数电八路抢答器设计报告.doc

华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 I 八路抢答器设计报告 摘摘 要要 本文介绍了用 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 除具有基本的抢答功能外 还具有定时和报警功能 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 抢答电路数码管上显示选手编号 蜂 鸣器发生报警 二极管发光 定时电路显示倒计时时间 若在规定的时间内无人抢答 定是电路显示 00 同时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 关键词 74 系列 八路 抢答器 设计 定时 报警 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 II 目录 摘摘 要要 I 1 1 数字电路八路抢答器原理图设计数字电路八路抢答器原理图设计 1 1 1 设计任务及系统功能简介 1 1 2 总体方框图 1 1 3 单元电路设计 2 1 3 1 抢答电路设计 2 1 3 2 定时电路设计 4 1 3 3 秒脉冲产生电路 5 1 3 4 时序控制电路设计 5 1 3 5 总电路设计 6 1 4 主要芯片介绍 8 1 4 1 74LS148 8 1 4 2 74LS74 9 1 4 3 74LS48 10 1 4 4 74LS192 11 1 4 5 74LS00 12 1 4 6 74LS08 12 2 2 电路仿真电路仿真 13 2 1 软件仿真 13 2 1 1 抢答电路的仿真 13 2 1 2 定时电路的仿真 14 2 1 3 秒脉冲电路的仿真 14 2 1 4 总电路的仿真 15 2 2 硬件仿真 15 2 3 仿真出现的问题 16 2 3 1 软件仿真中出现的问题 16 2 3 2 硬件仿真中出现的问题 16 3 3 焊接焊接 17 3 1 焊接工具 17 3 2 焊接中出现的问题 17 4 4 设计总结设计总结 17 5 5 参考文献参考文献 18 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 1 1 数字电路八路抢答器原理图设计 1 1 设计任务及系统功能简介 1 基本功能 1 抢答器同时供 8 名选手或 8 个代表队比赛 用八个排在一排的开关 选手将按下开关 表明选手抢 答 2 设置一个系统清除 抢答控制和定时电路置数控制的开关 该开关由主持人控制 按下开关 为接 地端 清零处理 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 同时发光 二极管灯亮 并在七段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 2 扩展功能 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 30 秒 当主持人启动 清零 键后 定时器进行减数计时 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 1 2 总体方框图 如图 1 所示为总体方框图 其工作原理为 接通电源后 主持人将开关按到 清零 状态后的一瞬间 抢答 器处于禁止状态 数码显示管处于熄灭状态 同时发光二极管灯不亮 定时器显示设定时间 在这之后 定时器开始倒计时 选手在规定时间内抢答时 抢答器将完成优先判断 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 显示剩余时间 编码器被锁存 禁止下一位抢答 如果需要次抢答必 须由主持人再次操作 清零 开关 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 2 图 1 抢答器总体框图 1 3 单元电路设计 1 3 11 3 1 抢答电路设计抢答电路设计 设计电路如图 2 所示 电路选用优先编码器 74LS148 边沿 D 触发器 74LS74 和七段译码器 74LS48 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 显示电路采用共阴极七段数码显示管 二是禁止其他选手按键 其按键操作无效 工作过 程 主持人按下开关 S8 清零 时 D 触发器的直接复位端接收低电平有效 74LS148 的 0 显示BIRBO 器灭灯 74LS148 的选通输入端 0 74LS148 处于工作状态 当主持人开关松开后优先编码电路和锁存EI 电路同时处于工作状态 即抢答器处于等待工作状态 等待输入端 7 0 输入信号 当有选手将按钮按 II 下时 如按下 S5 74LS148 的输出 210 010 GS 0 经过 74LS74 后 Y Y YY CTR 1 1 74LS74 处于工作状态 4Q3Q2Q 101 经 74LS48 译码后 显示器上显示出 5 BIRBO 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 3 此外 CTR 1 使 74LS148 的为高电平 74LS148 处于禁止工作状态 封锁其他按钮的输入 当选手EI 按下的按钮松开后 74LS148 上的 GS 