广工数电课程设计报告四人抢答器.docx
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广工数电课程设计报告四人抢答器
课程设计
课程名称数字电子技术
题目名称四人智力竞赛抢答器
学生学院物理与光电工程学院
专业班级14级电子4班
学号
学生姓名
指导教师
一、设计题目：
四人智力竞赛抢答器
二、设计任务和要求
1.设计任务：
设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。
用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1秒。
选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。
2.设计要求：
（1）4名选手编号为：
1，2，3，4。
各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。
（2）给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。
（3）抢答器具有数据锁存和显示的功能。
抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，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。
（4）抢答器具有定时（9秒）抢答的功能。
当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续1秒。
参赛选手在设定时间（9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
（5）如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。
系统扬声器报警（音响持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。
三、原理电路的设计：
1．
（1）电路系统结构图：
（2）方案的比较与确定及单元电路的设计：
方案一：
电路大致可以由四个功能模块组成：
以锁存器为中心的编码显示电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，音响电路部分。
在锁存器为中心的编码显示电路中，由锁存器74HC373，编码器74HC148，显示器和门电路组成。
使用74HC373作为锁存电路，当有人抢答时，利用锁存器的输出信号号将时钟脉冲置零，74HC373立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1S，此后抢答无效，使用74HC148作为编码器，对输入的信号进行编码，输出4位BCD码，再将这4位的BCD码处理并输入到数码管里显示出抢答者的编号；在脉冲产生电路部分中，用555定时器予以实现，通过调节电阻的阻值得到符合要求的脉冲，因为可以通过改变电阻微调频率，取代了用分频器对高频信号进行分频，从而使电路更简单；在倒计时显示电路中，由计数器CD4510和显示器组成。
利用CD4510计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，CD4510被置9，开始倒计时，并通过CD4511和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，锁存器锁存，禁止选手抢答，蜂鸣器鸣叫一秒。
在音响电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。
方案二：
电路大致可以由四个功能模块组成：
以锁存器为中心的编码显示电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，音响电路部分。
在编码锁存电路中，可以用七段数码管CD4511本身具有的锁存显示功能对输入的数据进行锁存。
当CD4511的LE端被置于高电平时，禁止信号输入，并把译码显示锁存在LE端被置高电平前的状态。
编码部分的电路，主要由一片8—3优先编码器CD4532构成，当有按键被按下，编码端输出一个BCD码并输入到CD4511进行译码，显示在数码管上，在这一瞬间，由74HC151构成的逻辑电路输出一个高电平，用以锁存数据和驱动蜂鸣器，并使计时停止。
锁存后，不能再进行编码输入。
计时电路由定时器555和十进制BCD码计数器CD4510构成，计时显示由一片CD4511和数码管组成。
当计数到0时，产生一个借位信号，用这个借位信号控制555停止计时，同时驱动蜂鸣器，并对编码电路进行锁存。
在音响电路部分中，由源蜂鸣器和两个反相器，RC网络构成音响电路，通过调节RC的大小来控制蜂鸣器响的时间。
2.整体电路
以下图2为整体电路图，电路图为Multisim仿真软件的原理图，包括所选芯片、电阻、二极管等元件的型号和参数。
电路的电源为5V直流电压，电阻的参数计算以5V电压为标准，具体参数如下图所示：
图2整体电路图
3．单元电路设计
3.1编码电路
编码电路的主要功能是将选手按下的序号通过逻辑处理转换为二进制的BCD码，BCD码，通过译码器译码显示在七段数码管上。
为了电路设计方便，选用集成的编码芯片。
可选74HC148、CD4532、CD40147等编码芯片，这里选用CD4532。
CD4532可将输入I7～I0的信号编码为3位二进制码，即8421BCD码。
8个输入端I7～I0具有指定优先权，I7为最高优先权，I0为最低。
当片选输入ST为低电平时，优先译码器无效。
当ST为高电平，优先输入的信号被编码为8421BCD码，呈现于输出线Y2～Y0。
组选线YGS为高电平，表明输入存在，当无输入时，Ys输出为高电平。
电路处于工作状态时，当选手按下抢答按键，编码器CD4532对应的输入端被置为高电平，输出端输出相应的BCD码，送给下一步的电路。
电路如图所示：
3.2锁存和显示电路
在方案三的电路中，没有用到专门的锁存器，这是因为译码驱动电路中的驱动芯片CD4511本身具备锁存功能，因此可以不必外加锁存器，从而简化了电路。
CD4511是一片7段译码器，并具备锁存和驱动能力，用于驱动共阴极数码管显示器。
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能，能提供较大的拉电流，可直接驱动共阴数码管。
其中a，b，c，d为BCD码输入，a为最低位。
LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。
BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。
LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据，数据保持在LE被置高电平的状态。
a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。
图3为芯片CD4511的引脚图.
