智能仪器课程设计文档格式.docx
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2.1电阻………………………………………………………………………5
2.2发光二极管………………………………………………………………5
2.3二输入4与非门74LS00…………………………………………………5
2.4三输入3与非门74LS10…………………………………………………6
2.5四D触发器74LS175……………………………………………………7
2.6555定时器构成的多谐振荡器…………………………………………8
2.6.1555定时器…………………………………………………………8
2.6.2555定时器构成的多谐振荡器…………………………………9
2.7抢答器按键部分…………………………………………………………10
2.8抢答器指示及发声部分…………………………………………………11
3电路的组成及控制原理……………………………………………………13
3.1抢答控制电路……………………………………………………………13
3.2抢答器……………………………………………………………………13
3.3清零装置…………………………………………………………………14
3.4显示、声响电路…………………………………………………………14
总结………………………………………………………………………………15
参考文献…………………………………………………………………………16
附录
附录一电路原理图………………………………………………………………17
附录二元器件清单…………………………………………………………………18
附录三PS-MH4015L型蜂鸣器参数表………………………………………………………19
1设计方案
1.1概述
简易三人抢答器是让主持人从三名竞赛者中确定出最先的抢答者。
1.2电路组成和工作原理
根据上面所说的功能要求，智力竞赛抢答计事系统的组成框图如下图1-1所示。
它主要有五部分组成：
图1-1整体框架图
如图为这个三路抢答器的方案流程图，其具体介绍如下：
选手抢答按键由三个可自动复位开关组成；
多谐振荡器由555定时器和电容和电阻构成；
主持人复位键使用一个可自动复位按键；
声光提示部分由三个发光二极管和一个扬声器构成；
抢答信号分析主体部分由一个四D触发器74LS175和两个二输入与非门（由74LS00提供）和一个三输入与非门（由74LS10提供）构成。
该抢答器工作流程：
抢答开始前，主持人按下复位键，此时，三个发光二极管均为熄灭状态，扬声器不发声。
当主持人表示开始抢答时，选手按下抢答器按键，和该选手对应的指示灯即发光二极管亮，扬声器发出声音，同时通过与非门电路将抢答信号反馈回来，锁住抢答器主体，使之不再接收其他选手的抢答信号，从而保证只有第一个按下抢答按键的选手获得答题权。
等到进入下一抢答环节，主持人按下复位键，抢答器再次处于可抢答状态。
1.2.1抢答器
智力竞赛抢答器的核心。
当参赛者的任意一位首先按下抢答开关事，抢答器即刻接受该信号，指使相应发光二极管亮（或音响电路发出声音），与此同时，封锁住其他参赛者的输入信号。
1.2.2抢答控制器
由三个开关组成。
三名参赛者各控制一个，拨动开关使相应控制端的信号为高电平或低电平。
1.2.3清零装置
供比赛开始前裁判员使用。
它能保证比赛前触发器统一清零，避免电路的误动作和抢答过程的不公平。
1.2.4显示、声响电路
比赛开始，当某一参赛者按下抢答器开关时，触发器就接受该信号，在封锁其他开关信号的同时，使该路的发光二极管发出亮光和蜂鸣器发出声响，以引起人们的注意。
1.2.5振荡电路
它提供给抢答器工作的控制脉冲。
2.1电阻
因为物质对电流产生的阻碍作用，所以称其该作用下的电阻物质。
电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。
没有电阻或电阻很小的物质称其为电导体，简称导体。
不能形成电流传输的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。
在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。
导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。
作用：
主要职能就是阻碍电流流过，应用于限流、分流、降压、分压、负载与电容配合作滤波器及阻匹配等。
数字电路中功能有上拉电阻和下拉电阻。
2.2发光二极管
半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。
事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。
2.3二输入4与非门74LS00
图2-1二输入4与非门74LS00的内部逻辑图
图2-2二输入4与非门74LS00的引脚图
74LS00有外部14个管脚，内部由四个二输入与非门电路构成。
功能就是实现一个简单与非门，现取其中一个列其功能表：
Y=
输入
输出
A
B
Y
L
H
表2-3二输入与非门功能表
2.4三输入3与非门74LS10
图2-4三输入3与非门74LS00的内部逻辑图
74LS10有外部14个管脚，内部由三个三输入与非门电路构成。
现取其中一个列其功能表：
输
入
C
出
表2-5三输入与非门功能表
2.5四D触发器74LS175
图2-674LS175引脚图
图2-7四D触发器逻辑图
四D触发器，顾名思义，是由四个触发器构成，并且这四个触发器为上升沿触发，其功能表为：
输入
输出
RD
CP
D1
D2
D3
D4
Q1
Q2
Q3
Q4
×
↑
保持
表2-8四D触发器74LS175的功能表
2.6555定时器构成的多谐振荡器
2.6.1555定时器
555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。
555定时器的内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
图2-9555定时器内部结构
2.6.2555定时器构成的多谐振荡器
555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。