为高电平 但由于 CTR 维持高电平不变 所以 74LS148 仍处于禁 Y 止工作状态 其他按钮的输入信号不会被接收 这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性 当优 先抢答者回答完为题后 主持人只需再次按下清除按钮 便可以进行下轮抢答 图 2 抢答电路 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 4 1 3 21 3 2 定时电路设计定时电路设计 图 3 定时电路 图 3 可预置时间的定时电路原理及设计 该电路由十进制同步加减计数器 74LS192 减法计数电路 74LS48 译码电路和共阴极七段数码显示管即相关电路组成 具体电路如图 4 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 74LS192 的预置数控制端实现预置 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 主持人按下 清零 开关进行预置数 松开开关将开始计时 并通过译码电路将时间显示在共阴极七段数码显示管上 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 2 BO 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 5 1 3 31 3 3 秒脉冲产生电路秒脉冲产生电路 用 NE555 外接一些电阻 电容产生秒脉冲 电路图如图 4 所示 图 4 秒脉冲产生电路 1 3 41 3 4 时序控制电路时序控制电路设计设计 时序控制电路是抢答器的关键 它要完成以下三项功能 1 主持人将按下控制开关时 EI 端为 0 抢答和定时电路进入正常工作状态 2 当参赛选手按动抢答器开关时 抢答电路和定时电路停止工作 3 当设定的抢答时间到 但无人抢答时 抢答电路和定时电路停止工作 根据上面的功效 设计出如图 5 所示的控制电路 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 6 5 6 4 U12B DM74LS00N 8 9 10 U12C DM74LS00N 4 5 6 U11B DM74LS08N 8 9 10 U11C DM74LS08N CTR TCD CP EI CPD 1 2 3 U12A DM74LS00N 1 2 3 U11A DM74LS08N RST TCD GS 主主主主主 a b 图 5 时序控制电路 a 抢答与定时电路的时序控制电路 b 报警电路的时序控制电路 1 3 51 3 5 总电路设计总电路设计 将抢答电路 定时电路 秒脉冲产生电路 报警电路 外加控制电路 得到八路抢答器的总原理 图 如图 6 所示 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 7 S4 S3 S2 S0 S8 S7 S6 S5 S1 R2 10K R3 10K R4 10K R5 10K R6 10K R7 10K R8 10K R9 10K VCC GND R1 10K VCCGND R10 510 D2 GND BI RBO 4 RBI 5 LT 3 A0 7 A1 1 A2 2 A3 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 VCC 16 GND 8 U2 DM74LS48N GND VCC VCC GND P1 1 Q1 2 Q0 3 DWN 4 UP 5 Q2 6 Q3 7 GND 8 P3 9 P2 10 LD 11 TCU 12 TCD 13 RST 14 P0 15 VCC 16 U8 DM74LS192N 1 P1 1 Q1 2 Q0 3 DWN 4 UP 5 Q2 6 Q3 7 GND 8 P3 9 P2 10 LD 11 TCU 12 TCD 13 RST 14 P0 15 VCC 16 U9 DM74LS192N 0 BI RBO 4 RBI 5 LT 3 A0 7 A1 1 A2 2 A3 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 VCC 16 GND 8 U6 DM74LS48N BI RBO 4 RBI 5 LT 3 A0 7 A1 1 A2 2 A3 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 VCC 16 GND 8 U7 DM74LS48N GND VCC VCC GND VCC VCC GND GNDGND GND VCC VCC VCC GND R14 20K R15 100K C1 10uF GND C7 0 1uF VCC R11 1K R12 20K VCC C2 473 C5 0 1GND LS1 主主主 GND 5 6 4 U12B DM74LS00N 8 9 10 U12C DM74LS00N 1 2 3 U12A DM74LS00N R13 1K D1 1 2 3 U11A DM74LS08N 4 5 6 U11B DM74LS08N 8 9 10 U11C DM74LS08N VCC GND GND f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS1 