基于电力电子器件的四路抢答器及显示.docx
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基于电力电子器件的四路抢答器及显示
电子线路课程设计
设计报告
题目四路抢答器
指导教师
院系
班级
学号
姓名
成 绩
二〇一〇年十二月三十日
目录
一、设计题目
二、主要内容及要求
三、方案设计与论证
四、单元电路设计与参数计算
五、总原理图及元器件清单
六、仿真调试与分析
七、安装调试
八、结论与心得
九、参考文献
一、设计题目
抢答器电路设计
二、主要内容及要求
（1）可容纳四组参赛的数字式抢答器。
（2）当某台参赛者按下抢答开关时，由数码管显示该台编号并伴有声响。
此时，抢答器不再接收其他输入信号。
（3）电路具有定时功能。
要求回答问题的时间≤60秒（显示为00~59），时间显示采用倒计时方式。
当达到限定时间时，发出声响提示。
（4）具有计分功能。
要求能设定初始分值，能进行加减分。
（5）在复位状态下台号数码管不作任何显示（灭灯）。
三、方案设计与论证
抢答器的基本工作原理：
主持人按下“开关”按钮后，选手可以通过按按钮的快慢来决定由谁来回答，按得快的选手的编号显示在电子显示管上并伴有响声。
1：
此后选手输入被锁住，如果主持人按下复位键则编号显示处不作任何显示。
2：
然后主持人就按下计时开关，选手开始作答，作答的时间少于60秒，以倒数的方式进行，而且通过显示屏把时间显示出来。
3：
当选手作答仅剩10秒时，开始通过喇叭响来做提示。
如果到了显示“00”时，计时器不再进行倒数而停留在“00”状态。
4：
此时选手仍没有作答成功，则主持人会对该选手进行减分处理，如果在“00”之前作答成功则加分，分数也是通过计分器显示出来。
5：
之后主持人按下开关，所有的显示及工作状态回到初始状态以便进行下一次答题。
四、单元电路设计与参数计算
1、封锁电路
封锁电路的主要功能是分辨选手按键的先后，并能把第一个抢答者的编号锁存起来，并使其他选手的按键操作无效。
实现该电路的功能的主要芯片是74175（图1为功能表，图2为逻辑功能图，图3为锁存器电路）
表1
图2
工作原理：
当主持人控制开关处于“清零”位置时该电路清零即当RD接低电平时，
，
，
，
全为低电平，各显示灯均熄灭，即此时封锁器电路不工作，当主持人将开关拨到“开始”后即RD为高电平时，此时锁存器处于工作状态，即抢答器电路处于等待工作状态。
这时当有选手将按键按下时（如按下SW2）。
此时
=1，由D触发器的功能可知，此时
=1，
=0。
当
=0时，
经过与非门变为1再经过非门变为0，再和4个选手组成的或门逻辑器再与，选手就可以通过开关来抢答，而且只有一次输入变化，因此CP只接收到一次的电平变化，因此那就后就保持了第一次的输出所以就封锁了CP的输入，此时74175不再工作，从而实现了封锁
其他选手的作答。
只有在第一个人答完以后，由主持人操作清零开关使抢答器电路复位，才能进行下一步的抢答。
2.显示编号的电路
到74LS373的锁码器和八段显示器组成的显示台号电路中去显示出选手编号。
当有选手按下了开关后，快的那个选手的编号可以被输出并记忆起来送。
74LS373引脚图如下图所示。
由于74175是低电平有效，将从74175输出端
，
，
，
分别接到其1，2，3，4端，其余的5，6，7端均接高电平，这样就可以形成，最高输出4而不会出现显示大于4的可能出现。
由于其输出以为低电平有效，正常情况下每个输出经过一个非门后就可进行显示编号。
在复位状态下台号数码管不作任何显示（灭灯），所以必须要接74LS248。
3.抢答器定时电路
在比赛规则里，要求选手的答题时间不能超到10秒，因此必须要有一个定时电路，这个电路可以设计成10进制加法器，但是更多的情况下，为了直观的原因我们采用的是10进制减法计数器。
如果选手能在10秒里答对，则算答题成功，否则为失败。
而且在最后的05秒钟伴有响声做为提示，当时最后到达00时，响声也会停止。
为了实现10进制减法计数器，采用了74192芯片，它具有加减法功能，是同步10进制的，在这里我们采用它的减法功能。
