数电-六路抢答器.doc

课程设计说明书课题名称： 数字式竞赛抢答器 专业名称： 电子信息工程技术 学生班级： 电信0604班 学生姓名： 段 伶 俐 学生学号： 401060506 指导教师： 龙 卓 珉 课程设计任务书数字式竞赛抢答器一、功能要求1、设计制作一个可容纳6组参赛的数字式枪答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。2、给主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。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（16），同时扬声器给出音响提示。同时禁止其他选手抢答。4、抢答器具有定时抢答的功能，抢答时间设定为30秒，当主持人按下开始按钮时，定时器立刻倒计时，并显示。选手在设定的时间内抢答有效。超过时间抢答无效，定时显示器显示00。二、设计步骤与要求1、拟定电路的组成框图，要求能实现所有功能，使用的元器件少，成本低。2、设计并安装电路，要求布线整齐、美观，便于级联和调试。3、测试所设计抢答器的逻辑功能，满足各项功能要求。4、画出整机逻辑电路图。5、写出设计报告。 目 录课程设计任务书1第1章 原理分析 3 1.1定时抢答器的总体框图 31.2方案选择及论证 4第2章 单元电路的设计42.1抢答电路的设计 42.2定时电路的设计 62.3时序控制电路的设计 72.4总电路图10第3章 元器件的介绍 10第4章 安装与调试 14总结15参考文献17附录18第1章 原理分析11定时抢答器的总体框图定时抢答器的总体框图如图1所示。他主要由主体电路和扩展电路两部分组成。主体部分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。扩展电路完成定时的抢答功能。显示电路主持人控制开关主体电路控制电路秒脉冲产生电路显示电路译码电路定时电路优先编码电路抢答按钮译码电路锁存器扩展电路 图 1 定时抢答器的总体框图 图1所示定时抢器的工作过程是：接通电源时，节目支持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定的时间，当主持持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，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，输入电路被封锁，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成下面几个工作：1.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，然后有译码显示电路显示编号；2.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；3.控制电路要使定时器停止工作，时间器上显示抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止，以便进行下一轮抢答。1.2方案选择方案一 采用74LS148优先编码器分辨选手抢答的先后，并通过RS锁存器74LS279锁存抢答者的编号，再经过74LS48芯片译码驱动共阴极数码管显示。方案二采用CC4067作为编码电路的核心元件，当有选手抢答时输出四位相应的8421BCD码即可同时供16位选手抢答。经CC4511七段译码器译码后驱动共阴极数码管显示，同时利用CD4069组成一个多谐振荡器，作为十进制计数器CC4510的CP脉冲使其计数并与D触发器CD4013完成自动锁存的功能。结论：与方案二相比，使用的芯片少、电路简单且同样能实现其功能，故选用方案一。第2章 单元电路的设计21抢答电路的设计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，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。这里选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279完成上述功能，其电路图如图2所示。图2 抢答电路其工作原理是：当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作，当主持人开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待状态，等待输入端I7I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S4）,74LS148的输出Y2Y1Y0=011，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=100，经74LS48译码后，显示器显示出“4”，此外，CTR=1，使74LS148ST端为高电平，74LS148处于禁止工作的状态，封锁的其他按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他按键的输入信号不会被接受，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问题后，有主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，进行下一轮的抢答22.定时电路的设计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，计数器的时钟有秒脉冲电路提供。计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用来对脉冲进行计数，还常用做数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能。计数器的种类很多。按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分有：同步计数器和异步计数器；根据计数进制的不同分为：二进制、十进制和任意进制计数器 ；根据计数的增减趋势分为：加法、减法和可逆计数器；还有可预置数和可编程功能计数器等。目前，TTL和CMOS集成计数器都有较齐全的品种。使用者只需借助于器件手册提供的功能表和引脚排列图，就能正确地运用这些器件。74LS192是同步十进制可逆计数器，其逻辑符号和引脚排列如图3（a）、(b)所示。图3 74LS192芯片引脚74LS192具有下述功能：异步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000 异步置数：CR=0，=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0保持： CR=0，=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原态加计数：CR=0, =1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数减计数：CR=0, =1，CPU=1，CPD= CP，Q3Q2Q1Q0按减法规矩。利用集成计数器芯片可方便地构成任意（N）进制计数器。方法：反馈归零法：是利用计数器清零端的清零作用，截取数过程中的某一个中间状态控制清零端，使计数器由此状态返到零重新开始计数。把模数大的计数器改成模数小的计数器。关键：是清零信号的选择与芯片的清零方式有关。异步清零方式以N作为清零信号或反馈识别码，其有效循环状态为0N-1；同步清零方式以N-1作为反馈识别码，其有效循环状态为0N-1。还要注意清零端的有效电平，以确定用与门还是与非门来引导。 反馈置数法：是利用具有置数功能的计数器，截取从Nb到Na之间的N个有效状态构成N进制计数器。