Dpy Blue CC f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS3 Dpy Blue CC f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS2 Dpy Blue CC VCC VCC C4 0 01uF C3 100uF GND GND GND GND GND I0 10 I1 11 I2 12 I3 13 I4 1 I5 2 I6 3 I7 4 EI 5 EO 15 GS 14 A0 9 A1 7 A2 6 VCC 16 GND 8 U5 SN74LS148N TRIG 2 OUT 3 RST 4 CVOLT 5 THR 6 DISC 7 VCC 8 GND 1 U10 LM555CJ TRIG 2 OUT 3 RST 4 CVOLT 5 THR 6 DISC 7 VCC 8 GND 1 U1 LM555CJ GND 4 CLK 3 D 2 1 Q 5 Q 6 CLR PR U3A DM74LS74AN 10 CLK 11 D 12 13 Q 9 Q 8 CLR PR U3B DM74LS74AN 4 CLK 3 D 2 1 Q 5 Q 6 CLR PR U4A DM74LS74AN 10 CLK 11 D 12 13 Q 9 Q 8 CLR PR U4B DM74LS74AN GND GND 图 6 八路抢答器总电路 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 8 1 4 主要芯片介绍 1 4 11 4 1 74LS14874LS148 74LS148 为 8 线 3 线优先编码器 其真值表和引脚图如下 输入输出 EII0I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0GSEO 1xxxxxxxx11111 01111111111110 0 xxxxxxx000001 0 xxxxxx0100101 0 xxxxx01101001 0 xxxx011101101 0 xxx0111110001 0 xx01111110101 0 x011111111001 00111111111101 表一 74LS148 真值表 图 7 74ls148 引脚图 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 在且电路0 S 正常工作状态下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 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 9 1 4 21 4 2 74LS7474LS74 74LS74 为边沿双 D 触发器 其真值表和引脚图如下 输入输出 SRCPDQQ 01 10 10 01 00 不定 11 110 11 001 11 Q Q 表二 74LS74 真值表 图 8 74ls74 引脚图 如图 8 所示 其中 D 端是 74LS74 的输入端 Q 与Error 是两个输出端 Error 为预置端 Error 为复位端 CP 为时钟输入端 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 10 1 4 31 4 3 74LS4874LS48 74LS48 是一个用于驱动共阴极七段数码显示管的七段译码器 其引脚图如下 12345678 910111213141516 74LS48 BCLTB RBO RBID AGND edcbagfVCC 图 9 74LS48 引脚图 是消隐输入控制端 当 0 时 不管其它输入端状态如何 七段数码管均处于熄灭 消隐 状态 RBIRBI 不显示数字 是测试输入端 当 1 0 时 译码输出全为 1 不管输入 DCBA 状态如何 七 LTRBILT 段均发亮 显示 8 它主要用来检测数码管是否损坏 为波纹隐藏式输出 BIRBO A1 A2 A3 A4 为 8421BCD 码输入端 a b c d e f g 为译码输出端 输出为高电平 1 有效 74LS48 对应选用共阴极七段数码显示管 连接方式如图 10 BI RBO 4 RBI 5 LT 3 A0 7 A1 1 A2 2 A3 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 VCC 16 GND 8 U1 DM74LS48N GND f 9 g 10 e 1 d 2 K 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 K 8 DS3 Dpy Blue CC 图 10 74LS48 与共阴极七段数码显示管连接图 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 11 1 4 41 4 4 74LS19274LS192 74LS192 是双时钟十进制加 减同步计数器 其真值表和引脚图如下 表三 74LS192 真值表 图 11 74LS192 引脚图 CPU 为加计数时钟输入端 CPD 为减计数时钟输入端 LD 为预置输入控制端 异步预置 CR 为复位输入端 高电平有效 异步清除 TCU 