电子抢答器的应用与制作-课程设计

电子抢答器的应用与制作电子抢答器的应用与制作 课程设计课程设计 电子抢答器的应用与制作 初始条件 1 具备电子电路的基础知识及查阅资料和手册的能力 2 熟悉常用电子器件和常规实验仪器及电子设计常用软件 3 已掌握电子电路实验的基本方法 要求完成的主要任务 1 可供六组使用的抢答器 2 抢答成功有声音提示及组别显示 具有锁存功能和清零功能 3 提出至少两种设计方案 并优选方案进行具体设计 4 有能力的同学可在完成上述要求后提出增强功能的设计方案 5 撰写符合学校要求的课程设计说明书 时间安排 1 6月22日 动员大会 下达课程设计任务书 2 6月22日 25日 查阅资料 选择设计方案 进行设计计算 完成预设计并进行计算机仿真 3 6月26日 预设计方案经教师审查后发放元器件 4 6月26日 7月1日对所设计的电路进行制作和调试并完成课程设计说明书 5 7月2日 3日课程设计答辩 指导教师签名 2009年 月 日 系主任 或责任教师 签名 2009年 月 日 摘要 抢答器作为一种电子产品 早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合 是竞赛问 答中一种常用的必备装置 从原理上讲 它是一种典型的数字电路 其中包括了 组合逻辑电路和时序逻辑电路 电路结构形式多种多样 可以利用简单的与非门 构成 也可以利用触发器构成 也可以利用单片机来完成 本设计由简单的集成电路设计成的 由主体电路和扩展电路两部分组成 主体电路完成基本抢答功能 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 扩展电路完成定时抢答的功 能 在实际设计电路时 为了简化电路 我们并没有加上扩展功能电路 关键词 抢答器 方案设计 电路组成分析 目录 1 课程任务设计书 1 2 摘要 2 3 目录 3 1设计内容及要求 1 1 1 设计内容 2 1 2 设计要求 2 2设计原理及方案选择 2 2 1设计思路及原理 2 2 2 设计方案选择 3 2 2 1设计方案一 3 2 2 1 1锁存输入电路 3 2 2 1 2译码输出电路 5 2 2 1 3 抢答成功报警电路 7 2 2 2设计方案二 9 2 2 2 1输入编码电路 10 2 2 2 2锁存电路 10 2 2 2 3 码显示电路 11 2 2 2 4报警电路 11 2 2 3两种方案的选择 13 3 电路的制作与调试 12 3 1使用的主要仪器和仪表 12 3 2 电路的制作 13 3 3 电路的调试 14 4 课程设计的体会和收获 14 课程设计小结 15 附录1 16 附录2 17 附录3课程设计成绩评定表 665 电子抢答器的应用与制作 6路抢答器 1 设计内容及要求 1 1 设计内容 1 可供六组使用的抢答器 2 抢答成功有声音提示及组别显示 具有锁存功能和清零功能 3 提出至少两种设计方案 并优选方案进行具体设计 4 有能力的同学可在完成上述要求后提出增强功能的设计方案 5 撰写符合学校要求的课程设计说明书 1 2 设计要求 1 具备电子电路的基础知识及查阅资料和手册的能力 2 熟悉常用电子器件和常规实验仪器及电子设计常用软件 3 已掌握电子电路实验的基本方法 2 设计原理及方案选择 2 1设计思路及原理 下图是供6人用的智力竞赛抢答器的电路组成框图 主体电路图1 1 抢答器的电路组成框图 它由主体电路和扩展电路两部分组成 主体电路完成基本抢答功能 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 扩展电路完成定时抢答的功 能 在实际设计电路时 为了简化电路 我们并没有加上扩展功能电路 定时抢答器的工作过程是 接通电源时 节目主持人将开关置于 清除 位置 抢 答器处于禁止工作状态 编码显示器灭灯 当节目主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 当有选 手按动抢答键时 抢答器完成以下四项工作 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 然后由译码显示 电路显示编号 2 扬声器发出短暂声响 提醒节目主持人注意 3 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 2 2 设计方案选择 2 2 1设计方案一 采用芯片74ls148 74ls279 74ls48 555定时器组成的6路抢答器由一下3部分组成 锁存输入 译码显示输出 抢答成 功报警电路 2 2 1 1 锁存输入电路 此电路由74ls148 8线 3线优先编码器和4个SR锁存器组成 图1 2 74ls148在电路中样式图表1 1 74ls148功能真值表图1 3 74ls279的功能真值表 图1 4 74ls279的引脚图 此部分具体原理说明 