确的，经过了反复的检查没什么问题，后来仔细观察，发现是由逻辑门转换成芯片的时候，没有对上号。所以有问题要细心仔细，认真检查，不懂的要及时解决，多与大家交流。电路图画好了，下面就是接线啦，这可是一个比较麻烦的事。首先要测试个芯片是否有问题，电路板有没有问题，以及导线是不是断了。这一系列的工作都是细心的事，容不的半点马虎。在接线的时候要细心和耐心、恒心，这样才能做好事情。首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。同时接好了一步电路以后，最为重要的是检查这部分是不是接对了。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。我发现，从前的学习过程过于浮浅，只是流于表面的理