八路智力竞赛抢答器课程设计.doc

某大学物电学院课程设计报告课 程 名 称：数字电路课程设计 题 目：八路智力竞赛抢答器 专 业 班 级： 10 电 信 2 学 生 姓 名： 徐 某 人 学 生 学 号： 108326235 日 期： 2012.6.23 指 导 教 师： 李 某 人 物电学院教务部印制说明：1、报告中的第一、二、三项由学生在课程设计开始前填写，由指导教师指导并确认签字。2、学生成绩由指导教师根据学生的设计情况给出各项分值及总评成绩，并填写成绩评定表。3、所有学生必须参加课程设计的答辩环节，凡不参加答辩者，其成绩一律按不及格处理。答辩小组成员应由2人及以上教师组成。答辩后学生根据答辩情况填写答辩记录表。4、报告正文字数一般应不少于3000字，也可由指导教师根据本门课程设计的情况另行规定。5、平时表现成绩低于6分的学生，取消答辩资格，其该课程设计成绩按不及格处理。6、课程设计完成后，由指导教师根据完成情况写出总结。7、此表格式为徐州师范大学物理与电子工程学院提供的基本格式，指导教师可根据本门课程设计的特点及内容做适当的调整。一、课程设计目的、任务和内容要求：本课程设计的任务就是设计一个八路智力竞赛抢答器系统。具体设计任务与要求如下： 1. 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 S7表示。 2. 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。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，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。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。4. 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（如30秒）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。5. 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6. 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。 二、进度安排：第3天： 查找资料，熟悉智力抢答器的设计原理，给出设计总体方案；第46天： 各模块的详细设计；第712天： 硬件连线，调试；第1314天：写课程设计报告。三、主要参考文献：1.华光 编,北京高等教育出版社,2000年6月版.2.李海 编 ,重庆 重庆大学出版社 1999年9月版.3.欧阳星明 编，武汉 华中科技大学出版社，2002年5月版4.肖景和 编CMOS数字电路应用300例，北京，中国电力出版社，2005年1月版。 指导教师签字： 年 月 日江苏师范大学物理与电子工程学院课程设计报告目 录（以下章节名称为参考）摘 要 IIAbstract . II1 绪论.12设计任务及系统功能简述. 12.1 基本功能.1 2.2 扩展功能 .23设计原理与参考电路. 23.1 数字抢答器总体方框图.2 3.2 单元电路设计.33.3 有关元件.43.4 原理简介.74 设计结果及分析. 84.1 显示问题.8 4.2 锁存问题. .9 4.3遇到的其他问题及解决的方法: .9 5总 结 .10 5.1 改进设想及建议.10参考文献 .11 附录 主要程序代码 .x 摘 要本文介绍了一种用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、计时和报警功能。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；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示工作人员本轮抢答无效，实现报警功能。关键词：八路；抢答器；设计；定时；计时；报警Abstract（英文摘要正文为小4号 Times New Roman字体）In this paper, the electric circuit and designing thought of an answering racer based on the common-used series of 74 IC with 8-wire is introduced, and its function is also described. The answering races function includes timing, counting, and alarming, besides the basic function of an answering racer. The host sets the provided time for the answering race through the time-setting switch, after this the system will count down the time automatically. If anybody answer the question on time, the counting of time will stop; If nobody answer the question on time, the alarm will give out some sound, helping the host know the race in this turn is of no use, so the function of alarming is achieved.Key words：8-wire, answering racer, design, timing. Counting. alarming- 13 -1绪论工厂、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。在我校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。为解决这个问题，我们小组准备就本次大赛的机会制作一个低成本但又能满足学校需要的八路数显抢答器。2 设计任务及系统功能简述2.1基本功能 （1） 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S1 S8表示。 （2） 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由工作人员控制。 （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，并在LED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工作人员将系统清除为止。2.2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（如30秒）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时。