数字电子技术智能抢答器1概要.docx
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数字电子技术智能抢答器1概要
《数字电子技术》课程设计任务书
一、设计课题四
智能竞赛抢答器
二、设计要求
1.四组参赛者在进行抢答时,当抢答者按下面前的按钮时,抢答器都能准确的判断出抢先者,并显示相应的组号。
2.抢答器具有互锁功能,某组抢答后能自动封锁其它各组进行抢答。
3.形同应具有一个总复位开关。
4.安装自己的设计电路。
5.通电调试。
提高部分
1.抢答者犯规或违章（主持人未说‘开始抢答’时,参赛者抢先按钮时,应自动发出警告信号,以指示灯闪为标志
2.抢答器应具有限时功能,抢答时限为30秒。
设计资料
1、阎石.数字电子技术基础.北京:
高等教育出版社,1989
2、张乃国.电子测量.北京:
人民邮电出版社,1985
3、彭介华.电子技术课程设计指导.北京:
高等教育出版社,1997
4、华容茂.电工、电子技术实习与课程设计.北京:
电子工业出版社,2000设计成果
1、课程设计说明书。
2、产品
目录
任务书„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2目录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4第一章方案论证„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„61.1方案论证与比较„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„61.2方案选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„61.3方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6第二章单元电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„82.1抢答电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„82.1.1原理图设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„82.1.2抢答器电路组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„92.2定时电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„132.2.1原理图设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„132.2.2对计数器进行预置„„„„„„„„„„„„„„„„„„152.2.3555定时器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„162.3时序控制电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16第三章仿真分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„183.1抢答电路仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„193.2定时电路仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19第四章制作与调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„204.1制作PCB„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„204.2电路调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„204.2.1通电准备„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„204.2.2单元电路检测„„„„„„„„„„„„„„„„„„204.3组装调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„214.3.1检测与查阅器件„„„„„„„„„„„„„„„„„214.3.2电路调„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„214.3.3连接电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21第五章总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23附录Ⅰ定时抢答器的主体逻辑电路图„„„„„„„„„„„„„„„„„24附录Ⅱ元器件清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24附录ⅢPCB图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25
第一章方案论证
1.1方案论证与比较
与普通抢答器相比,本作品有以下几方面优势:
1、具有清零装置和抢答控制,可由主持人操纵,避免有人在主持人说“开始”前提前抢答而违反规则。
2、具有定时功能,在30秒内无人抢答表示所有参赛选手获参赛队对本题弃权。
1.2方案选择
一、根据系统方框图的原理有两种设计方案可供选择。
1、选手触摸按钮后的信号首先进入RS触发器,CP脉冲控制锁存效果,然后输出再进行编码,译码显示。
2、选手触摸按钮后的信号首先进行编码,然后利用74LS279锁存器,它的输出直接控制锁存功能,然后主持人开关控制锁存器的片选端,发挥清零作用。
锁存器的输出直接进入译码器然后显示。
3、可以用单片机编程实现,其实使用单机做最简单。
三种方案原理均可行,考虑到实际情况,操作和连线地简单易行,因此选择方案二。
二、驱动电路也有两钟方案可供选择:
1、可利用单稳电路控制延迟时间和分频器CC4060进行分频产生间歇式方波。
2、可采用单稳电路控制延迟时间和比较简单的振荡器线路,经比较选用施密特反相器构成的方波发生器比较简单,因为方波发生器的频率都比较低,所以选用555定时电路。
经过组员讨论,选择了比较熟悉的555定时电路。
1.3方案
一、原理
根据要求应具有抢答器具有锁存、定时、显示功能。
即当抢答开始后,选手抢答按动按钮,锁存器锁存相应的选手编码,同时用LED数码管把选手的编码显示出来,并且开始抢答时间的倒计时,同时用LED数码管把选手的所剩抢答时间显示出来,以提醒主持人和选手。
抢答时间可设定30S。
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;主持人将开关置“开始”状态,宣布“开始”抢答器工作。
定时器倒计时,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。
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。
