数电课程设计报告 八路抢答器Good文档格式.docx
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当第一个人按下按键后,则在显示器上显示该组的号码,同时电路将其他各组按键封锁,使其不起作用。
回答完问题后,由主持人将所有按键恢复,重新开始下一轮抢答。
抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间可以由主持人设定(如,30秒)。
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。
如果定时时间已到,无人抢答,本次抢答无效,系统通过一个指示灯报警并禁止抢答,定时显示器上不显示。
因此要完成抢答器的逻辑功能,该电路至少应包括输入开关、数字显示、判别组控制以及组号锁存等部分。
2.1设计方案选取
2.1.1方案一:
图3方案一完整原理图
(1)方案介绍:
抢答电路:
使用74ls112双下降沿J-K触发器锁存抢答信息,当有人抢答时,
利用触发器相应输出信号,通过74LS20、74LS32、74LS02组成的门电路锁定74LS112和74LS192,至此,抢答与计时电路均封锁。
同时使用74ls148作为编码器,对抢答的编号进行编码,输出BCD码的低3位,再将这3位的BCD码连接BCD型共阴数码管里显示出抢答者的编号,此时蜂鸣器响一秒。
主持人电路:
利用74ls192计数器作为倒计时的芯片,当主持人按下抢答复位键时,74ls192被置九,同时将显示上次抢到题目的选手编号的数码管清零,并开始倒计时,并通过74ls148编码器将即时时间进行编码,并送到BCD型共阴数码管,显示此时的时间。
假如在9秒内有人抢答,则计数器停止倒计时,并将74LS112触发器锁存,禁止选手抢答,停止倒计时,蜂鸣一秒。
否则倒计时结束后,锁存计数器192和抢答器,禁止抢答并蜂鸣一秒。
(2)流程图:
如图4
图4
整个电路流程如图1所示,主要分为两部分,一个是倒计时部分,一个是抢答部分,其中抢答器部分由锁存器电路,编码器电路,数码管、小灯显示电路组成,其中倒计时电路由倒计时芯片192,编码器148,数码管显示电路,倒计时采样1hz的脉冲作为时钟信号输入端。
2.1.2方案二:
整体的电路可以分为两部分,一个是抢答电路,第二部分是定时,报警电路。
1.抢答器供8名选手比赛,分别用8个按钮1~8表示。
这个功能只需要通过管脚分配把按键分配到74HC573锁存器,让每个选手按下按钮后产生相应的信号,74HC573锁存器输出到74LS148编码器进行编码,再输出到译码显示。
设置一个系统清除按钮RES和抢答开始控制开关STA,这两个按钮由主持人控制。
RES连接到74HC573的OE(低电平有效)端和通过非门连接到74LS74的R端,可以实现清零功能。
STA连接到74LS74的CLK脉冲输入端,实现开始计时控制。
抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按键,锁存相应的编号,并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
74HC573具有锁存功能,可以在一个选手按下按钮后进行锁存,其他的选手不能在抢答。
由于选要实现手输入1到8时数码管分别显示“1”到“8”,显示“1”到“7”可以根据74LS148向74LS48译码器直接输出实现。
为了向74LS148输出8,从而使数码管显示8,这里采用将74HC573锁存器的D7拉为低电平,从而向74LS148优先编码器的0-7输入端输入0即“0×
×
”,同时将74HC573锁存器的Q7输出端通过非门接到74LS48译码器的D输入端,使74LS48的“DCBA”端输入为“1000”,即十进制的“8”,最终实现数码管可以显示数字“8”。
2.定时抢答功能,和报警部分:
抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间由主持人通过拨码开关设定(如,30秒)。
当主持人按下"
STA"
74LS192具有减法功能,通过使用74LS192可以对设定的时间进行自减。
只需要给定74LS192秒脉冲就可以。
同时74LS192结合74LS48可以对所设定的抢答时间和选手抢答的时间显示出来。
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。
选手进行抢答,通过锁存器,编码器,译码器显示出来。
当某个选手抢答有效,通过74LS148编码器的GSN端口连接到74HC573的LE锁存端就可以进行禁止其他选手的抢答,同时把该选手的号码显示在数码管上,同时通过74LS148编码器的GSN端口和74LS192的TCU通过二极管与门可以停止脉冲产生,达到显示抢答时间的效果。
如果定时时间已到,无人抢答,本次抢答无效,系统报警,定时显示器灭灯。
当时间到的时候,减法器74LS192的十位的TCD(错位输出端)端口发出一个低电平,输入到二极管与门,使二极管与门输出低电平,脉冲产生单元停止产生脉冲,74LS192的Q0~Q3输出端都为低电平,由于是工银数码管,故数码管不显示.
