数字抢答器的设计及PCB板制作(李红圆).doc

洛阳理工学院 毕业论文 设计 毕业论文 设计 题 目 数字抢答器的设计及 PCB 板制作 姓 名 李 学号 院 系 洛阳理工学院学院 专 业 机电一体化 指导教师 当宝华 职称 讲师 2010 年 5 月 18 日 目目 录录 摘要 1 关键词 1 1 AbstractAbstract 1 KeyKey wordswords 1 引言 1 1 PROTEL 99SE 介绍 2 1 1 PROTEL99SE 系统的组成 2 1 1 1 电路工程设计部分 2 1 1 2 电路仿真与 PLD 部分 2 1 2 PROTEL99SE 的功能特性 2 2 抢答器的系统简介 2 2 1 功能简介 2 3 设计原理与电路 3 3 1 数字抢答器的结构框图 3 3 2 主体电路 4 3 3 扩展电路 8 4 抢答器其他做法 10 4 1 门电路做法 10 4 2 单片机做法 10 5 总结与展望 10 致谢 10 参考文献 11 附录 A PROTEL 整体电路图 11 附录 B PCB 板 12 1 数字抢答器的设计及 PCB 板制作 通信工程 左世宽 指导教师 李秀娟 摘要 抢答器作为一种工具 已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合 抢答器多向着数字 智能化发展 数字抢答器由主体电路与扩展电路两大部分组成 优先编码电路 锁存器 译码电路将输入信号显示 用控制电路和开关启动报警电路 以上两部分组成主体电路 通过定时电路和译码电路将脉冲信号在显示器上输出实现计时功能 构成扩展电路 抢答 器除具有基本的抢答功能外 还具有定时 计时和报警多重功能 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 关键词 抢答器 锁存器 报警电路 译码电路 Design of Digital Answering Device and PCB Board Production Student majoring in Communication Engineering Shikuan Zuo Tutor Xiujuan Li Abstract Responder is a tool that has been widely used in various occasions of intelligence and knowledge competitions Responder develops toword digital intelligence digital answering device extended from the main circuit and the circuit two parts the priority encoder circuit latch decoder input signal display with the control circuit and switch startup alarm circuit these two parts of the main circuit through the regular circuit and decoding circuit will pulse the display output to achieve timing function form expansion circuit Responder addition to a basic function but also with time multiple time and alarm functions Default by the time the default host for the answer in the time switch the system will complete the automatic countdown Key words Responder Latch Alarm Circuit Decoding circuit 引言 抢答器在竞赛中有很大用处 它能准确 公正 直观地判断出第 1 抢 答者 通过抢答器的指示灯显示 数码显示和警示蜂鸣等手段指示出第 1 抢答 者 早期的抢答器只由几个三极管 可控硅 发光管等组成 能通过发光管的 指示辩认出选手号码 现在大多数抢答器均使用单片机或数字集成电路 并且 附加了如计时 得分显示等功能 现代的抢答器一般分为电子抢答器和电脑抢 答器 市场上的抢答器参差不齐 存在着线路复杂 成本较高 稳定性低等问 题 要么制作复杂 要么可靠性低 减少兴致 做为一个单位若专购一台抢答 器虽然在经济上可以承受 但每年使用的次数极少 往往因长期存放使电子器 件的抢答器损坏 再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展 借助逻辑电路 制作一个抢答器 具有数字化 制作方便 结构简单 等诸多优点 2 1 Protel 99se 介绍 Protel99SE 是应用于 Windows9X 2000 NT 操作系统下的 EDA 设计软件 采用设计库管理模式 可以进行联网设计 具有很强的数据交换能力和开放 性及 3D 模拟功能 是一个 32 位的设计软件 可以完成电路原理图设计 印 制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作 可以设计32 个信号层 16 个电源 地层和 16 个机加工层 1 1 Protel99SE 系统的组成 按照系统功能来划分 Protel99se 主要包含以下俩大部分和 6 个功能模块 1 1 1 电路工程设计部分 1 电路原理设计部分 Advanced Schematic 99 电路原理图设计部分包括电路图编辑器 简称 SCH 编辑器 电路图零件 库编辑器 