74LS192两个引脚图管脚及功能表如下：
74LS192是同步十进制可逆计数器，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（见图2）。
图中：
为置数端，
为加计数端，
为减计数端，
为非同步进位输出端，
为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，
为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
（a）引脚排列 （b）逻辑符号
其功能表如下：
输入
输出
MR
P3
P2
P1
P0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
×
×
×
×
减计数
用两块74192来组成10进制减法计数器，通过置数法让一有电源输入到该电路上，就直接把输出置为09，差通过数码管显示出来，如图左边的74192，它的一个D1、D3接到地（图中没法看到）D0D1D2D3=0101，所以当有电源接入时，左边的数码管能即时显示出“5”。
左边的74192芯片代表十位数字，右边的代表个位数，只有个位上发生从0变到9的状态，才能促使十位上减1，因此把右边芯片的减法进位端作为脉冲信号送到左边的脉冲输入端DN中，而右边接DN接入的应该是一个频率为1HZ的输入脉冲。
UP为加法输入端所以置为高电平。
如果单由两个74192组成定时器则这种定时器会有问题，就是没办法在计数为00时停止计数而是继续回到09再做一次这样的循环。
为了克服这个问题，特意加入了一个JK边沿触发器。
将两个的输出端通过异或非门作为输入，送到JK触发器的时钟信号端CLK，因为如果计时器一旦输出“00”，异或非门的输出刚好为1，而触发器的CLK从0到1，接收到一次上升沿的时钟信号，因而JK触发器此时Q输出为1，再把Q送到两个芯片的MR端，此时芯片就不再处于计数状态，因而可以做出来到“00”停止计时的效果。
4、计分器
当选手作答完后，要根据选手答题的情况来进行加法或减分。
而这个加分减分功能我同样用
了74192，每答对一题得一分，答错一题减一分，主持人根据手答题情况来加减分，最高分为9分，最低分是0分。
这个电路是通过一个BUTTON按钮，按一下会自动的弹上来，这样确保每一次的按和放都有一次的脉冲输入，两个开关代表加分减分，将开关的一端接脉冲，另一端接UP或DN，然后能过输出就可以知道当前得分。
它的电路图见下图（图七）。
图7
五、总电路工作原理及元器件清单
1．总电路原理图：
主持人按下“开关”按钮后，选手可以通过按按钮的快慢来决定由谁来回答，按得快的选手
的编号显示在电子显示管上并伴有响声。
此后选手输入锁住，如果主持人按下复位键则编号显示处不作任何显示。
然后主持人就按计时开关，选手开始作答，作答的时间少于10秒，以倒数的方式进行，而通过显示屏把时间显示出来。
当选手作答仅剩05秒时，开始通过喇叭响来做提示。
如果到了显示“00”时，计时器不再进行倒数而停留在“00”状态。
此时选手仍没有作答成功，则主持人会对该选手进行减分处理，如果在“00”之前作答成功则加分，分数也是通过计分器显示出来。
之后主持人按下开关，所有的显示及工作状态回到初始状态以便进行下一次答题。
总的原理图见下图（图1）
2．元件清单与器件
0.01u电容1个直流蜂鸣器1个0.47K电阻4个
1电阻2个若干开关5.1K电阻1个74LS175,74LS190,74LS20,74LS00,555各一个
原理框架图（图1）
六、仿真调试与分析
根据原理图，我们在实验台上连接电路，先通过K5代替主持人进行复位,然后由K4代替四位选手进行抢答,来验证设计的正确性.首先看下,如果K1的按钮按下后,其对应的LED灯是否亮起,蜂鸣器是否在按钮开关按下后起，还有如果此时再由其他的三个选手按钮后，其他的按钮对其没有任何影响，即电路的锁存功能。
我们经过测试，发现以上的设计是可行的。
通过PROTEL绘了原理图（见图一），并用ERC对电路进行测试，电路测试。
然后通过封装元器件，绘PCB图如下：