（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。3 设计原理与参考电路3.1数字抢答器总体方框图 如图所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到清除状态，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；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。 3-1数字抢答器总体方框图3.2单元电路设计本抢答器仅用两块数字芯片便实现了数显抢答的功能，与其他抢答器电路相比，有结构简单、成本低、制作方便的优点。实用可靠、成本极低，十分适合学校教学使用。设计原理图： 3-2设计原理图原理图见上图所示，为常用的四七段译码器，其为试灯脚；为消隐（灭灯）脚，和接高电平（电源）；端为选通脚，开始抢答前接低电平。1、2、6、7脚为码输入端，915脚为七个输出端，直接驱动数码二极管显示器，接通电源开关，数码管显示“”。3.3 有关元件3.3.1 CD4511CD4511真值表如下： 3-3-1 CD4511真值表3-3-1-2 CD4511引脚图其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=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，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 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。 CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。3.3.2 74LS30 3-3-2 74LS30引脚图 3.3.3 数码管 3-3-3 数码管引脚图3.4 原理简介07为8个抢答按键，是码段译码器。74LS30是输入与非门.初始状态下，驱动数码管显示，即、这六个笔画为，仅笔画为，现将笔画信号用三极管9013反相，这样，在初始状态下，74LS30的个输入端便全为，其输出为，使段译码器处在译码状态，这时按键信号可以输入。又因显示除以外的其他数字时，a这个图画信号至少有一个是，使74LS30输出，相应地，段译码器处于锁存状态。所以当某一按键按下时，74LS30就输出锁存信号，使段译码器将已键入的数字锁存显示。这样，后按下的键就不起作用了，数码管就只显示最先按下的键号，起到了抢答的作用。和组成积分电路对锁存信号作短暂的延时，其作用是让数字电路有足够的响应时间，使锁存稳定，以免显示乱码。8为复位键，该键在主持人喊“开始”前按下，按下后数码管显示。4 设计问题及分析4.1 显示问题4.1.1显示器上不显示数字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CD4511芯片是否完好。在CD4511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，此处注意要用到8V以上的电源电压），看是否能显示数字。无显示的故障一般问题出在这两个环节。4.1.2显示器上显示不符合要求的数字若显示器上显示的是不符合要求的数字，在设计原理正确的前提下，首先通过测试判断CD4511的输出ag与LED管的ag笔段是否连接有错。其方法是CD4511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。4.1.3显示电路显示不稳定的问题在完成电路的焊接，进入调试阶段时，我们的抢答器显示电路出现了不稳定的问题。主要表现在当我们在完成一轮抢答后对计时时间进行重新设定时，显示部分会出现乱码的现象。开始我们以为是芯片出了问题，于是对芯片进行了逐个排查，确定芯片没有损坏后，我们开始检查导线的焊接情况。我们利用万用表对接线处逐个进行了排查，最后发现某芯片的一个引脚处的导线松了。我们对导线进行了重新焊接，过后系统恢复了稳定。4.2 锁存问题 4.2.1 锁存不了1和7 应该从原理上进行分析。锁存电路的设计原理是：启用CD4511的锁存功能端LE，高电平有效，即输入高电平时执行锁存功能。锁存器应能锁定第一个抢答信号，并拒绝后面抢答信号的干扰。如何设计呢，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（锁存与否）。当LED显示器显示为0时，LE=0，CD4511译码芯片不锁存；当LED显示器显示其它数字时， LE=1，芯片锁存。这样只要显示器上显示为0，CD4511译码芯片才不锁定，显示其它数字均锁存。所以只要有选手按了按键，显示器上一定是显示18的数字，LE=1芯片锁存，之后任何其他选手再按下按键均不起作用。例如SB1键先按下，显示器上显示1，LE=1芯片锁存，其他选手再按SB2SB8，显示器上仍显示1，SB1按下之后的任一按键信号均不显示。直到主持人按清零键SB9，显示器上又显示0，LE=0，锁存功能解除，又开始新一轮的抢答。4.2.2 所有的数字都不能锁存 不管LED显示什么数字，CD4511管脚的5脚输入为电平，可能是5脚与地短接或者是锁存电路的两个二极管VD13和VD14断开等故障；若只有1和7两个数字不显示则可以分析一下其原因：显示1和7数字时g段不亮，CD4511的g输出端为低电平，VD14截止，而b段亮d段不亮本应该三极管VT截止而使VT13导通，产生高电平（锁存信号）给LE，现在不能锁存说明VD13截止，推断是三极管击穿损坏。4.3 遇到的其他问题及解决的方法:4.3.1 面包板问题我们这次做的八路抢答器是安装在面包板上的。在安装电路之前要仔细的检查一下面包板的导通状态。也许在面包板的插孔里面留下硬线的铁丝。或有的2个孔之间不能导通的倒通了。在安装元件之前都要把这些问题排除掉。要不然在调试的时候很难找到问题的出错点。4.3.2 二极管问题在安装的时候要小心不要把二极管的正反接错了。要不然在数码管就不能显示正常的数字。有时候连数码管都不亮。4.3.3 开关问题在安装开关的时候要注意4脚开关的脚的导通状态。在接导线的脚和接二极管的脚之间不能让他们短路。要不然开关就起不到开关的作用了。相当于导线。在设计中还有一只三极管，同样也要正确的判断它们3只脚的b，c，e，如果出错了，则74LS30的锁存功能将遭到破坏。4.3.4 布线问题在布线的时候也要注意，铁丝不能插的太深，也不能搭高架桥似的，因为这些细节的出错往往很难找到错的5 总结5.1改进设想及建议：（1）我们设计的作品主要是用74系列集成芯片来完成的，在焊接的过程中由于芯片的引脚过多，布线工作不是很方便。有时候还因为某一跟线没有焊牢，造成电路的不稳定，这些都是有待改进的。我们的想法是根据单片机原理及相关知识对我们的设计进行一些改进。（2）完成电路的设计后，我们进行了电路的模拟，我们采用的方法是在面包板上进行模拟，虽然结果是模拟出来了，但是效率很低。面包板存在着很多的不确定性。比如板上有些插孔不可用等因素可能导致模拟失败，即便有些时候设计是对的。因此我们建议学习一些常用电路仿真工具，如EWB、MAX-PLUS II等EDA软件对设计出的电路进行仿真和模拟，这样既可以提高效率，又可以提高模拟的准确