为进位输出 TCD 为借位输出 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 12 1 4 51 4 5 74LS0074LS00 74LS00 是四 2 输入与非门 其引脚图如图 12 所示 图 12 74LS00 引脚图 1 4 61 4 6 74LS0874LS08 74LS08 是四 2 输入与门 其引脚图如图 13 所示 图 13 74LS08 引脚图 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 13 2 2 电路仿真电路仿真 2 1 软件仿真 2 1 12 1 1 抢答电路的仿真抢答电路的仿真 将 清零 开关按下之后 可以看到数码管 清零无显示 此时开始工作 各位选手可以抢答 各位选 手的编号分别是从 0 7 如图 14 所示 当第三个选手按下 开关时 数码管上显示 3 同时二极管发 光 蜂鸣器发声 可以看选手选中其他开关时 显示对应的数字 图 14 抢答电路的仿真 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 14 2 1 22 1 2 定时电路的仿真定时电路的仿真 需要对数据预置端进行置数 在 74ls192 将个位对应的 9 10 1 15 端分别置为 0000 而第 2 个 74ls192 的那几个端口分别置为 0011 通过主持人的开关控制置数 屏幕显示为 30 如图 15 所示 给其 一个脉冲源 启动仿真按钮 按下控制开关 可看见数码管从 30 逐渐递减 图 15 定时电路的仿真 2 1 32 1 3 秒脉冲电路的仿真秒脉冲电路的仿真 经过多次仿真 发现仿真过程中如果每隔一秒跳变依次 仿真的现象不够明显 为使现象更明显 在仿真 过程中改变电路的电阻和电容参数 同时用示波器检测输出端的波形 秒脉冲电路的仿真波形如图 16 所 示 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 15 图 16 秒脉冲电路的仿真波形 2 1 42 1 4 总电路的仿真总电路的仿真 主持人按下 清零 开关 开始工作 如有人抢答了 则计数器停止计时 蜂鸣器发声 发光二极管亮 屏幕上会显示选手的编号并保持不变 反之 如果无人抢答 则会一直倒计时 直到 00 蜂鸣器发声报警 2 2 硬件仿真 我们组在焊接之前利用了实验室的数字电路模拟试验箱对我们的电路进行了最后的仿真 检测与调试 我 们分别仿真了抢答电路 定时电路 秒脉冲电路以及总电路 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 16 2 3 仿真出现的问题 在仿真过程中 不管是软件仿真 还是硬件仿真 我们发现了我们电路中存在很多细节问题 通过仿真我 们对这些问题进行了改正 并且完善了我们的电路 2 3 12 3 1 软件仿真中出现的问题软件仿真中出现的问题 1 数码显示管无法显示 在仿真抢答电路时 我们发现数码显示管无法显示数字 经过自己调试和询问 老师 我们把数码显示管在接地之前先接了一个 1000 欧的电阻 同时把仿真软件中数码显示管默认的电 流参数从 5mA 改为了 0 01mA 2 秒脉冲电路与定时电路相连接时 定时电路无法正常倒计时 经过我们多次试验 我们发现秒脉冲电 路在软件仿真中会出现很严重的延迟现象 所以导致定时电路无法正常工作 于是我们用一个脉冲源代替 秒脉冲电路 来检测定时电路 同时我们把一个示波器接在秒脉冲电路的输出端 通过观察脉冲波形 来 检测秒脉冲电路 2 3 22 3 2 硬件仿真中出现的问题硬件仿真中出现的问题 1 自锁开关与非自锁开关的误用 在硬件测试抢答电路时 我们把自锁开关误当做自锁开关 所以导致 电路无法正常工作 2 芯片插反 在仿真中 我们组与其他组都出现了把芯片插反的错误 这错误直接导致我们的芯片烧坏 报废 3 秒脉冲电路输出不正确 在我们测试秒脉冲电路与定时电路时 我们发现数码显示管不是按 1 递减 而是呈现 4 4 2 的递减 经过测试 我们发现我们设计的秒脉冲电路 有两个下降沿 于是我们在输出 端接了个非门 74LS04 然后再连接定时电路 这才能正常工作 华南农业大学珠江学院第三届电子设计大赛报告 17 3 焊接 3 1 焊接工具 我们组焊接用的工具包括 35W 的内热式电烙铁 焊锡丝 烙铁架 小刀 打火机 导线 数字万用表 3 2 焊接中出现的问题 由于是第一次焊接这种比较大的电路 所以我们组负责焊接的同学在焊接中多多少少出现了一些问题 1 在焊接完抢答电路时 我们发现我们的电路完全不能正常工作 当按下一个开关 数码显示管总是显 示不正确 于是我们通过数字万用表一根根线检测 最后发现错误出在一条不起眼的线上 这条线本不应 该接 Vcc 的 但是在焊接过程中因为不小心 导致它与一条接 Vcc 的线藕断丝连地连在了一起 2 电容正负极接反 在焊接完秒脉冲电路时 我们发现我们的秒脉冲电路输出的数据总是为 1 导致用来 检测该电路是否正确的发光二级管总是亮着的 最终导致这个发光二极管烧坏 我们经过检查电路 发现 原因就是一个电容的正负级焊接反了 3 USB 电源输入不稳定 因为我们采用了一个公的 USB 接口给整个电路提供电源 所以我们要把这个 USB 接口接在电脑上 由于 USB 接口的长度不够 所以我们用两跟导线把其接出来了 但是由于焊接时没有把 导线与 USB 接口