调试过程中出现了没办法锁住选手输入，还有计时不在00停等一系列问题，通过不断地观察每一个的输入输出还有查每个芯片的针脚来一次次地改进，比如加一个什么门，加一个开关等，都有可能解决比较难搞的问题。
七:
安装调试
打印好PCB图,然后进行腐蚀,钻孔,得到焊板.然而根据原理图进行焊接得到实物。
四位选手分别对应于Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４。
先对Ｋ５复位后，当选手做出抢答时，此时抢答器开始工作。
当任何一个选手按下开关时，他对应的LED灯亮，并且蜂鸣器响。
而且其他选手在这个时候按开关，是无用的。
直到主持人按下Ｋ5，进行复位后，LED灯灭，然后开始下一轮的抢答。
当我们将实物的电源和接地线分别接上实验台时，按下Ｋ5与Ｋ1，没有发现LED1亮了，但是蜂鸣器却一直响。
由此可得，第一次调试是失败的。
于是为了检测哪里出问题了，我们使用了万用表进行测试。
首先，我们用万用表测量了74LS20的9点电压是高电平，10电压点是高电平，12电压点是高电平，13电压点是高电平，8的各点电压电压点是低电平，由此可得74LS20是的连结线是正确的，同时测量74LS08的1点电压是高电平，所以可以确定在74LS20的8点与74LS08的1点的连结线出了问题。
经过与原理图比较，我们74LS20的8点与原理图的地线相连，所以导致了蜂鸣器一直响的原因。
所以74LS20的8点与74LS08的1点的连结。
然后，我们要解决的是LED灯不亮的问题，由于我们将相同的LED灯放于实验台用5V的电源进行测试，发现LED灯是亮的，此时我们可以排除LED灯烧坏的可能性。
由于74LS175输出的高电平经万用表测量3V，并且有一个1K的限流电阻，我们考虑这种型号的LED灯是否两端的电压不够。
所以在选择了另外一种LED灯后，LED灯成功点亮。
这样实物便能正常工作，基本上能达到设计要求。
八：
结论与心得
本次课程设计对于我的课题的要求基本上实现了。
这次课程设计时间有点匆忙，虽然大部分的功能都实现了，但是还是会存在不完美的地方，实在是时间有点紧，没办法做长时间的修改。
我在这次活动中的工作是调试,当我拿着芯片在实验室时，我感到了一种压力，调试在实验中很重要，因为在这个过程中可能会出现很多问题，然后去解决，所以不能马虎。
在调试中，我遇到了两个问题，灯不亮，蜂鸣器一直响，于是我对照原理图一一对应，也用了万用表进行了相应的测试。
进行了这一次的实验，我懂得了当遇到问题时，要学会自己思考，然后去解决，因为有时候一个小失误致使整个电路工作状态出现错误，但是还是能过一次次的调试，一次次地去修改最后得出了成品。
也学了一个新的软件，这也是很重要的。
当维持两个星期的电子课件眼看尘埃落定，感觉忍不住要长出一口气。
我的动手能力和经验有了一定程度的提高，同时我也自学了PROTELD99SE的相关知识，在数字逻辑电路技术和模拟电子技术的理论知识上也有了更深的了解。
结果怎样已然不再重要，在这几日里，我们经历了阶段性成功的狂喜、测试失败后的绝望、陷入困境时的不知所措，重新投入的振作。
这样的比赛是无法孤军作战的，只有通力合作才有可能成功。
4位成员在数日里的朝夕相伴中培养出了无与伦比的默契和深厚的友谊。
通过这一次的数字逻辑“抢答器”的课程设计，复习了上学期数字逻辑课程的基本内容，对于逻辑问题的分析及设计有了更进一步的掌握。
同时又发现自己的很多不足，自己知识有很多的漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。
这次由于我们的学业不精和时间等客观问题，未能使设计达到完善，还有很多缺点和错误，希望老师能提出改进意见，谢谢老师的辛勤栽培，我以后会更加努力。
如果非要用一句话来概括我们的体会的话，那只能是：
痛并快乐着。
九：
参考文献
《数字电子技术基本教程》阎石清华大学出版社
《电路与电子技术实验》电工电子实验中心
《电路原理图与电路板设计教程protel99se》夏路易石宗义编著
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