二、抢答器的组成框图
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。
扩展电路完成定时抢答的功能。
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。
第二章单元电路设计
2.1
2.1.1原理图设计
图2.1
抢答器电路设计电路如图2.1所示。
电路选用优先编码器74LS148和锁存器74LS297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,同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管;二是禁止其他选手按键,其按键操作无效。
工作过程:
开关S置于"清除"端时,RS触发器的R、S端均为0,4个触发器输出置0,使74LS148的优先编码工作标志端（图中5号端=0,使之处于工作状态。
当开关S置于"开始"时,抢答器处于等待工作状态,当有选手将抢答按键按下时（如按下S5,74LS148的输出经RS锁存后,CTR=1,RBO（图中4端=1,七段显示电路74LS48处于工作状态,4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。
此外,CTR=1,使74LS148优先编码工作标志端（图中5号端=1,处于禁止状态,封锁其他按键的输入。
当按键松开即按下时,74LS148的此时由于仍为CTR=1,使优先编码工作标志端（图中5号端=1,所以74LS148仍处于禁止状态,确保不会出二次按键时输入信号,保证了抢答者的优先性。
如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。
2.1.2抢答器电路组成
1.编码、锁存电路
编码、锁存电路由优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279组成。
优先编
码器74LS148是8线输入3线输出的二进制编码器（简称8-3线二进制编码器,其作用是将输入0I~7I这8个状态分别编成8个二进制码输出。
优先编码器允许同时输入两个以上的编码信号,不过在优先编码器将所有的输入信号按优先顺序排了队,当几个输入信号同时出现时,只对其中优先权最高的一个进行编码。
其功能表如表2.1所示。
由表看出74LS148的输入为低有效。
优先级别从7I至递0I降。
另外,它有输入使能ST,输出使能S
Y和EX
Y。
174LS148编码器
74LS148引脚图
图2.274LS148的符号图和管脚图
表2.1.74LS148功能表
优先编码器是8线输入3线输出的二进制编码器,其作用是将输入I0至
I7,88个二制码输出.其功能如真值表所示.由表可以看出74LS148R的输入低有效.优先级别从I7至I0递降.另外它有输入使能/ST,输出使能/YS和/YEX;
a.允许编码,/ST=1禁止编码,输出/Y2/Y1/Y0=111;
b./YS主要用于多个编码器电路的级联控制,即/YS总是接在优先级别低的
相邻编码器的/ST端,当优先级别高的编码器允许编码,而无输入申请时,/YS=0,从而允许优先级低的相邻编码器工作,反之若优先级高的编码器有编码时,/YS=1,禁止相邻级别低的编码器工作
c./YEX=0表示/Y2/Y1/Y0是编码输出,/YEX=1表示/Y2/Y1/Y0不是编码输出/YEX为输出标志位。
单片74LS148组成8-3进制输出的编码器,其输出8421BCD。
由表中不难看出,在
电路正常工作状态下,允许当中同时有几个输入端为低
电平,即有编码输入信号。
的优先权最高,
的优先权最低。
当
时,无论其余输
入端有无输入信号（表中以X表示,输出端只给出
的编码,即
。
当、
时,无论其余输入端有无输入信号,只对
编码,输出为
。
274LS279芯片具有锁存器的功能,其内部是由4个JK触发器组成的。
当有
一个人优先抢答后其它的就不能抢答了,其它的虽然有电平输入,但是输入的电平保持原态不变。
其引脚图如2.3
图2.374LS279引脚图
表2.274LS279锁存器功能表
其中:
TCU是加计数进位输出端,当加计数到最大数值时,TCU发出一个低电平信号（平时为高电平;TCD为见计数借位输出端,当减计数到0时,TCD发出一
个低电平信号（平时为高电平,TCU和TCD负脉冲宽度等于时钟低电平宽度。
2.译码、显示电路
译码电路由74LS48组成。
而译码是编码的逆过程,其任务是恢复编码的愿意。
按内部连接方式不同,七段数字显示器分为共阴极和共阳极两种。
174LS48七段显示译码器
74LS48芯片是一个十进制（BCD译码器,可用来驱动共阴极的发光二极管显示器。
74LS48的内部有升压电阻,因此无需外接电阻（可直接与显示器相连接。
74LS48其引脚图如下图,其功能表如下表
图2.474LS48
引脚图
74LS48的功能表如下表所示。
其中,A3A2A1A0为
8421BCD码输入端,
a~g为7
段译码输出端。
表2.374LS48的功能表
常用的七段显示器件:
半导体数码管将十进制数码分成七个字段,每段为一发光二极管。
半导体数码管（或称LED数码管的基本单元是PN结,目前较多采用磷砷化镓做成的PN结,当外加正向电压时,就能发出清晰的光线。
单个PN结可以封装成发光二极管,多个PN结可以按分段式封装成半导体数码管,其管脚排列如下图所示。
e
f
h
9876
a
b
c
d
e
f
a
b
c
d
e
f
·
1
A
2
ALTRBO
BIRBI
3
A
A
GND
半导体显示器管脚排列图共阴极接线图共阳级接线图
图2.5
图2.6七段数字显示器发光段组合
本设计用到的共阴极显示器和74LS48。
74LS48可以驱动共阴极的发光显示器,其内部有升压电阻,无需外接电阻（可以直接与显示器相连接。
为试灯输入:
当=0时,/
=1时,若七段均完好,显示字形是“8”,
该输入端常用于检查74LS48显示器的好坏;当=1时,译码器方可进行译码显示。
用来动态灭零,当=1时,且
=0,输入A3A2A1A0=0000时,则
/
=0使数字符的各段熄灭;/为灭灯输入/灭灯输出,当=0时不管输入如何,数码管不显示数字;/为控制低位灭零信号,当
=1时,说明
本位处于显示状态;若
=0,且低位为零,则低位零被灭。
2.2定时电路设计
2.2.1原理图设计:
aefbcae
afafae
faae
fa
f
图2.7
2、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2.7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,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,2BO输出低电平到时序控制电路,以后选手抢答无效。
下面结合2.7具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。
结合图2.7,图中电容C的放电时间和充电时间分别为
221InCRt⋅⋅=CR⋅≈27.0,CRRInCRRt⋅+≈⋅⋅+=（7.02（21212于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为
