LED数码管电路设计书.doc

LED数码管电路设计书1设计任务与要求1.1设计要求选择适当的器件设计一个电路，使它能够实现八路定时抢答器。本次课设分基本设计和扩展设计两部分，基本设计为抢答器电路，扩展电路包括定时电路、报警电路、时序控制电路、整机电路。在完成基本设计任务的基础上，可对抢答器进行进一步的完善设计，时期抢答器的功能更具实用性。具体任务： (1) 八组参赛者在进行抢答时（用八个LED数码管）代表，当抢先者按下前面的按钮时，抢答器能准确地判断出抢答者，并以声、光为标志。(2) 抢答器应具有互锁功能，某组抢答后能自动封锁其他各组进行抢答。(3) 抢答应具有一个总开关。(4) 使抢答器具有限时（抢答时、回答问题时）功能，时间到时应发出声响，同时，时间数据要用数码管显示出来。(5) 有选手抢答时时间停止，报警电路发出报警信号，以提示灯光为标志。1.2 功能要求(1) 设计一个智能竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参赛，他们的标号分别是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S、S、S、S、S、S、S、S。(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）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，同时扬声器给出音响提示。此为，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。2总体方案设计 下图1所示为总体方框图。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。当选手在定时时间内按动抢答按钮时，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；扬声器发出短暂响声，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，使系统恢复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答图1 整体电路原理框图3单元模块设计 3.1抢答电路设计抢答电路如下图2所示，抢答电路选用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS279 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。图2 抢答器电路 工作过程：开关SW2置于右端时（相当于“清除”端），RS触发器的 R、S端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的优先编码工作标志端（图中5号端E1）0，使之处于工作状态。当开关S置于开始时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S4），74LS148的输出经RS锁存后，RBI=LT=1,RBO(图中4端) =1,七段显示电路74LS48处于工作状态，3Q2Q1Q=100,经译码显示为“4”。此外，E11，使74LS148 优先编码工作标志端（图中5号端E1）1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的 此时由于仍为E11，使优先编码工作标志端为1，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。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”然后才可能进行。3.2抢答电路所用芯片分析(1)74LS148为8线-3线的优先编码器，其真值表如下：表1 74LS148真值表输 入输 出1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X0111111110010011111111110174LS148的输入端和输出端低电平有效。是输入信号，为三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，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。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。(2)芯片74LS279包含4个RS触发器，其中触发信号为低电平有效，其基本形式如下图所示：图3 74LS27内部结构图当S为低电平、R为高电平时，输出端（Q）为高电平。当S为高电平、R为低电平时,Q为低电平。当S和R均为高电平时，Q被锁在已建立的电平。当S和R均为低电平时，Q为稳定的高电平状态。对S1和S2，S的低电平表示只要有一个为低电平，S的高电平表示S1和S2均为高电平。(3)74LS48引脚图如下图4图4 74LS48引脚图74LS48是共阴极七段译码器，真值表如下图5所示图5 74LS48真值表3.3定时时间电路设计 电路原理：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、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6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。74192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。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG 上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时， 输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。图6 定时时间电路图工作原理为：当开关闭合时PL端为“0”，此时电路置数30，计数器出于保持状态，当开关打开，计数器开始工作，秒脉冲由DN输入从30开始倒计时，U8由0开始减产生递减信号TCD输入到U7的DN端，使其由3变为2，然后U8由9开始减计数，当减到零时再次向高位产生借位信号，按照此种方法进行减计数。同时将时间显示在共阴极七段数码显示管上。3.4定时时间电路所用芯片分析（1）74LS192其功能表如下表2所示表2 LS192功能表输入输出MRPLUPDND3D2D1D0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011加计数011减计数 工作原理：当MR端为高电平时电路清零,UP是递增脉冲输入端,UD是递减脉冲输入端，PL端是置数控制端，其中74LS192还有进位控制端TCU和TCD均为低电平有效，TCU为进位输入端，TCD 为借位输入端。当MR=1时，计数器各个输入端均被清零，计数器的递增计数脉冲UP和递减输入脉冲DN是彼此独立的，这种输入方式称为双脉冲输入，当计数器作为加法器使用时，计数脉冲就从UP输入，此时DN置高电平。当计数器作减计数时，从DN输入，此时UP置高电平。置数端PL端为“0”时，可将数据并行存入。PL端为“1”时，计数器变处于加计数，减计数或者保持状态。3.5脉冲发生电路 脉冲发生电路主要由NE555构成，电路图如图7所示 工作原理为：接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是VCCR12R11C2地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，T导通，C2放电，放电回路为CR11T地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡。因为周期为1秒，所以频率是1赫兹。图7中电容C2的充放电时间分别是：t1=(R11+R12)C2ln20.7(R11+R12)C2，t2=R11C2ln20.7R11C2所以555的3端输出的频率为： f=1/(t11+t12)1.43/(R12+2R11)C2我们采用的电阻和电容值分别是:R11=68K，R12=10K，C2=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲，该电路中，电容C1的作用是抗干扰，提高电压稳定性。图7 脉冲发生电路图3.6 555定时器555定时器的工作原理图如图8所示。555定时器由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。分压电路由三个5k的电阻构成，分别给Cl和C2提供参考电平2/3VCC和l/3VCC。Cl和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚输入大于2/3VCC时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通;当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，则V0=0;正常工作时4接为高电平。5脚为控制端，平时输入2/3UDD作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。如果不在5脚外加电压通常接0.01F电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。图8 555定时器的内部结构555的功能表如下表3所示表3 555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端Q放电管T功能0XX0导通直接清零101X保持上一状态保持上一状态1101截止置11001截止置11110导通清零3.7整体电路图整体电路图如下图9所示图9 整体电路图 d 4仿真部分仿真结果如下图，当把S4闭合时，得到如下图10所示图形图10 仿真波形由此可以看出此电路实现了其正常功能：计时和显示选手的编号。在S4闭合后，再闭合S2、S3，抢答部分显示仍为4，如图11所示图11 仿真结果2由结果可以看出此电路可以阻止其他选手答题。具体仿真结果可参见负责仿真部分同学的报告5电路板的焊接部分焊接过程参见负责焊接部分同学的报告（焊接遵循的原则及注意事项）。焊接后的实物图如图12所示图12 实物图6电路板的调试电路板的调试部分也是由另一同学完成，性能指标测量与误差分析的结果记录与他的报告上。调试结果如下图13所示图13 调试结果图7心得体会上次的模电课设我负责的是仿真部分，在应用Multisim和proteus这两个软件有了一定的掌握，所以这次课设中我选择设计原理部分的设计。我这次负责设计一个多路数字定时抢答器，需要实现许多要求。我通过百度以及查阅相关知识，知道了许多芯片的功能。比如74LSL148是八线-三线优先编码器，74LS279是4RS锁存器，74LS48是四线-七段译码器，74LS192是十进制可逆计数器。为了设计电路图，我弄懂了它们的功能及管脚，以便连线。在实际画图过程中，由于电路比较复杂，易弄错，所以画图时要特别仔细小心，一定不能连错，否则会影响整个电路。连错了也要及时排查，对比，测试，找出错误在哪，因为错误可能在某个电路单元。总体来说，这几次课设我的收获都很大，也得到了很多锻炼，在今后的学习中，我会将这次数字电路课设的