首先 主持人将开关拨向清除 使SR锁存器置0 此时芯片 74ls148处于准备状态 当主持人将开关拨向开始时 4个SR锁存器的R端都为1 因为74ls148的输入和输出引脚都是低电平有效 没有按下抢答开关时 所有的输 出都为1 使所有的锁存器处于保持状态 此时该电路处于工作状态 只要按下人一个抢答 键 就会对其进行编码并锁存该编码 同时14引脚输出低电平0使最后一个锁存 器置1并返回到ST端 使74ls148优先编码器封锁 从而封锁其他选手的抢答 2 2 1 2译码输出电路 该部分电路图如下 电子抢答器的应用与制作 图1 5译码输出电路 74ls48的功能表如下74ls48的功能表如下 表 1 6 74ls48的功能表 74ls48的引脚图如下 该部分电路的工作原理是 经过前一级的编码锁存后输出给7端数码管的驱动电 路74ls48来译码用以使7段数码管显示数字 2 2 1 3 抢答成功报警电路 电路图如下 他是有两个555定时器组成 其中一个555组成单稳态电路 另一个5 55定时器组成多谐振荡器 这里我们自己规定抢答成功后蜂鸣器以1 2KHZ的频 率持续响2秒左右 由555构成单稳和多谐振荡器的原理和电路如下 1 构成单稳态触发器 电路如图9 2所示 接通电源 电容C充电 至2 3Vcc RS触发器置0 V0 0 T 导通 C放电 此时电路处于稳定状态 当2加入VI1000PF 只要满足VI的重复周期大于tp0 电路即可工作 实现较精确的定时 图2 1 单稳态触发器 图2 2 多谐振荡器 2 多谐振荡器 电路如图9 4所示 电路无稳态 仅存在两个暂稳态 亦不需外加触发信号 即可 产生振荡 振荡过程自行分析 电容 C在1 3Vcc 2 3Vcc之间充电和放电 输出信号的振荡参数为 周期 T 0 7 C R1 2R2 频率 f 1 T 1 44 R1 2R2 C 占空比 D R1 R2 R1 2R2 555电路要求R1与R2 均应大于或等于1k 使R1 R2 应小于或等于3 3M 参数计算 根据公式Tw 1 1RC 555定时器组成单稳态电路的脉冲宽度 计算出单稳的电阻R 200k C 10uF 根据多谐振荡器的f 1 43 R1 2R2 C 求出R1 0 61k R2 2 4K C 0 22uF 图2 3 555定时器组成单稳态电路 555定时器的引脚图 图2 4 555定时器的引脚图 报警电路的具体工作原理 刚开始没有人抢答时74ls148的Yex 引脚为高电平1 此时单稳态电路处于稳定状态 输出为0 后一级多谐振荡器不工作 当有人按下抢答键时Yex 跳变成0 经过锁存器锁存返回1到ST 引脚 使74ls148处于非工作状态 使Yex 返回到1 即有人抢答时 14引脚能产生一个低跳变的脉冲加到单稳上 使其输出 一个持续2秒的高电平以使后面多谐振荡器工作驱动蜂鸣器报警 第一种方案的完整电路图如下 图2 6 第一种方案的完整电路图 2 2 2设计方案二 由于本设计课题局限性太大 实验的基本原理就是首先一个优先编码器对选手 按键进行编码 然后由锁存器保存选手的编号 送至7段数码管译码电路译码显 示 简言之 就是 编码 锁存 译码 显示 所以有点限制我们的思维 其次我们的另一种方案是改变输入与输出的的 有效电平 但是我们发现在仿真软件当中并没有我们所需要的芯片 而这些芯片 都是数电里面介绍的如8线3线优先编码器CD4532和7段数码管的驱动电路芯片7 4HC4511等在仿真软件中都没有 电子抢答器的应用与制作 找到所对应的芯片 所以我们根本无法用这种方案实现 再其次 单片机也是一 种实现方案 但老师规定不要用单片机 所以我们最终决定只对其中的一些小功 能进行更改来成为第二种方案 这里我们对电路精简用到 74ls148 74ls279 74ls48 7段数码管 三极管和蜂鸣器实现 本电路由四部分组成 输入编码电路 锁存电路 译码显示 电路 报警电路 2 2 2 1 输入编码电路 图2 7输入编码电路 该电路与方案一相同 原理是 当有人按下抢答开关时 优先编码器对其进行编 码 并输出 2 2 2 2 锁存电路 图2 8锁存电路 该部分电路仿第一方案 使优先编码器的输出被锁存在锁存器中并且有一个锁 存器输出返回到编码器使编码器封锁 禁止其他选手抢答 2 2 2 3 译码显示电路 电路同画在上图中 该电路同样有其7数码管译码器驱动数码管显示数字 完成显示功能 2 2 2 4报警电路 方案二重点是对报警电路作出修改 使其变得更加简洁但是功能没有原来强大 在实际中根据需要进行选 电路图如下 图2 9 报警电路 此部分是由三极管驱动蜂鸣器发声 具体实现方案是第四个锁存器的输出端接 一个三极管 三极管的射极驱动蜂鸣器 当选手抢答成功后 此时第四个锁存器 的输出端为高电平1 使三极管导通处于放大状态 由于电容两端电压不能突变 所以使蜂鸣器两端电压差为高电平 蜂鸣器发音 当电容充电完毕后 使得电容 与蜂鸣器相连一段为低电平 