电子技术课程设计报告-八位抢答器的设计与制作.doc

上海工程技术大学 电子技术课程设计（勤奋、求是、创新、奉献）实 验 报 告设计装置： 八位抢答器 团队班级： 0212092（自动化二班） 团队成员： 同组成员： 实验日期： 指导教师： 成 绩： 目录摘要3绪论31 八路定时器的设计方案41.1八位定时器的设计要求41.2 方案比较及其论证41.3 原理框图42 单元电路设计方案和原理说明52.1八位抢答电路（优先编码电路）52.1.1抢答器元件功能介绍62.1.2八位抢答器的电路设计72.2进一步的升级设想定时电路92.2.1元器件的功能和介绍92.2.2定是电路的设计102.3 报警电路113 电路调试及组装电路12 3.1电路的组装12 3.2调试电路12 4 元器件清单13产品展示13个人总结14参考文献17八位抢答器的设计与制作摘要 数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将电路的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形，更具实用性。绪论 当今社会竞争日渐剧烈，科技发展也日新月异，智能化和自动化在推动社会进步过程中发挥着不可替代的作用。抢答器作为这一时代的劳动产品，在当今社会中也被广泛用于各种竞赛活动中，如一些电视台的比赛节目的抢答环节中，如果运用传统的举手方式，则在一定程度上会产生较大的误差，况且如果参赛选手众多，主持人也无暇兼顾，因此如何在比赛中如何做到公平，保证游戏的顺畅进行也是人们迫切关心的一个问题。比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这就要有一种抢答设备作为裁判员，这就必然离不开抢答器。抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。因此抢答器是机关学校、电视台等单位开展智力竞赛活动必不可少的设备，通过抢答者的按键、数码显示等能准确、公正、直观地断出优先抢答者。 1 八路定时抢答器的设计方案 1.1八位抢答器的设计要求 (1) 抢答器能够同时供八名选手或八个代表队参加比赛，分别用八个按钮S0S7表示。（2）该电路中需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。当主持人宣布比赛开始时，按下按钮，同时系统做出相应的反应，提示选手计时开始，开始抢答。（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，并且优先抢答选手的编号一直保持到系统清零为止。（4）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零为止。如果定时时间已到，在此过程中尚无人抢答，则表示该次抢答无效，系统清0并禁止抢答，最后定时显示器上显示0，并保持不变。1.2 方案比较及其论证制作抢答器可以采用多种设计方案，可以用单片机来完成，它的功能强大制作简单，并且外围的元件也很少；也可以用PLC来实现，它的制作也是比较简单；还可以用我们学过的EDA技术来制作；当然也可以采用数字电路来实现，与我们刚学习的电子技术基础紧密联系在一起，且电路简单，实现起来容易，元器件在市场上很容易买到，价格合理，因此作为首选。对于八进制抢答电路，有很多种设计方法，比如在实现定时电路时，可采用72LS192芯片与译码电路74LS48相连，译码电路再接到七段共阴数码管上，即能实现定时显示功能。通过比较我们不难发现，两种方案在功能上都很容易实现。不过，对于第一种方案，其逻辑电路更简单，所用芯片也更少，在电路板上也更合理，因此我们主要采用了第一种方案来实现八进制计数器的逻辑功能。抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路译码显示主持人控制 开 关控制电路报警电路秒脉冲产生电路定时电路译码电路显示电路图1.1 抢答器结构框图构框图主体电路扩展电路1.3 原理框图 该电路主要分为三个部分：抢答电路、定是电路以及报警电路，抢答电路供参赛选手参与者或参赛队参与抢答，并在显示电路上显示优先抢答选手的编号；定是电路是用于主此人控制抢答规定的时间，该电路主要完成预置时间，递减计时和显示剩余时间的功能；报警电路主要是用于提醒参赛选后或者参赛团队开始抢答和结束抢答。2 单元电路的设计方案和原理说明2.1八位抢答电路（优先编码电路）2.1.1元器件的功能介绍1） NE555P芯片 NE555是时基集成电路，它在应用和工作方式上一般可归纳为3类。每类工作方式又有很多个不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。 