PCB电路板数字抢答器的设计及PCB板制作李红圆.docx

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PCB电路板数字抢答器的设计及PCB板制作李红圆

洛阳理工学院

毕业论文（设计）

题目

数字抢答器的设计及PCB板制作

姓名

李学号

院系

洛阳理工学院学院

专业

机电一体化

指导教师

当宝华职称讲师

2010年5月18日

摘要1

关键词1

Abstract1

Keywords1

引言1

1Protel99se介绍2

1．1Protel99SE系统的组成2

1．1．1电路工程设计部分2

1．1．2电路仿真与PLD部分2

1．2Protel99SE的功能特性2

2抢答器的系统简介2

2．1功能简介2

3设计原理与电路3

3．1数字抢答器的结构框图3

3．2主体电路4

3．3扩展电路8

4抢答器其他做法10

4．1门电路做法10

4．2单片机做法10

5总结与展望10

致谢10

参考文献11

附录AProtel整体电路图11

附录BPCB板12

数字抢答器的设计及PCB板制作

通信工程左世宽

指导教师李秀娟

摘要：

抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。

抢答器多向着数字智能化发展，数字抢答器由主体电路与扩展电路两大部分组成：

优先编码电路、锁存器、译码电路将输入信号显示；用控制电路和开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路；通过定时电路和译码电路将脉冲信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。

抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警多重功能。

主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。

关键词：

抢答器锁存器报警电路译码电路

DesignofDigitalAnsweringDeviceandPCBBoardProduction

StudentmajoringinmunicationEngineeringShikuanZuo

TutorXiujuanLi

Abstract：

Responderisatoolthathasbeenwidelyusedinvariousoccasionsofintelligenceandknowledgepetitions.Responderdevelopstoworddigitalintelligence,digitalansweringdeviceextendedfromthemaincircuitandthecircuittwoparts:

thepriorityencodercircuit,latch,decoderinputsignaldisplay;withthecontrolcircuitandswitchstartupalarmcircuit,thesetwopartsofthemaincircuit;throughtheregularcircuitanddecodingcircuitwillpulsethedisplayoutputtoachievetimingfunction,formexpansioncircuit.Responderadditiontoabasicfunction,butalsowithtime,multipletimeandalarmfunctions.Defaultbythetimethedefaulthostfortheanswerinthetimeswitch,thesystemwillpletetheautomaticcountdown.

Keywords:

Responder；Latch；AlarmCircuit；Decodingcircuit

引言抢答器在竞赛中有很大用处,它能准确、公正、直观地判断出第1抢答者。

通过抢答器的指示灯显示、数码显示和警示蜂鸣等手段指示出第1抢答者。

早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。

现在大多数抢答器均使用单片机或数字集成电路，并且附加了如计时、得分显示等功能。

现代的抢答器一般分为电子抢答器和电脑抢答器。

市场上的抢答器参差不齐，存在着线路复杂、成本较高、稳定性低等问题，要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。

做为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使电子器件的抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。

借助逻辑电路制作一个抢答器，具有数字化，制作方便，结构简单，等诸多优点。

1Protel99se介绍

Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。

1．1Protel99SE系统的组成

按照系统功能来划分，Protel99se主要包含以下俩大部分和6个功能模块。

1．1．1电路工程设计部分

（1）电路原理设计部分（AdvancedSchematic99）：

电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器。

本系统的主要功能是：

绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。

（2）印刷电路板设计系统（AdvancedPCB99）：

印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。

本系统的主要功能是：

绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。

（3）自动布线系统（AdvancedRoute99）：

本系统包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。

1．1．2电路仿真与PLD部分

（1）电路模拟仿真系统（AdvancedSIM99）：

电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。

（2）可编程逻辑设计系统（AdvancedPLD99）：

可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（Waveform）。

本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。

利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。

（3）高级信号完整性分析系统（AdvancedIntegrity99）：

信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。

1．2Protel99SE的功能特性

开放式集成化的设计管理体系；超强功能的、修改与编辑功能；强大的设计自动化功能[1]。

2抢答器的系统简介

2．1功能简介

设置8个按钮K0-K7，供8个选手使用。

设置一个由主持人控制抢答器和系统清除开关K。

抢答器由数据锁存和显示功能。

开始抢答后，如果有选手按抢答键，那么该选手的编号立即被所存，并在抢答显示器上显示此编号，同时扬声器响起，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。

抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

抢答器具有定时抢答功能，当开始抢答后，定时器开始倒计时，倒计时时间设定为15秒。

如果在设定时间内有人抢答，则扬声器响，停止倒计时，禁止其他人抢答，抢答显示器上上显示选手的编号和倒计时剩余时间，并保持到主持人将系统清除为止。

如果在设定时间内无人抢答则扬声器响，并禁止抢答。

抢答器工作流如图1

图1抢答器工作流程图

3设计原理与电路

3．1数字抢答器的结构框图

如图2所示为抢答器的结构框图，工作原理：

由主体电路和扩展电路组成，接通电源以后，主持人把开关拨到清零状态，抢答器处于禁止状态，标号显示灯不亮。

定时显示器显示设定时间，主持人将开关拨到开始状态，宣布开始抢答，定时器开始倒计时，扬声器响声提示，选手可在倒计时时间内抢答，抢答器完成：

优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。

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。

图2抢答器的结构框图

3．2主体电路

抢答器电路，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，并锁存优先抢答选手的编号，同时译码显示电路显示其编号，二是禁止其他选手按键，操作无效。

