數(shù)電課程設(shè)計 八路搶答器.doc

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數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計報告 八路智力競賽搶答器的設(shè)計 專 業(yè): 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級: 2012級1班 姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)老師: 電子通信與物理學(xué)院 日 期: 2015 年 1 月 10 日 指導(dǎo)教師評語 1設(shè)計要求 在當代社會中企業(yè)、學(xué)校和電視臺等單位常舉辦各種智力競賽,搶答記分器是必要設(shè)備。過去在舉行的各種競賽中我們經(jīng)?？吹接袚尨鸬沫h(huán)節(jié)，舉辦方多數(shù)采用讓選手通過舉答題板的方法判斷選手的答題權(quán)，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。人們于是開始尋求一種能不依人的主觀意愿來判斷的設(shè)備來規(guī)范比賽。因此，為了克服這種現(xiàn)象的慣性發(fā)生人們利用各種資源和條件設(shè)計出很多的搶答器，從最初的簡單搶答按鈕，到后來的顯示選手號的搶答器，再到現(xiàn)在的數(shù)顯搶答器，其功能在一天天的趨于完善不但可以用來倒計時搶答，還兼具報警等等功能，有了這些更準確地儀器使得我們的競賽變得更加精彩紛呈，也使比賽更突顯其公平公正的原則。在這一背景下本文利用74LS系列芯片設(shè)計了一種有效、便捷的八路數(shù)字搶答器。 設(shè)計要求如下：利用數(shù)字電路設(shè)計一個八路搶答器，允許八路參加，并具有鎖定功能，用LED顯示最先搶答的隊號碼，系統(tǒng)設(shè)置外部清除鍵，按動清除鍵，LED顯示器自動清零滅燈。數(shù)字顯示功能：數(shù)字搶答器定時為30S，啟動開啟鍵以后要求Ⅰ)定時開始；Ⅱ)揚聲器要短暫報警；Ⅲ)發(fā)光二極管亮燈；如果在30S內(nèi)搶答有效,計時結(jié)束，30S內(nèi)搶答無效，發(fā)光二極管燈滅。 2 設(shè)計任務(wù) 本次描述的八路搶答器功能指標為：設(shè)計一個能支持八路搶答的智力競賽搶答器；主持人按下開始搶答的按鍵后，有短暫的報警聲提示搶答人員搶答開始且指示燈亮表示搶答進行中；在開始搶答后數(shù)碼管顯示30秒倒計時；有搶答人員按下?lián)尨疰I后，在數(shù)碼管上顯示搶答成功人員的編號，倒計時暫停，同時后續(xù)搶答人員的搶答將無效；當主持人再次按下按鍵回到復(fù)位狀態(tài)，倒計時的數(shù)碼管保持顯示30，顯示人員編號的數(shù)碼管滅，指示燈滅。 本次設(shè)計的電路由包括搶答電路、定時電路、報警電路在內(nèi)的三部分電路組成。搶答電路由按鍵、鎖存器、優(yōu)先編碼器、數(shù)碼管譯碼驅(qū)動器等器件組成；定時電路由555定時器、計數(shù)器、鎖存器、數(shù)碼管譯碼驅(qū)動器、開關(guān)等器件組成；報警電路由蜂鳴器、單穩(wěn)態(tài)脈沖觸發(fā)芯片等器件組成。 3 總體設(shè)計 3.1原理分析 3.1.1工作原理簡介 如圖2.1所示為搶答器的結(jié)構(gòu)框圖，它由搶答電路、計時電路和報警電路三部分組成。搶答電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。計時電路完成計時功能。其工作原理為，當開始搶答的開關(guān)沒有閉合時，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置于"開始搶答"狀態(tài)，宣布"開始"搶答。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答只須主持人將開關(guān)斷開后閉合。 3.1.2搶答器工作過程 主持人開關(guān)撥到“開始搶答”狀態(tài)，會有提示音，并立刻進入搶答倒計時（預(yù)設(shè)30s搶答時間），如有選手搶答，顯示其號數(shù)并停止倒計時，只有第一個按搶答的選手有效。如倒計時期間，主持人想停止倒計時可以隨時將開關(guān)撥到“準備”狀態(tài)，系統(tǒng)會自動進入準備狀態(tài)，等待主持人撥回"開始搶答"進入下次搶答計時。如果主持人將開關(guān)撥到“開始搶答”狀態(tài)，而此時有人按了搶答按鍵則搶答無效，不會顯示其號碼。 3.1.3主要元器件功能介紹 （1）8D鎖存器74LS373 74LS373為三態(tài)輸出的8 D鎖存器。引腳說明：D0～D7 數(shù)據(jù)輸入端，OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效），Q0～Q7 輸出端。當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當 OE 為高電平時，Q0～Q7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端 LE 為高電平時，Q 隨數(shù)據(jù) D 而變。當 LE 為低電平時，D 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 （2）優(yōu)先編碼器74LS148 74LS148 為 8 線－3 線優(yōu)先編碼器。將 8 條數(shù)據(jù)線（0－7）進行 3 線(4-2-1)二進制（八進制）優(yōu)先編碼，即對最高位數(shù)據(jù)線進行譯碼。芯片管腳：0－7 編碼輸入端(低電平有效)，EI 選通輸入端(低電平有效)，A0、A1、A2 三位二進制編碼輸出信號即編碼 輸 出 端(低電平有效)，GS 片優(yōu)先編碼輸出端即寬展端(低電平有效)，EO 選通輸出端，即使能輸出端。 （3）數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器74LS48 74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器。引腳：A0－A3為譯碼地址輸入端，BI/RBO為消隱輸入（低電平有效）/脈沖消隱輸出（低電平有效）LT為燈測試輸入端（低電平有效），RBI脈沖消隱輸入端（低電平有效），Ya－Yg段輸出。當A0-A3輸入0到15時，段輸出驅(qū)動數(shù)碼管顯示響應(yīng)的數(shù)字。 （4）74LS192十進制可逆計數(shù)器 74LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數(shù)器。CPU為加計數(shù)時鐘輸入端，CPD為減計數(shù)時鐘輸入端。 LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進位輸出：1001狀態(tài)后負脈沖輸出， BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負脈沖輸出。 3.2電路設(shè)計 3.2.1搶答電路設(shè)計 搶答電路的功能有兩個：一是能分辨出選手按鍵的的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作無效。選用優(yōu)先編碼74LS148和8D鎖存器74LS373可以完成上述功能，其電路組成如圖2.2所示。 其工作原理是：當主持人控制開關(guān)S9處于斷開狀態(tài)時，74LS373的鎖存控制端為高電平不鎖存，Q隨數(shù)據(jù)D而變。此時8輸入與非門74LS30的輸出為低電平。同時由于開關(guān)S9斷開，數(shù)碼管的共陰極為高電平，這樣就不會在未搶答狀態(tài)下顯示號碼了。而此時74148的輸入為八個高電平輸出為三個高電平如果不加控制經(jīng)7448譯碼輸出后會在數(shù)碼管上顯示數(shù)字7。這里把8輸入與非門74ls30的輸出接到7448的滅燈控制端BI/RBO，抑制數(shù)碼管顯示。當開關(guān)S9被閉合時，進入搶答狀態(tài)。這時雖然開關(guān)S9閉合使或門74S32的一個輸入端為0，但由于8輸入與非門的輸出仍為0所以74LS373的鎖存控制端仍為1，不會阻止數(shù)據(jù)的通過。當?shù)谝粋€按鍵按下時，74LS30的輸出變?yōu)楦唠娖剑瑫r由于開關(guān)S9以閉合使得或門74S32的兩個輸入都為低電平，則鎖存器373的鎖存控制端ENG變?yōu)榈碗娖?，鎖存此時的Q值。理論上該值只有一個為低電平，其余為高電平，為低電平的那個即為搶答的成功的那個。這時對74148來說就有了有效輸入（某個輸入端變?yōu)?），優(yōu)先編碼得到一個數(shù)字作為7448的輸入在數(shù)碼管上顯示出來。這樣就完成了從搶答到顯示的工作。 3.2.2定時電路設(shè)計 定時電路主要實現(xiàn)30秒倒計時的功能。該部分主要由555定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進制同步加減計數(shù)器74LS19構(gòu)成的減法計數(shù)電路、74LS4譯碼電路和2個7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。完成的功能是當主持人按下開始搶答按鈕后，進行30s倒計時。當有人搶答時，計時停止。兩塊74LS192實現(xiàn)減法計數(shù)，通過譯碼電路74LS48顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。74LS192的預(yù)置數(shù)控制端實現(xiàn)預(yù)置數(shù)30s，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數(shù)器開始減法計數(shù)工作，并將時間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管上。當有人搶答時，停止計數(shù)并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，且倒計時時間到時，也停止計時。 其中555定時器和兩個電阻、兩個電容構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生周期為一秒的脈沖接到74LS192的減計數(shù)端進行每秒一次的減計數(shù)。其震蕩周期的計算公式為。在電路中取 得震蕩周期為T=(30k+27K)*470nF=1S。兩片74LS192構(gòu)成30進制減計數(shù)器。當收到來自555定時器的脈沖時，控制個位的74LS192就會減計數(shù)，當它減到0再收到脈沖要繼續(xù)減的時候，其借位輸出端輸出正脈沖使十位的74LS192減一計數(shù)。開關(guān)的作用是在開關(guān)閉合時進行預(yù)置數(shù)，把兩片74LS192分別預(yù)置位3和0。74LS373的作用這里沒有體現(xiàn)出來，它是在總的電路中用到的。它用于在成功搶答后鎖存數(shù)碼管上顯示的時間。74LS48是數(shù)碼管譯碼驅(qū)動器。用于將573中鎖存的數(shù)字顯示出來。這里的數(shù)碼管是共陰極數(shù)碼管，其共陰極直接接地沒有像搶答電路中那樣加入按鍵控制。 圖2.3 定時電路 3.2.3報警電路設(shè)計 報警電路的作用是當開始搶答時進行短暫的報警提醒。由于要求是短暫的報警提醒，所以要設(shè)計一種可以產(chǎn)生單脈沖的單穩(wěn)態(tài)電路，使其在某個信號刺激下產(chǎn)生單脈沖使有源蜂鳴器發(fā)聲一段時間后停止發(fā)聲。