因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。
用555定时器组成的多谐振荡器如图3.4.2所示。
接通电源后，电容C被充电，当vc上升到
2Vcc/3时，使vo为低电平，同时放电三极管TD导通，此时电容C通过R2和TD放电,vc下降到Vcc/3时，vo翻转为高电平。
电容C放电所需时间为：
tpL=R2Cln2≈0.7R2C（1-1）
当放电结束时，TD截止，Vcc将通过R1、R2向电容充电，vc由
Vcc/3上升到
Vcc/3所需的时间为：
tpH=（R1+R2）Cln2≈0.7（R1+R2）C（1-2）
当vc上升到2
Vcc/3时，电路又翻转为低电平。
如此循环往复，在输出端得到一个周期性的矩形波。
其振荡频率为：
f=1/（tpL+tpH）≈1.43/[（R1+R2）C]（1-3）
其振荡周期为:
T=1/f=（R1+R2）C/1.43（1-4）
由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响较小。
（a）电路图
（b）工作波形
2.7抢答器按键部分
在本电路中，需要三位选手各一个抢答按键和主持人一个复位按键。
考虑到抢答器实际需要，在此不采用单刀双掷开关，因为单刀双掷开关在选手抢答之后需要手动扳回，增加了操作的复杂性。
所以选用可复位按键，以减少操作流程。
（a）抢答部分（b）复位键
图2-10抢答器按键部分
如图（a）所示，选手按键区，在常态下，S1、S2、S3处于断开状态，输出端接地处于低电平。
当按键按下去时接通电源，由于电阻R7、R8、R9的作用，输出端会输出高电平。
松开按键，输出端再次变为低电平。
图（b），常态下Rd端通过电阻R6接通5V电源，从而接收到高电平。
当按下S0键，Rd端直接接地，变为低电平信号。
松开S0，Rd再次变为高电平。
2.8抢答器指示及发声部分
图2-11抢答器指示及发声部分
抢答器指示部分主要有指示灯显示对应的作出抢答的选手，和发声部分。
其中指示灯选取三个发光二极管接在相应的电路中，发声功能则选取一个扬声器来完成。
当有选手抢答时，74ls175会发出一个高电平信号到发光二极管，此时能使二极管发光导通。
74ls175输出的高电平电压为2.7v，高电平电流为0.4mA，经过二极管后，电压的压降约为1.3V。
故我们选用了PS-MH4015L型号的蜂鸣器，该蜂鸣器的工作电压为1.2-1.5V，最大的工作电流为0.5mA，故在二极管发光时能使发出声音报告。
因此我们选用这种蜂鸣器，省去了原来的射极放大电路。
3电路的组成及控制原理
下图3-1为三人简易抢答器系统的原理图
图3-1抢答器原理图
3.1抢答控制电路
该系统有开关S1、S2、S3，分别有三名参赛者控制。
常态时开关接地，比赛时，按下开关，使该端为高电平。
3.2抢答器
由有原理图看出，抢答器是由集成电路74LS175和与非门G1组成。
它的工作原理是这样的：
若参赛者A首先按下开关，使该端的输入信号为高电平，74ls175的1D接受该信号是输出Q为高电平，相应的Q非为低电平，这个低电平信号同时送到与非门G1的输入端，与非门G1被封锁，使触发器的控制脉冲CP信号由于与非门G1封锁而被拘之门外，使之不能进行工作。
因此该电路只接收第一个输入的信号，即使此时其他参赛者也按下开关，但由于与非门已被封锁，信号是输入不进去的。
3.3清零装置
为了保证电路的正常工作，比赛开始前，裁判员都是要将各触发出发器的状态统一清零。
按下复位键S0，CLR端接收到低电平信号，74LS175清零。
松开按键S0，CLR端接收到高电平信号，抢答器复位至抢答前的状态，可以进入下一抢答环节。
3.4显示、声响电路
声响显示电路需要在当有参赛者按下抢答开关时，相应电路的发光二极管亮，同时推动输出级的蜂鸣器发出声响。
总结
经过了几个星期的查阅资料学习，使在这次的智能仪表课程设计中，成功的仅利用了四D触发器具有存储功能，从而达到了保证三路抢答器的目的。
使得有记忆功能，并对该电路有清“0”功能。
这种三路抢答器的组成原理简单易懂，只要知道D触发器的功能，就能利用4D触发器，如果想要变成八路的话，则需要2个74LS175原件也就是2个4D触发器，所以此项抢答器具有无限升级的空间。
具有相关基础知识的人都可以按照电路设计图进行该三路抢答器的组建；
而且构造这种三路抢答器的原件基本属于常用零件，所需数量也比较少，也就是说，组合一个这样的三路抢答器所需的成本比较低而且耗时比较少，再者，按电路图谁都会做三路抢答器，但是如果要设计的话，就比较难了，所以这对与厂家来所可以说得上具有很强的竞争力，只有厂家才能制作出来。
物美价廉，符合了现在的市场要求和经济效益。
此次课程设计虽然时间短，但是让我们体会到了团队合作的重要性，让我们学习到了各自的优点，发挥出了自己的长处，找到了各自缺点。
让我们的能力又提升了一个新台阶。
这次设计有不足之处，还希望老师给我们建议，让我们的能力更进一步。
参考文献
[1]康华光，智能仪表基础，高等教育出版社，2006年第五版；
[2]徐国华，模拟及数字电子技术实验教程，北京航空航天大学出版社，2004；
[3]杨志忠，智能仪表课程设计，机械工业出版社，2007年11月；
[4]卢洁成，高世忻，陈力生等，电子电路实验及应用课题设计，中国科学技术大学出版社，2006年第二版；
附录一
附录二
元器件清单
元器件名称
规格及数量
电阻
2kΩ×
35.1kΩ×
220kΩ×
1
电容
0.01uF×
10.1uF×
二极管
5mm红光×
3
蜂鸣器
PS-MH4015L×
555定时器
NE555P×
74LS175
74LS00
74LS10
附录三
PS-MH4015L型蜂鸣器参数表
ModelNO
PS-MH4015L
Frequencyrange
20－16000Hz
Sensitivity
55-65dB
Impedance
Lessthan2.2KΩ
Directivity
Omnidirectional
S/Nratio
Morethan58dB
Standardoperationvoltage
1.2-1.5V
Maxoperationvoltage
10.0V
Currentconsumption
Max0.5mA
Weight
Max0.15g
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