C
RRttf⋅+≈
+=
2（43.11212
1,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ZHf1≈,即
表2.4555定时器功能表
2.2.2对计数器进行预置
1.74LS192芯片的介绍
174LS192的引脚图
图2.8
274LS192功能表
表2.574LS192功能表
其中:
TCU是加计数进位输出端,当加计数到最大数值时,TCU发出一个低电平信号（平时为高电平;TCD为见计数借位输出端,当减计数到0时,TCD发出一
个低电平信号（平时为高电平,TCU和TCD负脉冲宽度等于时钟低电平宽度。
2.74LS192的预置数的计算
根据要求使用两片74LS192的异步置数功能构成三十进制减法计数器。
30
进制数器的预制数为N=（001100008421BCD=（30D。
74LS192（1计数器从0011状态开始计数,因此,就因取D3D2D1D0=0011。
;74LS192是计数器从0000状态开始计数,那么,就因取D3D2D1D0=0000。
计数脉冲从CPD端输入。
它的计数原理十,每当地为计数器的BO端发出负跳变借位脉冲时,高位计数器减1计数。
当高位计数器处于全0,同时在CPD=0期间,高位计数器BO=LD=0,计数器完成异步制数,之后BO=LD=1,计数器在CPD时钟脉冲作用下,进入下一轮减计数。
2.2.3555定时器引脚图
图2.9555定时器
CC
V是电压控制端DIS是放电端TH是高电平触发端CO是使能端
GND是接地OUT是输出端D
R是直接置0端TL是低电平触发器
2.3时序控制电路的设计
抢答与定时电路的时序控制电路如下图所示
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:
①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入正常抢答工作状态。
②当参赛选手按动抢答按键时,抢答电路和定时电路停止工作。
③当设定的抢答时间到,无人抢答时表示此次抢答无效。
图2.10时序控制电路
根据上面的功能要求以及图2.1抢答电路,设计的时序控制电路如图2.10所示。
图中,与门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止,门G2的作用是控制74LS148的输入使能端（即图2.2中的5端。
工作原理是:
主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时,来自于图2.3中的74LS279的输出1Q,即CTR=0,经G3反相,输出为1,则555产生的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端（图中用CLCK表示接入到74LS192CPD端的信号,定时电路进行递减计时。
同时,在定时时间未到时,则"定时到信号"为1,门G2的输出=0,使74LS148处于正常工作状态,从而实现功能①的要求。
当选手在定时时间内按动抢答按键时,CTR=1,经G3反相,输出为0,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②的要求。
当定时时间到时,则"定时到信号"为0,/ST=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,封锁时钟CP信号,使定时电路保持00状态不变,从而实现功能③的要求。
第三章仿真分析
1、仿真软件介绍
ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
它运行于Windows操作系统上,可以仿真、分析（SPICE各种模拟器件和集成电路,该软件的特点是:
①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能;有
各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
②支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有:
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、MSP430系列、ARM7以及各种外围芯片。
③提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态,因此在该软件仿真系统中,也必须具有这些功能;同时支持第三方的软件编译和调试环境,如KeilC51uVision2等软件。
④具有强大的原理图绘制功能。
总之,该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件,功能极其强大。
2、Protel软件介绍
PROTEL:
PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。
早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS环境,对硬件的要求很低,在无硬盘286机的1M内存下就能运行,但它的功能也较少,只有电原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而现今的PROTEL已发展到PROTEL99,是个庞大的EDA软件,完全安装有200多M,它工作在WINDOWS95环境下,是个完整的板级全方位电子设计系统,它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server（客户/服务器体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。
3.1抢答电路仿真
3.2定时电路仿真
第四章制作与调试
根据需求选择电路的设计单元进行组合,完成系统的原理图设计与PCB设计,对制作好的PCB板,或准备好的面包板,按照装配图或原理图进行器件装配,装配好之后进行电路的调试。
4.1制作PCB
绘制PCB图（见附录Ⅲ
4.2电路调试
4.2.1通电准备
打开电源之前,先按照系统原理图检查制作好的电路板的通断情况,并取下PCB上的集成块,然后接通电源,用万用表检查板上的各点的电源电压值,完好之后再关掉电源,插上集成块。
4.2.2单元电路检测
1抢答电路
把主持人的控制开关设置为“清除”位置,用万用表检查RS触发器的端为低电平,输出端（4Q~1Q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。
然后把主持人的控制开关拨到“开始”位置,优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态,即抢答器处于等待工作状态,给8路抢答端口即输入端„给上低电平的输入信号,如当有选手将键按下时（如按下,74LS148的输出=010,=0,经RS锁存器后,CTR=1,BI=1,74LS279处于工作状态,4Q3Q2Q=101,=0,经RS锁存器后,出“5”。
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