NE555时基电路封形式有两种，一是DIP双列直插8脚封装，另一种是SOP-8小型（SMD）封装形式。其他HA17555、LM555、CA555分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。NE555属于CMOS工艺制造，图1是NE555的外形图，图2是它的内部功能原理框图，图3是它的内部等效电路。NE555的内部中心电路是三极管Q15和Q17加正反馈组成的RS触发器。输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1，复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。输出端为F，另外还有集电极开路的放电管DIS。它们控制的优先权是R、T、TH。 图2.6 555定时器Pin Name1 Ground (0V)2 Trigger3 Output4 Reset5 Control6 Threshold7 Discharge8 Vcc这设备(IC)是用于精密计时电路，能够产生精确的时间延误或振荡。在时间延迟或单稳态模式的操作时，定时间隔是由一个外部电阻和电容网络控制。在非稳态运行模式，频率和占空比可以两个外部电阻器和一个外部电容独立控制。阈值和触发电平一般是分别为Vcc三分之二和三分之一. 这些触发电平可以改变控制(Control, pin5)电压终端使用。当触发(Trigger, pin2)输入下降低于触发水平，触发器输出(Output, pin3)变高。如果触发输入和触发电平以上的门槛输入阈值水平以上，触发器复位回低电位。复位（Reset, pin4）输入可以废除所有其他的输入，用来启动一个新的时间周期。当Reset变为低电平时，触发器复位，输出变低。当输出为低，提供一个低阻抗路径放电（Discharge, pin7）和地面之间。输出电路是能够吸入或源出电流可达200毫安。操作指定为5 V至15 V5 V电源供应，输出电平能兼容TTL输入。2）HEF4511芯片图2.2 HEF4511逻辑图表2.2 HEF4511真值表 译码器主要用于驱动七段显示器，其本身具有所存功能，其中，七段发光二极管显示器有共阳和共阴接法两种。共阳接法就是把发光二级管的阳极都连在一起接到高电平上，输入低电平有效。共阴接法则相反，它是把发光二极管的阴极都连在一起接地，输入高电平有效。与其配套的译码器有74LS458、74LS49。其中，灯测试输入低电平有效。当= 0时，无论其他输入端是什么状态，所有输出ag均为1，显示字形8。该输入端常用于检查7448本身及显示器的好坏。 动态灭零输入低电平有效。当=1，且输入代码时，输出ag均为低电平，即与0000码相应的字形0不显示，故称“灭零”。利用等于1与=等于0，可以实现某一位数码的“消隐”。 灭灯输入动态灭零输出是特殊控制端，既可作输入，又可作输出。当作输入使用，且等于0时，无论其他输入端是什么电平，所有输出ag均为0，字形熄灭。作为输出使用时，受和控制，只有当，且输入代码时，其他情况下。该端主要用于显示多位数字时多个译码器之间的连接。2.1.2 八位抢答器抢答电路设计 优先判断与编号锁存电路如图2.2所示。电路选用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS279 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；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：系统清除按键按动时，74LS279的四个RS触发器的置0端均为0，使四个触发器均被置0。1Q为0，使74LS148的使能端=0，74LS148处于允许编码状态，同时1Q为0，使74LS48的灭灯输入端=0，数码管无显示。这时抢答器处于准备抢答状态。当系统清除按键松开时，抢答器处于等待状态。当有选手将按键开关按下时，抢答器将接受并显示抢答结果，假设按下的是S4，则74LS148的编码输出为011，此代码送入74LS279锁存后，使4Q3Q2Q=100，亦即74LS148的输入为0100；又74LS148的优先编码标志输出为0，使1Q=1，即=1，74LS48处于译码状态，译码的结果显示为“4”。同时1Q=1，使74LS148的=1，74LS148处于禁止状态，从而封锁了其他按键的输入。此外，当优先抢答者的按键松开再按下时，由于仍为1Q=1，使=1，74LS148仍处于禁止状态，确保不会接受二次按键时的输入信号，保证了抢答者的优先性。 