电路工作时，当有抢答按键未被按下且计数器计数不到0时，组合逻辑电路74HC151输出一低电平至LE引脚，LE为低电平，数据不锁存；当有抢答按键被按下时，逻辑电路74HC151输出高电平，LE引脚被置为高电平，数据处于锁存状态，输入无效，直到数据被清零。
图3.1图3.2
74HC151是一个八选一数据选择器，它有八个数据输入端D0～D7，一个选通端S，三个数据选择端A，B，C和两个数据输出端W，Y。
当选通端S为1时，八个选通端都被截止。
当S为0时，该芯片从八个输入端中选择一个输出。
此时，三个数据选择端A，B，C可以从000到111之间变换，选择不同的通道输出，输出端Y为同向输出，输出端W为反向输出。
七段数码管显示0时，其段的导通状态如下表，其中1为导通，0为截止。
段
a
b
c
d
e
f
g
导通状态
1
1
1
1
1
1
0
数据选择器的选择端A，B，C分别接数码管的d，e，f段，选通端S接g段，数据输入端D0～D6接低电平，D7接高电平。
当数码管显示0时，A，B，C为高电平，即111，选择D7位的数据，输出端Y为高电平。
可以设计让数码管显示其他数字时，输出端Y均输出低电平。
输出端W的相位与Y相反，数码管显示0时，W输出低电平，数码管显示其他数字时，W输出高电平。
输出端W的信号可作为锁存数据的信号。
3.3脉冲发生电路
为了计数器能正常计数，需要得到频率为1Hz的信号作为计数器的时钟输入。
这里选用555定时器，以555定时器为核心构成的多谐振荡器能产生方波脉冲，通过调节外接的电子电容即可得到频率为1Hz的时钟信号。
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
如图3.3
（1）和3.3
（2），接通电源后，假定输出Vo是高电平，则V截止，电容C充电。
充电回路是VCC→R1→R2→C→GND，按指数规律上升，当上升到2Vcc/3时，输出翻转为低电平。
Vo输出低电平，V导通，C放电，放电回路为C→R2→V→GND，按指数规律下降，当下降到Vcc/3时，输出翻转为高电平，晶体管V截止，电容再次充电。
如此周而复始，产生振荡。
经分析可得：
输出高电平时间
输出低电平时间
振荡周期
图3.3
（1）图3.3
（2）
3.4倒计时电路
在抢答开始后，倒计时电路从9开始，计数到0时停止，共9秒时间。
用一个十进制减法计数器就能实现倒计时计数功能。
CD4510为可预置BCD可逆计数器，该器件主要由四位具有同步时钟的D型触发器构成。
具有可预置数、加/减计数器和多片级联使用等功能。
CD4510具有复位CR，置数控制LD、并行数据输入P1～P4、并行数据输出Q1～Q4、加减控制U/D、时钟CP，计数控制CI和进位/借位输出CO等引脚。
CR为高电平时，计数器清零。
当LD为高电平时，D0～D3上的数据置入计数器中，CI控制计数器的计数操作，CI为低电平时，允许计数。
此时，若U/D为高电平，在CP时钟上升沿计数器加1计数；反之，在CP时钟上升沿减1计数。
在电路中，只需要减法计数功能，因此U/D、PE、CI和P1～P4引脚全部接低电平。
计数时，在时钟脉冲的作用下，计数器做减法计数，到达0时，CO脚输出借位信号。
可用此借位信号控制时钟电路，让其停止产生脉冲，从而使电路计数到0时停止计时并锁存数据。
图3.4
（1）图3.4
（2）
3.5音响电路
电路中使用有源蜂鸣器，即只要输入高电平，蜂鸣器就能发出响声，不需要外加振荡电路。
因此，电路可以简单一些。
如图所示，两个反相器输入端的阻抗很大，因此几乎没有电流流进。
由于电容两端的电压不能突变，当输入端跳变为高电平时，第一个反相器U1A的输入端也将变为高电平，第二个反相器U1B的输出端也随之变为高电平，从而使晶体管Q1导通，驱动蜂鸣器。
在此期间，电容通过电阻R1放电，当电压下降到第一个反相器的下阈值电压后，反相器U1B输出低电平，晶体管Q1截止，从而使蜂鸣器关闭。
如图3.5：
图3.5
4.说明电路工作原理
电路正常工作时包括3个状态：
（1）无人抢答后的锁存状态；
（2）计时抢答状态；（3）有人抢答后的锁存状态。
3个状态中，
（1）和（3）处于锁存状态，选手无法进行抢答，即编码无效且计时停止；状态
（2）中，编码电路输入有效，且计时正常进行，当有选手抢答时，进入状态（3），若计时到0时无人抢答进入状态
（1）。
（1）无人抢答后的锁存状态
抢答开始后，无人抢答且计数器CD4510计数到0时，计数器输出借位信号，用此借位信号让蜂鸣器响1秒、让编码电路和脉冲发生电路锁存，即编码输入无效，数码管1显示0，时钟电路停止，数码管2显示0。