其方法是当计数器的状态循环到Na时，由Na构成的反馈信号提供置数指令，由于事先将并行置数数据输入端置成了Nb的状态，所以置数指令到来时，计数器输出端被置成Nb，再来计数脉冲，计数器在Nb基础上继数直至Na，又进行新一轮置数、计数。关键：是反馈识别码的确定与芯片的置数方式有关。异步置数方式为Na =Nb+N作为反馈识别码，其有效循环状态为NbNa；同步置数方式以Na =Nb+N-1作为反馈识别码，其有效循环状态为NbNa。还要注意置数端的有效电平，以确定用与门还是与非门来引导。原理及设计：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7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 图4 可预置时间的定时电路 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。下面结合图7具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。结合图7，图中电容C的放电时间和充电时间分别为1秒 。 于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为 50HZ，结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得 ，即秒脉冲。 23时序控制电路的设计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，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。 当在规定时间内有选手抢答，此时要求抢答器停止工作并封锁输入，并显示抢答时间，即74HC390停止计数，此时用抢答电路中的1Q输出信号通过定时电路的控制电路控制CPD时钟信号的输入。规定时间到，抢答部分无效，74LS148封锁输入，这里用锁存的BO低电平信号通过抢答电路的控制电路控制74LS148的ST端，使ST=1；同时定时电路停止计数并显示数字0。根据图2与定时器的功能要求，下面是具体的控制电路部分： (其中W是图2中的锁存输出信号)图5 定时和抢答电路的时序控制电路其工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自抢答电路中RS锁存器的输出1Q=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能加到74HC390的CP0时钟输入端，定时电路进行加计时。同时，在定时时间未到时，则W=1，门G2的输出 =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 =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，经图5锁存W =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0状态不变，实现了功能。2.4 整机电路图图6第3章 元器件的介绍该设计用到较多集成电路电路芯片，在此给出其管脚图和部分功能介绍：74LS279RS锁存器，当R=1，S=0时，输出为；当R=1S=1时，锁存器具有保持功能，将输出一直保持为1，达到锁存的目的。输入1 2 输出 Q0 0 00 X 1 X 0 1 1 1 0 1 1 1 1110没改变 表174LS279 锁存器功能表2.下图为74LS148的功能介绍，ST为使能端，控制芯片的工作；当无输入时，YEX=1，有输入时，YEX=0。其功能真值表如下输入输出0 1 2 3 4 5 6 72 1 0 1X X X X X X X X1 1 11 101 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 00X X X X X X 00 0 0 0 10X X X X X X 0 10 0 1 0 10X X X X X 0 1 10 1 0 0 10X X X X 0 1 1 10 1 1 0 10X X X 0 1 1 1 11 0 0 0 10X X 0 1 1 1 1 11 0 1 0 10X 0 1 1 1 1 1 11 1 0 0 100 1 1 1 1 1 1 11 1 1 0 1 表2 74LS148功能表74LS48译码器图7 74LS48译码器管脚分布图原理说明：开关S置于清零端时，RS触发器的输入端R均为，个触发器输出置，使74LS279 中 BI/RBO ，A3A2A1A0=0000,使之处于锁存状态。74LS279不工作，输出全为0。当开关S置于开始时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出 经RS锁存后，1Q=1,YS =1,74LS48处于工作状态，QQQ=101,即74LS279输入端A3A2A1A0=0101，经 74LS279后输出YgYfYeYdYcYbYa=1101101,经译码显示为5。4. 74HC390为十进制同步加计数器，其功能真值表和逻辑功能如下图所示： 表3 74HC390功能表秒个位计数单元为10进制计数器,无需进制转换,只需将QA与CPB(下降沿有效)相连即可.CPA(下降没效)与1HZ秒输入信号相连,QD可作为向上的进位信号与十位计数单元的CPA相连.秒十位计数单元为3进制计数器,需要进制转换.将10进制计数器转换为3进制计数器的电路连接方法如图3所示. 图8 74HC390模块引脚图5. 555定时器是一种多用途的数字/模拟混合集成电路，具有开关特性，可以构成各种单元脉冲电路。 图9 555 定时器引脚图四：安装与调试本设计先采用分块调试法，再使用整机调试法。按照功能，本电路可分为3个模块，按照信号流向，依次为：脉冲发生器、预置定时电路、抢答电路。时序电路则贯穿整个方案。由于单元电路是分别由个人负责完成的，所以首先进行各个模块的调试。1.调试准备检查电路在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否正确，对照电路图按照一定顺序逐级检测，特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二极管是否接反，轻轻拨一拨元器件，观察焊点是否牢固。2.通电观察一定要调试好电源值为5V，才能给电路通电。电源接通后首先保证安全，观察电路中是否有冒烟、起火等现象。如果有，应立即断电，故障排除后继续通电，并注意观察各器件引脚电压是否正常。3.静态调试脉冲发生电路加入前，先用万用表测量电路有关点电位是否正常。用高低电平开关控制检测抢答电路和预置定时电路输入和输出的高低电平和逻辑关系。检查发光二极管是否正常工作。发现不正常现象时，及时找出原因进行修改，直到符合逻辑关系为止4.动态调试检测脉冲发生电路，用示波器观察输出波形，记录波形的间隔和周期。调整参数值，使之与实验要求相吻合。确保各部分能够达到设计要求，为进一步调试奠定基础。5.整机调试整机调试实际是分块调试的一部分，主要检查时序电路是否能正常工作。将各部分电路连接起来，时序电路的各个输入端与相应模块的输出端相连。注意接线不得有误，接入电源，使脉冲发生电路正常工作，预置定时电路的输入端输入预置时间，超过预置时间后看报警电路能否正常工作。在抢答电路中按下按钮，再按下另一按钮，看总体电路的工作情况。观察发光二极管是否按要求进行亮暗变化。如不能顺利完成以上功能，则应认真检查时序逻辑电路的连接及功能设计是否有误并作出相应调整。总结通过一段时间的抢答器的设计，增长了许多的知识，知道了做好一件事是并不是想象中那么简单，不是知道了书本中老师教的东西就可以做好，事实不是想象中那样的完美，在现实中有许多预料不到的困难在等着你，有时候都令人崩溃了，某些时候都无离头似的瞎忙活，不过从中间学会了坚持。在这一个学期里，把整本数字电子技术的知识都融进了抢答器的设计中，让零散的东西变成了一个有机的整