图2.4八位抢答器单元电路 八位抢答器的原理说明：（1）抢答电路的功能有两个：一是能够分辨出选手的按键先后，并锁存优先抢答者的编号，并在供译码电路上显示；二是要使后面的选手抢答按键操着无效。（2）该单元电路选用优先编码器74LS148、RS锁存器74LS279和译码器74LS48组成的抢答电路。（3)抢答器的工作原理：由图可知，当主持人的控制开关清0时，则对应的RS锁存器的R输入端为0，输出为低电平，BI/RBO=0，因此译码器停止工作，七段显示电路无显示。当主持人将开关拨向高电平时，经过RS锁存电路后输出端Q1=1，优先编码电路同时处于工作状态，如6号选手优先按下S5，则74LS148输出端A2A1A0=001，GS=0，经过译码电路后输出Q4Q3Q2=110,Q1=1,该信号反馈到优先编码器的使能端，使其输入为高电平，编码器停止工作，封锁了其它选手的按键输入，同时数码管经译码器译码后显示对应的数字5。2.2 进一步的升级设想定时电路2.2.1 元器件的功能及其介绍1)74LS19274LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。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。   CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，  BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。 图2.5 74LS192管脚图表2.4 74LS192的功能表              输入     输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1 × × ×××××0000 0 0 × ×dcbadcba 0 1  1××××    加计数 0 1 1 ××××    减计数2）2.2.2 定时电路设计 定时电路用于完成定时功能，并由主持人设定相应的抢答时间，抢答开始时，定时电路实现递减功能，一旦有选手开始抢答时，定时电路停止递减，显示器上显示剩余的抢答时间，并停止不变，直至主持人清0或再次抢答为止。若在规定的抢答时间内无人抢答，则定时电路递减到0，两数码显示器上显示00，定时电路停止工作，该轮抢答环节结束。 图2.7 定时电路电路图工作原理：（1）该电路主要完成定时功能，由555定时器、芯片74LS192、74LS04和74LS10 等元器件组成。（2） NE555定时器组成的多谐振荡电路主要用于产生连续脉冲，其输出周期t=tpL+tpH=0.7（R1+R2）C+0.7R2C，其中R1=15K，R2=68K。因此，555定时器组成的脉冲电路的输出频率f=1/t=1HZ/S。若要检验555定时器是否产生周期信号，可以在电源段和信号输出端接上1K的电阻和一个发光二极管。发光二极管能够在一周期发光一次，则说明555定是电路组成的多谐振电路工作正常。（3） 芯片74LS192主要用于完成递减计时功能，如果进行多位连接时，只要将低位的进位信号或借位信号分别接到高位的脉冲输入端即可。如图所示，74LS10是三输入与非门逻辑电路，其输入端分别接定时信号、单位周期的脉冲信号和高位端BO2的输出信号。当主持人按下开始按钮时，定时电路开始工作，对应的显示器从30逐渐递减，若在此过程中无人应答，则计数器递减到00时，BO端输出低电平，该信号反馈至与非门输入端，脉冲信号不起作用，显示器上显示00并且保持不变。若在规定的时间内有人抢答，则抢答电路74279芯片的Q1输出端输出高电平，经过定时电路的非门电路后输出低电平，同样地，此时脉冲信号被锁，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间。2.3 报警电路 报警电路是为了完成提醒选手抢答的计时开始和结束的功能，报警电路通过555定时器构成的多谐振荡器提供相应的输入电平，并通过扬声器发出声音来完成对应功能，对应的电路图见下： 图2.8 报警电路工作原理：该报警电路由555定时器、若干电阻、电容、扬声器和三极管构成，其中555定时器构成一个多谐振荡器，其输出信号再串上一个电阻为三极管提供相应的工作电平，使三极管能够正常工作，进而推动扬声器，使其发出声音，以提醒选手。在如图所示中，R为控制信号，当PR为高电平时，4端接高电平，振荡器开始正常工作，当控制信号为低电平时，振荡器停止工作，扬声器不能够发出声音。当电路中控制信号来一个高电平将会使该报警电路发出声音，但是该电路只能在一个周期内发出声音，这个周期非常短暂，其振荡周期只是多谐振荡器的一个周期，只有一秒钟的维持时间，所以中间在该电路中需要加一个单稳态触发器，根据555构成的单稳态触发器的功能原理，这样可以延长这个周期，使其发声信号加长，该定时器用到的电阻是30 k，电容是100uf，根据公式计算得到的周期是3秒。