简称 Schlib 编辑器 和各种文本编辑器 本系统的主要功能是 绘 制 修改和编辑电路原理图 更新和修改电路图零件库 查看和编辑有关电路 图和零件库的各种报表 2 印刷电路板设计系统 Advanced PCB 99 印刷 电路板设计系统包括印刷电路板编辑器 简称 PCB 编辑器 零件封装编辑器 简称 PCBLib 编辑器 和电路板组件管理器 本系统的主要功能是 绘制 修 改和编辑电路板 更新和修改零件封装 管理电路板组件 3 自动布线系统 Advanced Route 99 本系统包含一个基于形状 Shape based 的无栅格 自动布线器 用于印刷电路板的自动布线 以实现 PCB 设计的自动化 1 1 2 电路仿真与 PLD 部分 1 电路模拟仿真系统 Advanced SIM 99 电路模拟仿真系统包含一个数字 模拟信号仿真器 可提供连续的数字信 号和模拟信号 以便对电路原理图进行信号模拟仿真 从而验证其正确性和可 行性 2 可编程逻辑设计系统 Advanced PLD 99 可编程逻辑设计系统包 含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器 Waveform 本系统的主要 功能是 对逻辑电路进行分析 综合 观察信号的波形 利用 PLD 系统可以最 大限度的精简逻辑部件 使数字电路设计达到最简化 3 高级信号完整性分 析系统 Advanced Integrity 99 信号完整性分析系统提供了一个精确的信 号完整性模拟器 可用来分析 PCB 设计 检查电路设计参数 实验超调量 阻 抗和信号谐波要求等 1 2 Protel99SE 的功能特性 开放式集成化的设计管理体系 超强功能的 修改与编辑功能 强大的设 计自动化功能 1 2 抢答器的系统简介 2 1 功能简介 设置 8 个按钮 K0 K7 供 8 个选手使用 设置一个由主持人控制抢答器和系统清除开关 K 抢答器由数据锁存和显示功能 开始抢答后 如果有选手按抢答键 那么 该选手的编号立即被所存 并在抢答显示器上显示此编号 同时扬声器响起 封锁输入编码电路 禁止其他选手抢答 抢答选手的编号一直保持到主持人将 系统清零为止 抢答器具有定时抢答功能 当开始抢答后 定时器开始倒计时 倒计时时 3 间设定为 15 秒 如果在设定时间内有人抢答 则扬声器响 停止倒计时 禁止其他人抢答 抢答显示器上上显示选手的编号和倒计时剩余时间 并保持到主持人将系统清 除为止 如果在设定时间内无人抢答则扬声器响 并禁止抢答 抢答器工作流如图 1 抢答器开关 抢答开始倒计时开开始前有人抢答 有人抢答计时结束 无人抢答 扬声器响 显示抢答 着号码停止倒计时扬声器响 显示抢答着编号 答题结束 主持人操作 图 1 抢答器工作流程图 3 设计原理与电路 3 1 数字抢答器的结构框图 如图 2 所示为抢答器的结构框图 工作原理 由主体电路和扩展电路组成 接通电源以后 主持人把开关拨到清零状态 抢答器处于禁止状态 标号显示 灯不亮 定时显示器显示设定时间 主持人将开关拨到开始状态 宣布开始抢 答 定时器开始倒计时 扬声器响声提示 选手可在倒计时时间内抢答 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 4 控制电路 抢答按键优先编码电路锁存器译码电路译码显 示 主持人控制开关报警电路 秒脉冲产生电路定时电路译码电路译码显示 主体电路 扩展电路 图 2 抢答器的结构框图 3 2 主体电路 抢答器电路 电路选用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 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 并锁存优先抢答选手 的编号 同时译码显示电路显示其编号 二是禁止其他选手按键 操作无效 工作过程 开关 K 置于清除端时 74LS279 的四个 RS 触发器的置 0 端均为 0 4 个触发器输出置 0 1Q 0 使 74LS148 的优先编码工作标志端 0 使之处 于工作状态 当开关 K 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 K3 74LS148 的输出经 RS 锁存后 1Q 1 RBO 1 七段 显示电路 74LS48 处于工作状态 4Q3Q2Q 011 经译码显示为 4 此外 CTR 1 使 74LS148 优先编码工作标志端 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 此时由于仍为 1Q 1 使优先编码工作标志端 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 K 开关重新置 清除 然后进行下一 轮抢答 图 3 抢答器电路 5 表 1 74LS148 功能真值表 输入输出 STIN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7Y2 Y1 Y0 YEX YS 1X X X X X X X X1 1 11 1 01 1 1 1 1 1 1 11 1 11 0 0X X X X X X X 00 0 00 1 0X X X X X X 0 10 0 10 1 0X X X X X 0 1 10 1 00 1 0X X X X 0 1 1 10 1 10 1 0X X X 0 1 1 1 11 0 00 1 0X X 0 1 1 1 1 11 0 10 1 0X 0 1 1 1 1 1 11 1 00 1 00 1 1 1 1 1 1 11 1 10 1 图 4 74LS148 逻辑图 图 5 74LS279 逻辑图 输入输出 SRQ 11 011 100 00状态不定 6 表 2 74LS279 真值表 报警电路 由 NE555 