本次設(shè)計采用了一個集成的單穩(wěn)態(tài)芯片構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路。當有脈沖到達時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)態(tài)，輸出高電平使蜂鳴器響進行發(fā)聲報警。在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時間后，自動返回穩(wěn)態(tài)回到低電平，蜂鳴器停止發(fā)聲。將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的脈沖輸入接到開關(guān)上，當開關(guān)閉合時產(chǎn)生一個脈沖使蜂鳴器發(fā)聲。電路有TTL集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成。輸出脈沖寬度公式為。這里R取30千歐姆，C取10微法。得到約為0.2秒。當輸入下降沿時蜂鳴器就會響0.2秒。 3.2.4總電路設(shè)計 把搶答電路、計時電路、報警電路三部分組合起來再加上一些控制電路就構(gòu)成了總電路。如圖2.5所示。當有人搶答成功時，八輸入與非門輸出為1而U10非門7404輸出1，則與非門U9B輸出0使計時電路中的74LS373鎖存此時的時間，數(shù)碼管時間不再變化，直到斷開開關(guān)準備進行下一輪搶答。開始搶答開關(guān)同時連接控制著一個指示燈，當開始搶答時指示燈會亮；開關(guān)也連接了一個由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的警報電路，開關(guān)閉合后會有一個脈沖送到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使其發(fā)出一個單穩(wěn)態(tài)脈沖驅(qū)動蜂鳴器短暫鳴響提醒搶答人員搶答開始。當脈沖結(jié)束后蜂鳴器停止鳴響。當搶答結(jié)束要進行下一次搶答前開關(guān)再次斷開，這是會同時使指示燈滅，顯示號碼的數(shù)碼管滅，顯示倒計時的兩個數(shù)碼管恢復(fù)顯示30。如此循環(huán)往復(fù)，構(gòu)成整個搶答過程?？偟碾娐穲D見 圖2.5 總電路圖 4仿真調(diào)試 4.1搶答電路仿真 仿真結(jié)果:當“開始搶答”按鍵S9沒有閉合時，按下S0到S9進行搶答沒有效果。當S9閉合時，數(shù)碼管顯示S0到S9中最先按下的按鍵號。如圖2.6最先按下了S5顯示5。后按下的鍵不會改變顯示的數(shù)字?！伴_始搶答”按鍵S9斷開后，數(shù)碼管滅。 圖2.6 搶答電路仿真圖（局部） 4.2計時電路仿真 仿真結(jié)果：當“計時開始”開關(guān)斷開時，數(shù)碼管顯示“30”。當開關(guān)閉合時開始在數(shù)碼管上倒計時顯示。當?shù)褂嫊r到0時停止倒計時，直到斷開開關(guān)數(shù)碼管恢復(fù)顯示30。如圖為倒計時到17秒時的效果。 圖2.7 計時電路仿真圖（局部） 4.3總電路仿真 仿真結(jié)果：當“開始搶答”開關(guān)斷開時，計時數(shù)碼管顯示30，不顯示號碼，按下?lián)尨鸢存I也沒有反應(yīng)。當“開始搶答”開關(guān)閉合時，開始30秒倒計時，蜂鳴器發(fā)聲0.2秒，LED燈亮。在倒計時結(jié)束前如果如果有“搶答按鍵”按下則顯示響應(yīng)的號碼，如圖中顯示的2號搶答成功。當30秒計時結(jié)束時，LED燈滅。 圖2.8 總電路仿真圖（局部） 5總結(jié)與體會 回顧起此次課程設(shè)計，有很多體會。從選題到定稿，從理論到實踐，在短短一個星期的時間里，遇到了很多困難，但也有很大的收獲。通過這次課程設(shè)計不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上沒有的知識。課程設(shè)計讓我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，才能有所成果。在設(shè)計的過程中也發(fā)現(xiàn)了自己很多不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說對555定時器的原理掌握不扎實、對Multisim的一些重要使用方式不太了解等。 本次電子課程設(shè)計實習(xí)將理論與實踐有機地結(jié)合，既考查了對理論知識的掌握程度，，又考查了對知識的綜合運用以及創(chuàng)新設(shè)計思維能力，為今后的發(fā)展提供了一次良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。針對課設(shè)題目八路搶答器，一開始還沒有頭緒，不會運用所學(xué)知識進行有效設(shè)計，但通過上網(wǎng)查閱各種類似的設(shè)計，去圖書館翻閱相關(guān)設(shè)計書籍，查閱所提供的芯片功能，確定基本設(shè)計方案，又通過仿真驗證試驗方案的可實行性，雖說比較煩雜但卻對設(shè)計一個電路有了基本的經(jīng)驗。通過這次課程設(shè)計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在設(shè)計過程中，經(jīng)常會遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實際接上電路，總是實現(xiàn)不了，因此耗費在這上面的時間用去很多。 做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。 參考文獻： 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 第五版. 北京：高等教育出版社，2006.