3 电路调试及组装电路3.1 电路的组装 当完整电路图仿真成功以后，我们需要按照所设计的电路图进行组装元器件，进而得到我们所需要的实物电路。我们对电路进行组装时借鉴了电路仿真调试的过程，即先分部连接，个单元电路连接好以后，由于电路较为复杂，因此检验是否正确，待连接无误以后再将各个单元电路连接组成我们所需要的整体实体电路。 注意：在连接实体电路时要确保每一根线都要连接到位，否则在后来进行电路调试时得不到正确的结果，校正电路又十分繁杂，很难查出电路的连接错误，同时也要注意检查面包板上是否有坏点。3.2 调试电路 电路组装完成以后就进入了实体电路的最后一个环节检验其功能。具体步骤是：（1） 将主持人开关拨向高电平位置，观察抢答电路的显示器是否显示，再把开关拨到低电平处，在此观察数码显示器是否显示。（2） 将主持人开关拨到高电平位置，观察定时电路是否工作，对应的显示器是否在递减计时。（3） 主持人开关拨到到高电平位置时，如果定时电路正常工作，将S0S9中的任意一个开关拨到低电平处，观察抢答电路的显示器是否显示对应的编号和定时电路显示器是否停止工作。再次拨下其他参赛选手的开关按钮，观察抢答电路是否完成锁存功能。（4） 主持人开关拨到高电平位置，参赛选手开关全拨到高电平位置，观察定时电路递减到00后是否停止工作。4 元器件清单 表5.1 实验所需器材 型号HCF4511BEne5559013三极管104瓷片电容103瓷片电容IN4148二极管1/4W电阻 10K1/4W电阻 300欧姆1/4W电阻 2.2K1/4W电阻 100k0.56寸单八共阴 数码管47UF/25V 电解电容100UF 16V 电解电容有源5V 蜂鸣器 6*6*7 轻触开关产品展示： 个人总结 为期一个月的课程设计终于结束，一开始组员们热情高涨，我们用了一周的时间设计出自己需要的元件，但是后来得知学校不能为我们提供相应的板子、元件，我们转战从商店购买符合我们要求及期望的板材。之后焊接过程，由于我有相应的器材所以先将产品焊接好，之后发现一个问题：八位抢答器中的两个抢答按钮不能正常使用，之后根据相应的电路发现其所存功能只能在下图1译码器中g为高位时才能进行所存，电路出现问题。所以我提议全队队员进行进一步研究随后我们选择增加三5芯片并进行了进一步完善.避免的全队的损失，之后的行动方案进行的相当顺利。 图1最终定下来的策划为; 最终确定的电路2 通过这次课程设计，我学深化了以前的许多知识。本次课程设计重在培养学生的自主设计能力和对重点知识的掌握，是以前所学知识的一个浓缩，具有很强的代表性、实践性、和理论性。本设计着重讲述了抢答器的工作过程和实验原理。在论述实验原理的过程中，分批次地讲述了个单元电路工作原理以及完成的功能。结合本设计的内容，指出了各单元电路的设计方法和意义，以及如何进行抢答控制。本次实验设计查询了许多有用的资料，包括芯片的逻辑功能及其拓展原理，最后拟定了两个实验方案，再设计出相应的电路结构。通过仿真电路检验和论证以及对电路的实现的难易程度的综合考虑，最后的选出了该实验电路方案。我们知道，电路设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在单元电路的理解和设计上面。这次实验，我受益颇多，不仅使理论知识得到了提升，加深了对逻辑门控制电路的理解，而且还有亲身实践的机会，使理论知识和实验严密地嵌合在一起，不仅丰富了理论知识，而且还提高了自己的动手能力。当然，在设计过程和连线过程中，发现了不少问题，也检测出了原来理论知识不够的瑕疵，因此，在今后的学习路上，我一定会去努力强化自己的理论水平，提高自己的能力。我感受到了团队的力量学会了互助的精神，从而提高自己的修养。非常感谢自己的队员的协助，使得我顺利的完成了预期的目标。 参考文献1 阎石. 数字电子技术基础 北京：高等教育出版社，2001年.2 谢自美.电子线路设计·实验·测试 (第二版).上海:电子工业出版社,2001年.彭华林等编. 数字电子技术. 长沙：湖南大学出版社，2004年. 3 侯建军. 数字电路实验一体化教程. 北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005年.5康华光. 电子技术基础 北京：高等教育出版社，1999年.6电子技术课程设计 历雅萍、易映萍编：高等教育出版社.7李光中.浅谈抢答器在数字电路实验教学中的应用.广西轻工业报，2009年.8王文峰.数码显示六路抢答器的设计. 井冈山师范学院学报，2000年.9 历雅萍、易映萍编.电子技术课程设计:高等教育出版社,2007年。17自动化二班 八位抢答器设计