定时器和三极管构成的报警电路如图 5 示 NE555 是 属于 555 系列的计时 IC 的其中的一种型号 555 系列 IC 的接脚功能及运用都 是相容的 只是型号不同的因其价格不同其稳定度 省电 可产生的振荡频率 也不大相同 而 555 是一个用途很广且相当普遍的计时 IC 只需少数的电阻和 电容 便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号其中 NE555 构成多谐 振荡器 其输出信号经三极管推动扬声器 PR 为时序控制电路输出的控制信号 当 PR 为高电平时 多谐振荡器工作 反之 电路停振 图 6 报警电路 时序控制电路 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 人正常抢答工作状态 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 图 7 图 8 为时序控制电路 图 7 时序控制电路 1 7 图 8 时序控制电路 2 根据上面的功能要求 设计的时序控制电路如图 7 所示 图中 与门 A1A 的作 用是控制时钟信号 CP 的放行与禁止 2AA 的作用是控制 74LS148 的输人使能端 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 74LS279 的输出 1Q 0 经 7400 反相 A 1 则时钟信号 CP 能够加到 74LS192 的 CPD 时钟输入端 定时电路进行递减计时 同时 在定时时间未到时 则 定时到信 号 为 1 门 2AA 的输出 ST 0 使 74LS148 处于正常工作状态 从而实现要求 当选手在定时时间内按动抢答键时 1Q 1 经 7404 反相 A 0 封锁 CP 信 号 定时器处于保持工作状态 同时 门 2AA 的输出 ST 1 74LS148 处于禁止 工作状态 从而实现功能要求 当定时时间到时 则 定时到信号 为 0 ST 1 74LS148 处于禁止工作状态 禁止选手进行抢答 5 同时 A1A 处于 关门状态 封锁 CP 信号 使定时电路保持 00 状态不变 从而实现功能要求 集成单稳触发器 74LS121 用于控制报警电路及发声的时间 集成单稳态触发器 74LS121 用于控制报警电路及发声的时间 具体原理如下 主要由 555 时钟电路 蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成 单稳态触发器 74121 通过信号 Y3 BO2 S 控制报警与否和报警时间 555 时钟电路产生脉冲时钟 在规定的 时间有人抢答时 Y3 由 1 跳变到 0 74121 有状态 2 即 Q 输出暂态高电平 蜂鸣器连续发声报警 持续时间为 4 3 秒 如果在规定时间内无人抢答 BO2 由 1 跳变到 0 74121 有状态 1 Q 输出暂态高电平 蜂鸣器连续发声报警 1 表 3 74121 功能表 输入输出状态编码 A1A2BQ Q LDHLH dLHLH DDLLH HHDLH H H暂态高电平暂态高电平1 HH暂态高电平暂态高电平2 H暂态高电平暂态高电平 LD 暂态高电平暂态高电平 8 3 3 扩展电路 定时电路 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 9 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 BO2 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 2 图 9 定时电路 9 图 10 标准脉冲产生电路 译码显示电路 七段显示译码器与数码管如图 11 所示 7 段显示译码 74LS48 将锁存器 74LS279 的信号译码 输出给数码管 图 11 译码显示电路 10 输入输出 L T RBIDCBABI RBOabcdefg 011000011111110 11X000110110000 21X001011101101 31X001111111001 41X010010110011 51X010111011011 61X011010011111 71X011111110000 81X100011111111 91X100111110000 101X101010001101 111X101110011001 121X110010100011 131X110111001011 141X111010001111 151X111110000000 BIXXXXXX00000000 RBI10000000000000 LT0XXXXX11111111 表 3 74LS48 真值表 4 抢答器其他做法 4 1 门电路做法 这种做法主要由与非门构成以简单的电路实现了抢答器应具有的功能 但 它完全是用与非门构成 在焊接电路时会有较大的困难 4 2 单片机做法 抢答器由单片机以及外围电路组成 由于采用单片机 使得外围电路非常 简单 功能并不比一般的抢答器少 这个做法首先要掌握单片机 5 总结与展望 电路主要是用 74 系列集成芯片来完成的 在设计的过程中由于芯片的引脚 过多 布线工作不是很方便 有时候会因为某一跟线没有连接好 造成电路的 不稳定 这些都是有待改进的 若利用 AT89C51 单片机及外围接口实现抢答系统 利用单片机的定时器 计数器定时和记数的原理 将软 硬件有机地结合起来 使得系统能够正确地 进行计时 同时使数码管能够正确地显示时间 计分接收的单片机部分利用汇 编语言编写 由于采用汇编语言设计电路 所以编程成功后 硬件电路基本上 不需要调试就可正常使用 即使在设计完毕交给用户使用后 对系统的功能改 进或升级也只是通过改写程序来完成 极大地方便了用户或设计者对电路更新 11 设计中遇到了很多实际性的问题 在