2.2最终实施方案
最终实施方案为方案二,能够实现定时时间设置。
2.3原理框图
译码显示
优先编码电路
脉冲产生电路
定时电路
控制电路
主持人控制
抢答输入端
锁存器
报警电路
图1原理框图
2.4设计思路
1.抢答器供8名选手比赛,分别用8个按钮1~8表示。
2.设置一个系统清除按钮RES和抢答开始控制开关STA,这两个按钮由主持人控制。
4.抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间由主持人通过拨码开关设定(如,30秒)。
6.如果定时时间已到,无人抢答,本次抢答无效,系统报警,定时显示器灭灯。
2.5设计流程图
使用两个74LS192进行设定抢答时间
把74HC573的8个数据输入
引脚分配到8个输入按键
把两个74LS192的输入引脚都分配到各自的设定输入
把74HC573的8个数据输出
引脚74LS148
通过连线和与非门将各部分电路连接起来,当有人抢答的时候,锁定选手号码和抢答时间
使用74LS48对编码进行译码并连接到数码管进行显示
图2流程图
3整体电路设计
图5方案二整体电路图
4单元电路设计与实现
整个电路分为锁存与编码单元,抢答时间设定单元与及译码单元,时钟产生单元,报警发声单元。
4.1锁存与编码单元
图6锁存及编码单元
4.1.1锁存单元
抢答器电路由锁存器和按键组成。
在未抢答前,8路锁存器74HC573的LE端为高电平,锁存器的输入端的电平能直接送到相应的输出端,当抢答开始后,LE端变成低电平,锁存器锁存,也就是说输入的信号不能送到相应的输出端,各个输出保持锁存前的电平。
此时抢答不能进行。
当主持人按下时,74HC573的OE为高电平,显示器被清零,抢答被禁止。
当主持人开关断开时,抢答被允许。
此时如有人抢答,74HC573相对应的输入端则变成低电平,通过反馈74HC573锁存信号。
LE控制端保持高电平,抢答准备工作已经完成。
当8个抢
答开关S1至S8中有一个先按下时,其对应的输入端变为低电平,此低电平被送到锁存器对应的输出端,此时编码器模块开始编码,74HC573执行锁存功能,这时如果有按键按下,锁存器的输出端也不会发生改变,从而实现了锁存的功能和编码的功能。
4.1.2编码单元
在选手按动按钮后,发出相应的信号。
使用74LS148对信号进行编码,优先判决器是由74LS148集成优先编码器等组成。
该编码器有8个信号输入端,3个二进制码输出端,输入使能端EI,输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。
其功能表如表5.24.1所示。
从功能表中可以看出当EI=“0”时,编码器工作,而当EI=“1”时,则不论8个输入端为何种状态,输出端均为“1”,且GS端和EO端为“1”,编码器处于非工作状态,这种情况被称为输入低电平有效。
图7优先编码器74LS148功能表
输入
输出
EII0I1I2I3I4I5I6I7
A2A1A0GSEO
1×
×
11111
011111111
11110
0×
0
00001
01
00101
011
01001
0111
01101
01111
10001
011111
10101
0111111
11001
001111111
11101
(表中×
代表任意状态)
由74LS148集成优先编码器组成的优先判决器如图所示,当抢答开关S1—S7中的一个按下时,编码器输出相应按键对应的二进制代码,低电平有效。
编码器输出AO~A2、工作状态标志GS作为锁存器电路的输入信号,而输入使能端EI端应和锁存器电路的Q0端相联接,目的是为了在EI端为“1”时锁定编码器的输入电路,使其它输入开关不起作用。
具体实现电路为:
4.1.3反相单元
4.2设定抢答时间单元及译码单元
图8
4.2.1设定抢答时间单元
74LS192是同步十进制可逆计数器(BCD二进制),它具有双时钟输入,并具有清除和置数等功能,其引脚排列及逻辑符号如下所示:
图9
74LS192的引脚排列及逻辑符号
(a)引脚排列
(b)逻辑符号
图中:
为预置输入控制端,异步预置;
为加计数端;
为减计数端;
为非同步进位输出端,1001状态后负脉冲输出;