当主持人将数据清零后，按下开始按键，蜂鸣器响1秒，电路进入状态
（2），计时抢答开始。
（2）计时抢答状态
主持人按下开始按键后，蜂鸣器响1秒，计数器从9开始进行倒计时计数，直到有人抢答或者计数到0。
在计数期间，若有人按下抢答按键，编码电路将其序号进行编码并通过译码驱动电路显示在数码管上，同时经过组合逻辑电路74HC151输出一个高电平，让时钟停止并且数据锁存，蜂鸣器响1秒，进入状态（3）；若无人抢答，计数器计数到0时，通过借位信号让时钟停止并且数据锁存，蜂鸣器响1秒，进入状态
（1）。
当主持人将数据清零后，按下开始按键，蜂鸣器响1秒，电路进入状态
（2），计时抢答开始。
（3）有人抢答后的锁存状态
在计数期间，若有人按下抢答按键，编码电路将其序号进行编码并通过译码驱动电路显示在数码管上，同时经过逻辑电路74HC152输出一个高电平，让时钟停止并且数据锁存，蜂鸣器响1秒。
5.元件选择
表2元件型号及说明
元件
型号
功能说明
封装
数量
编码器
CD4532
对选手的序号进行编码；并输出8421BCD码
DIP16
1
BCD译码器/数码管驱动器
CD4511
驱动七段共阴数码管，并对数据进行锁存
DIP16
2
数据选择器
74HC151
构成组合逻辑电路
DIP16
1
反相器
CD40106
将电平反相
DIP14
1
十进制计数器
CD4510
进行倒计时10秒计数
DIP16
1
555定时器
NE555
产生频率为1Hz的方波信号，作为时钟信号
DIP8
1
电阻
在电路中起分压和限流的作用
AXIAL-0.3
若干
电容
构成震荡电路和积分电路
RAD-0.1
若干
电位器
3296W
调节时钟脉冲的宽度
POT
1
二极管
1N4148
在电路中起单向导电的作用
DO-35
6
共阴七段数码管
5161AS
显示选手序号和时间
直插式
2
按键开关
选手抢答时和主持人清零时使用
SPST-2
6
常开常闭开关
主持人开始键
1
有源蜂鸣器
在数据锁存和计时开始时进行声音提示
直插式
1
四、电路和程序调试过程与结果
这次课程设计，我开始是才用pcb进行设计，电路板焊好后，第一次接上电源，发现电路不能正常工作，最后检查了是做板时不太好，线路断了。
经过深思后，我决定用万用板进行焊接，在经过几天的焊接后，在接上电源后，电路能够接通，但在调试功能时，发现未能全部实现，我尝试的检查是否电路哪里接错了，或者是哪里漏接、是芯片的原因还是焊接的原因，在经过排查后，终于实现了抢答器的功能，其实物图如下：
（1）
电路板未接电源时实物图
正面
背面
（2）无人抢答后的锁存状态
（3）计时抢答状态
（4）有人抢答后的锁存状态
五、总结
（1）电路的优点与缺点
优点：
电路原理简单基本满足整体设计的要求，功能相当完善。
电路比较简单，成本低，排版简洁整齐。
不足：
没有设计完整的保护电路，抗干扰性稍差。
在整个电路的制作与调试过程中出现，导致接下来的调试耗费太多的时间再修改电路。
（2）心得体会
这次课程设计，我开始是才用pcb进行设计，电路板焊好后，第一次接上电源，发现电路不能正常工作，最后检查了是做板时不太好，线路断了。
经过深思后，我决定用万用板进行焊接，在经过几天的焊接后，在接上电源后，电路能够接通，但在调试功能时，发现未能全部实现，我尝试的检查是否电路哪里接错了，或者是哪里漏接、是芯片的原因还是焊接的原因，在经过排查后，终于实现了抢答器的功能。
经过课程设计的锻炼，我深刻认识到电子技术是一门实践性很强的课程，加强工程训练，特别是技能的培养，对于培养工程人员的素质和能力具有十分重要的作用。
课程设计是一个重要的实践环节，它包括选择课题、电子电路设计、组装和调试等实践内容，能很好地锻炼自己的能力。
通过课程设计，我已经初步掌握电子线路的试验、设计方法，已经初步可以根据设计要求和实际需要，通过查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能设计出具有一定功能的电路。
总之，在实践过程中我意识到，必须培养自己发现问题和解决问题的能力。
在以后的学习与实践中，必须加强自己对新生事物的探索能力，要尝试独立完成一些基本学习内容。
同时要注重细节，在不断的学习中培养严谨的科学态度，认真对待学习中遇到的问题，并尝试自己解决，培养自己成为工程人员必备的素质和能力。
再有一点，就是要有耐心，就如这次的焊接，有很多引脚要焊，需要通过构思来减少跳线的可能，再者，就是在过程中遇到失败要学会多个角度去对待，去寻找解决问题的方法。
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