蜂鸣器不发音 即只鸣叫很短时间 当主持人将开关置于清零端时 第四个锁存器的输出端为低电平0 三极管截止 电容通过与其相连的电阻放电 为下一次抢答做好准备 完整的电路图如下 图3 1 第二套方案原理图 原理说明 方案二与方案一不同之处在于对报警电路的控制不同 方案二用到了555定时器 来控制蜂鸣器的工作 第一个555定时器组成单稳态触发器 其输出OUT作为第 二个555定时器组成的多谐振荡器的清零信号 2 3 两种方案的选择 经过仿真验证方案一与方案二电路的功能都可以实现 不同之处在于方案一 当选手抢答成功后 报警信号不能控制 只有在主持人控 制开关清零后 报警信号才会消失 而方案二在选手抢答成功后 报警信号会有 延迟 信号会延迟一段时间后自动停止 两种方案比较起来 第二种方案比较复杂 所用元器件也较方案一多 但是比较 符合实际 方案一虽然不太人性化 但制作简单 成本也较低 小组内还有一种不太成熟的方案 就是用一个合适的电容来代替555定时器组成 的延时电路 通过电容充放电来控制报警信号的工作时间 但这个方法电容的规 格不容易确定 经过小组内讨论 并结合自身实际情况 我们选择了方案一 2 2 3两种方案的比较 试验设计原理都是一样的 不一样的是功能模块的变更 本设计实验基本套路基 本上固定下来了 我的两种方案是在每个功能模块上下功夫 让具体的实现方案 不同 两种方案各有优缺点 第一种是本着严谨的态度 即把每个模块的详细功能纳入 第一考虑范围 从具体功能出发 第二种方案是在基本功能能够实现的基础上进 行简化 所以说如果在要求不高的场合且为了简便与节约成 电子抢答器的应用与制作 本选择第二种方案 如果要求有很强大的功能的话 则选择第一种方案 具体比较 原理相同 都是以编码 锁存 译码 显示 附属功能 报警电路 为主线进行设计的 当有选手按下抢答开关 即编码器的一 个输入端为有效电平并对其编码 为了让编码电路能够显示 需要锁存器对编码 锁存 同时返回一个信号封锁编码器 禁止其他选手抢答 最后 锁存的信后经 译码后由数码管显示 区别 两种方案的不同之处在于报警电路 方案一功能强大 由555组成单稳态电 路和多谐振荡器用以驱动蜂鸣器 由此我们可以通过改变单稳中的电阻和电容 来控制蜂鸣器的鸣叫时间 而第二种方案 通过三极管和电容来驱动蜂鸣器 蜂 鸣器的鸣叫时间不能够有我们控制 电容愈大鸣叫时间越长 电容越小 鸣叫时 间越小 虽然两种电路都是由电容的充放电原理组成 但具体的电路 更深一步 的实现过程就不一样了 3 电路的制作与调试 3 1使用的主要仪器和仪表 本次设计采用了直流稳压电源 数码管 集成芯片 74ls48 74ls279 74ls148 单刀单置开关若干和一个双刀双置开关 555定时器 三极管 电阻若干 电容 扬声器 制作的过程中还用到了万用表 3 2 电路的制作 运用所学的知识及查阅有关资料设草稿纸上设计出原始抢答器图 然后在计算 机上仿真 仿真无误后在面包板上 连接实物电路 3 3 电路的调试 该调试过程分两部分 一部分是在仿真的时候 按照设计好的图连出电路进行仿 真 结果不成功 检查无误 继续仿 仍不成功 重连 还不成功 最后把每个元 件拿出来单独仿真 发现原因在于74ls279 SR锁存器 该芯片在仿真软件中集成了两个SR锁存器 但是按两个使用 输出一直有误 不 知道是什么原因 最后我们把它当成一个使用 结果就成功了 还有一部分是在面包板上连接实物时 按照原理图连接出来的实物一直不能正 常工作 然后我们小组实行人海战术 没人连接一次 均不成功 在无可奈何之 际 我们换了一块面包板 一次成功 由此可以看出 面包板太久 里面有很多插 孔可能已经不导通了 4 课程设计的体会和收获 通过这次对数字式抢答器的课程设计 让我有很多体会和感受 其中关 于数电方面的是让我学会了如何将书本的理论知识融合到实际中去 理论和实 际还是很有差距的 我们即使在理论上设计出一个很好的方案 但真正用于实际 时 却发现结果让人大失所望 经过查资料 选方案 设计电路 撰写设计报告 使我得到一次较全面的工程实 践训练 理论联系实际 提高和培养创新能力 为后续课程的学习 毕业设计 毕 业后的工作打下基础 同时 进行仿真设计 可以体现现代化的设计方法和理念 使电子课程设计在培养学生能力方面 得到比较大的提高 在此次的抢答器设计过程中 更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工 作原理和其具体的使用方法 我认为 积极地参与电子课程设计设计 不仅可以充分的体会到自己动手实践的 乐趣 获得哪怕是前进一小步时候的那种成功的喜悦 还有以下的几点收获 1 有利于我们学习能力的提高 这里所说的学习能力包括获取资料的能力 理解前 人思路的能力 系统设计能力 动手能力 分析排除故障能力 表达能力等很多 方面 电子设计设计的赛制决定了上述能力缺一不可 2 有利于我们团队精神的培养 3 有利于