工作过程：

开关K置于清除端时，74LS279的四个RS触发器的置0端均为0，4个触发器输出置0，1Q=0,使74LS148的优先编码工作标志端＝0，使之处于工作状态。

当开关K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K3），74LS148的输出经RS锁存后，1Q=1,RBO=1,七段显示电路74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=011,经译码显示为“4”。

此外，CTR＝1,使74LS148优先编码工作标志端＝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，此时由于仍为1Q＝1,使优先编码工作标志端＝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K开关重新置“清除”然后进行下一轮抢答。

图3抢答器电路

表174LS148功能真值表

输入

输出

IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7

Y2Y1Y0

YEXYS

XXXXXXXX

111

11111111

111

XXXXXXX0

000

XXXXXX01

001

XXXXX011

010

XXXX0111

011

XXX01111

100

XX011111

101

X0111111

110

01111111

111

图474LS148逻辑图

图574LS279逻辑图

输入

输出

Ｑ０

状态不定

表274LS279真值表

报警电路，由NE555定时器和三极管构成的报警电路如图5示。

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号其中NE555构成多谐振荡器，其输出信号经三极管推动扬声器。

PR为时序控制电路输出的控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。

图6报警电路

时序控制电路，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：

主持人将控制开关拨到开始位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态；当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作；当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。

图7、图8为时序控制电路：

图7时序控制电路

（1）

图8时序控制电路

（2）

根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图7所示。

图中，与门A1A的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，2AA的作用是控制74LS148的输人使能端。

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74LS279的输出1Q=0，经7400反相，A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，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2AA的输出ST=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现要求。

当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1，经7404反相，A＝0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门2AA的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能要求。

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[5]。

同时，A1A处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能要求。

集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。

集成单稳态触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间,具体原理如下：

主要由555时钟电路、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。

单稳态触发器74121通过信号/Y3、BO2、S控制报警与否和报警时间，555时钟电路产生脉冲时钟。

在规定的时间有人抢答时，/Y3由1跳变到0，74121有状态2，即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为4.3秒；如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态1，Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警[1]。

表374121功能表

输入

输出

状态编码

↓

暂态高电平

↓

暂态高电平

↓

暂态高电平

↑

暂态高电平

3．3扩展电路

定时电路，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9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，由节目主持人根据抢答题的难易程度，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，BO2输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效[2]。

图9定时电路

图10标准脉冲产生电路

译码显示电路，七段显示译码器与数码管如图11所示。

7段显示译码74LS48将锁存器74LS279的信号译码，输出给数码管。

图11译码显示电路

输入

输出

RBI

BI/RBO

RBI

表374LS48真值表

4抢答器其他做法

4．1门电路做法

这种做法主要由与非门构成以简单的电路实现了抢答器应具有的功能。

但它完全是用与非门构成，在焊接电路时会有较大的困难。

4．2单片机做法

抢答器由单片机以及外围电路组成，由于采用单片机，使得外围电路非常简单，功能并不比一般的抢答器少。

这个做法首先要掌握单片机。

5总结与展望

电路主要是用74系列集成芯片来完成的，在设计的过程中由于芯片的引脚过多，布线工作不是很方便。

有时候会因为某一跟线没有连接好，造成电路的不稳定，这些都是有待改进的。

若利用AT89C51单片机及外围接口实现抢答系统，利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，将软、硬件有机地结合起来，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间。

计分接收的单片机部分利用汇编语言编写。

由于采用汇编语言设计电路，所以编程成功后，硬件电路基本上不需要调试就可正常使用。

即使在设计完毕交给用户使用后，对系统的功能改进或升级也只是通过改写程序来完成，极大地方便了用户或设计者对电路更新。

设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。

电路设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。

它才是一个设计的灵魂所在。

因此在整个设计过程中大部分时间是用在单元电路的理解和设计上面。

很多单元电路是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个单元电路才是关键的问题所在。

这次设计,让我受益匪浅。

我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过查找一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。

致谢

在忙于设计的一段时间里，我深深感觉到自己身上的不足，同时也明白来很多事，此次设计，从开始做这个设计到现在，全身心的投入，确实让我收获啦很多。

在这要多谢我的指导老师李秀娟老师的谅解，鼓励还有严格的要求，还有那些曾经帮助我的同学。

谢谢你们。

参考文献：

[1]姚春年.Protel99SE基础教程[M].北京：

人民邮电出版社，2009：

4-10.

[2]姜书艳.数字逻辑设计及应用[M].北京：

清华大学出版社，2007：

11-1.

[3]王春露，高荔，孙丹丹.数字逻辑[M].北京：

清华大学出版社，2010：

1-12.

[4]安玉景，李雪莹.电子技术基础实验[M].人民邮电出版社,2002，09-11.

[5]王震宇，张培珍.数字信号处理[M].北京大学出版社，2010：

13-17.

[6]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].高等教育出版社，1999.1-60

[7]陈有卿.实用555时基电路300例[M].北京：

中国电力出版社，2005：

1-20.

[8]谢自美.电子线路设计·实验·测试.[M].上海：

电子工业出版社，2001：

66-71.

附录A

Protel整体电路图

附录B

PCB板

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