为非同步借位输出端,0000状态后负脉冲输出;
P0、P1、P2、P3为计数器输入端,
为清除端,高电平有效,异步清除;
Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
其功能表如下:
输入
输出
MR
P3
P2
P1
P0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
d
c
b
a
加计数
减计数
图10
74LS192的功能表
因此设定脉冲输入后,需要使用两个74LS192,一个作为个位,一个作为十位。
个位的BO连接到十位的脉冲输入,
十位的BO就连接到脉冲,表示时间到的时候脉冲不对74LS192作用。
具体的电路如下:
图11设定抢答时间单元
4.2.2译码单元
译码单元采用74LS48驱动共阴数码管的译码器。
输出端(Ya-Yg)为高电平有效,可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。
当要求输出
0-15
时,消隐输入(BI)应为高电平或开路,对于输出为0
时还要求脉冲消隐输入(RBI)为高电平或者开路。
当BI为低电平时,不管其它输入端状态如何,Ya-Yg均为低电平。
当RBI和地址端(A0-A3)均为低电平,并且灯测试输入端(LT)为高电平时,
Ya
-Yg为低电平,脉冲消隐输出(RBO)也变为低电平。
当BI为高电平或开路时,LT为低电平可使Ya-Yg均为高电平。
48
与248
的引出端排列、功能和电特性均相同,差别仅在显示6
和9,248
所显示的6
和9
比48
多出上杠和下杠。
引出端符号
A0-A3
译码地址输入端
BI/RBO消隐输入(低电平有效)/脉冲消隐输出(低电平有效)
LT灯测试输入端(低电平有效)
RBI脉冲消隐输入端(低电平有效)
Ya-Yg
段输出
具体的连接电路为:
图12译码单元
图13
图14
74LS48的引脚排列
4.3脉冲产生单元
555定时器由3个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成其中,1脚为接地端;
2脚为低电平触发端,由此输入低电平触发脉冲;
6脚为高电平触发端,由此输入高电平触发脉冲;
4脚为复位端,输入负脉冲(或使其电压低于0.7V)可使555定时器直接复位;
5脚为电压控制端,在此端外加电压可以改变比较器的参考电压,不用时,经0.01uF的电容接地,以防止引入干扰;
7脚为放电端,555定时器输出低电平时,放电晶体管TD导通,外接电容元件通过TD放电;
3脚为输出端,输出高电压约低于电源电压1V—3V,输出电流可达200mA,因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等;
8脚为电源端,可在5V—18V范围内使用。
555定时器工作时过程分析如下:
5脚经0.01uF电容接地,比较器C1和C2的比较电压为:
UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。
当VI1>
2/3VCC,VI2>
1/3VCC时,比较器C1输出低电平,比较器C2输出高电平,基本RS触发器置0,G3输出高电平,放电三极管TD导通,定时器输出低电平。
当VI1<
1/3VCC时,比较器C1输出高电平,比较器C2输出高电平,基本RS触发器保持原状态不变,555定时器输出状态保持不来。
2/3VCC,VI2<
1/3VCC时,比较器C1输出低电平,比较器C2输出低电平,基本RS触发器两端都被置1,G3输出低电平,放电三极管TD截止,定时器输出高电平。
1/3VCC时,比较器C1输出高电平,比较器C2输出低电平,基本RS触发器置1,G3输出低电平,放电三极管TD截止,定时器输出高电平。
因为周期为一秒,所以频率是1赫兹。
图中电容的充放电时间分别是:
t1=R11*C*ln2≈0.7R11*Ct2=(R13+R11)*C*ln2≈0.7(R11+R13)C;
所以555的3端输出的频率为:
f=1/(t1+t2)≈1.43/((2R13+R11)C);
所以我们采用的电阻和电容值分别是:
R13=7MΩ,R11=1KΩ,C1=0.1uf,满足上式,f=1.021356≈1HZ即得到的是秒脉冲。
图15
图16555定时器引脚图
4.4报警发声单元
图17
由555定时器构成的报警电路如图所示。
图中555定时器用来构成多谐振荡器,其振荡频率和秒脉冲产生电路频率的计算方法相同。
3端的输出信号驱动扬声器,发出报警信号。
当4端的输入信号是高电平时,振荡器工作,有报警信号,4端输入低电平时,振荡器不工作,没有报警信号。
也就是说需要报警时只需控制输入端即可。
振荡频率f=680.952HZ
4.5状态控制单元
74LS74内含两个独立的D上升沿双d触发器,每个触发器有数据输入(D)、置位输入(
)复位输入(
)、时钟输入(CP)和数据输出(Q、
)。
、
的低电平使输出预置或清除,而与其它输入端的电平无关。
当
均无效(高电平式)时,符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。
74ls74功能表:
图18
图1974ls74引脚图
图20状态控制单元
5实物制作
5.1绘制印刷电路PCB图
报警发声模块
图21
设定抢答时间模块
图22
图23
抢答模块
脉冲产生模块图24
图25
状态控制模块
5.2制作印刷电路板和焊接电路
抢答模块图26
抢答时间设置模块图27
状态控制模块图28
报警发声模块图29脉冲产生模块
数码管模块图30
按键模块图31
5实验结果
仿真实验:
主持人先按下置位端,就可以设定抢答时间,按照个位和十位的拨动开关设定,在对应的数码管上可以看到相应的抢答时间。
然后主持人就可以按下开关让选手抢答,这时候抢答时间开始自减,在这个时间内,如果有选手抢答,数码管上会显示相应的选手号,在这个时候,如果有其他的选手也按下了抢答按钮,显示器不会显示。
如果在抢答时间内没有人抢答,显示抢答时间的数码管灭灯,而且有报警灯闪。
当主持人要进行下一轮的抢答,可以按下按键RES作为清零,按下按键STA重新开始抢答。
综上所述,实验结果符合实验任务的要求。
实物联合调试:
经过实物联合调试,发现脉冲产生单元无法正常工作,更换脉冲发声单元之后能实现仿真所能实现的功能中的倒计时、抢答、报警等基本功能。
经过我们的分析,问题处在附带有二极管与门的脉冲产生模块中,脉冲产生单元本身有问题,跟换脉冲源时由于二极管与门未能连回总电路,导致联合调试中只能实现基本功能。
我们尝试重新制作,但时间紧迫,未能实现。
6总结
从确定选题为智能抢答器之后,为了完成《数字电子技术》课程设计,我上网查阅搜索了许多资料,从最初的了解抢答器的定义概念和基本原理,到比较深入了解到抢答器的不同设计方案以及其组成结构、实现方式、实现原理和功能差异、优缺点等。
由于时间仓促、本人和队友知识有限,未能自己完全独立地设计完整的智能抢答器电路,因而参照网上的设计方案实施课程设计,在开展课程设计之前,我查阅了组成抢答器各种组合逻辑电路、时序逻辑电路,理解各个芯片的引脚及其功能、时序图、真值表等内容,阅读学习相关实例,先理解每个器件独立工作的原理,最终将各个芯片及其他元器件联系起来,理解整个抢答器的工作原理和实现过程,并尝试对原有方案进行改进。
在对抢答器设计方案进行仿真可行的情况下,我们开展抢答器的实物制作,我负责印刷电路板的设计工作以及制作,我对AltiumDesigner这款软件比较熟悉,但考虑到抢答器电路相对复杂,而且已经在Proteus里仿真了,就尝试在Proteus平台制作PCB图,由于对这款软件的PCB设计相对陌生,根据经验尝试失败后,我搜索相关教程,掌握其基本方法,着手制作,但在制作中还是出现许多问题,开始我是将一整个抢答器电路设计在一个PCB文件里,错综复杂的线根本无法完成有效地电路布局布线,而切元件封装库不全面,对实际操作产生了困难,我最终放弃在Proteus设计PCB。
接下来在AltiumDesigner上设计,这次我根据前面的教训,决定对硬件进行模块化设计,将每个电路单元设计为一个个硬件模块,每一个电路单元,从原理图到PCB布局布线,都是从头开始做,画原理图相对简单,然而对PCB的布局布线需要一定的技巧,容易产生错误,所以花费时间较长。
每完成一个硬件模块