数字电子技术智能抢答器1概要.docx

1、数字电子技术智能抢答器1概要数字电子技术课程设计任务书一、设计课题四智能竞赛抢答器二、设计要求1. 四组参赛者在进行抢答时,当抢答者按下面前的按钮时,抢答器都能准 确的判断出抢先者,并显示相应的组号。2. 抢答器具有互锁功能,某组抢答后能自动封锁其它各组进行抢答。3. 形同应具有一个总复位开关。4. 安装自己的设计电路。5. 通电调试。提高部分1. 抢答者犯规或违章(主持人未说开始抢答时,参赛者抢先按钮时, 应自动发出警告信号,以指示灯闪为标志2. 抢答器应具有限时功能,抢答时限为 30秒。设计资料1、阎石 . 数字电子技术基础 . 北京:高等教育出版社, 19892、张乃国 . 电子测量 .

2、 北京:人民邮电出版社, 19853、彭介华 . 电子技术课程设计指导 . 北京:高等教育出版社, 19974、 华容茂 . 电工、电子技术实习与课程设计 . 北京:电子工业出版社, 2000 设计成果1、课程设计说明书。2、产品目录任务书 1前言 2 目录 4 第一章 方案论证 6 1.1方案论证与比较 6 1.2方案选择 6 1.3方案 6 第二章 单元电路设计 8 2.1抢答电路设计 8 2.1.1原理图设计 8 2.1.2抢答器电路组成 9 2.2定时电路设计 13 2.2.1原理图设计 13 2.2.2对计数器进行预置 15 2.2.3 555定时器 16 2.3时序控制电路的设计

3、16第三章 仿真分析 18 3.1抢答电路仿真 19 3.2定时电路仿真 19 第四章 制作与调试 20 4.1制作 PCB 20 4.2电路调试 20 4.2.1通电准备 20 4.2.2单元电路检测 20 4.3组装调试 21 4.3.1检测与查阅器件 21 4.3.2电路调 21 4.3.3连接电路 21 第五章 总结 22 参考文献 23 附录 定时抢答器的主体逻辑电路图 24 附录 元器件清单 24附录 PCB图 25第一章 方案论证1.1方案论证与比较与普通抢答器相比,本作品有以下几方面优势:1、 具有清零装置和抢答控制, 可由主持人操纵, 避免有人在主持人说“开始” 前提前抢答而

4、违反规则。2、 具有定时功能, 在 30秒内无人抢答表示所有参赛选手获参赛队对本题弃权。 1.2方案选择一、 根据系统方框图的原理有两种设计方案可供选择。1、选手触摸按钮后的信号首先进入 RS 触发器, CP脉冲控制锁存效果,然后 输出再进行编码,译码显示。2、选手触摸按钮后的信号首先进行编码,然后利用 74LS279锁存器,它的输 出直接控制锁存功能, 然后主持人开关控制锁存器的片选端, 发挥清零作用。 锁 存器的输出直接进入译码器然后显示。3、可以用单片机编程实现,其实使用单机做最简单。三种方案原理均可行, 考虑到实际情况, 操作和连线地简单易行, 因此选择方案 二。二、 驱动电路也有两钟

5、方案可供选择:1、 可利用单稳电路控制延迟时间和分频器 CC4060进行分频产生间歇式方波。2、 可采用单稳电路控制延迟时间和比较简单的振荡器线路, 经比较选用施密 特反相器构成的方波发生器比较简单, 因为方波发生器的频率都比较低, 所以选 用 555定时电路。经过组员讨论,选择了比较熟悉的 555定时电路。1.3方案一、原理根据要求应具有抢答器具有锁存、定时、显示功能。即当抢答开始后,选 手抢答按动按钮, 锁存器锁存相应的选手编码, 同时用 LED 数码管把选手的编码 显示出来, 并且开始抢答时间的倒计时, 同时用 LED 数码管把选手的所剩抢答时 间显示出来,以提醒主持人和选手。抢答时间可

6、设定 30S 。接通电源后,主持人 将开关拨到“清除”状态, 抢答器处于禁止状态, 编号显示器灭灯, 定时器显示 设定时间; 主持人将开关置“开始”状态, 宣布“开始”抢答器工作。 定时器倒 计时, 选手在定时时间内抢答时, 抢答器完成:优先判断、 编号锁存、 编号显示。 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。二、抢答器的组成框图定时抢答器的总体框图如图 1所示。 他主要由主体电路和扩展电路两部分组 成。 主体部分完成基本的抢答功能, 即开始抢答后, 当选手按动抢答键时, 能显 示选手的编号。 同时能

7、封锁输入电路, 禁止其他选手抢答。 扩展电路完成定时抢 答的功能。 图 1所示定时抢器的工作过程是:接通电源时,节目支持人将开关置于“清除” 位置, 抢答器处于禁止工作状态, 编号显示器灭灯, 定时器显示设定的时间, 当 主持持人宣布抢答题目后,说一声“抢答开始” ,同时将控制开关拨到“开始” 位置, 抢答器处于工作状态, 定时器倒计时, 当定时时间到, 却没有选手抢答时, 输入电路被封锁, 禁止选手超时后抢答。 当选手在定时时间内按动抢答键时, 抢 答器要完成下面几个工作:1. 优先编码电路立即分辨出抢答者的编号,并由锁存器进行锁存,然后有译码 显示电路显示编号;2. 制电路要对输入编码电路

8、进行封锁,避免其他选手再次进行抢答;3. 控制电路要使定时器停止工作,时间器上显示抢答时间,并保持到主持人将 系统清零为止,以便进行下一轮抢答。第二章 单元电路设计2. 1 2.1. 1原理图设计图 2.1抢答器电路设计电路如图 2.1所示。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 存优先抢答者的编号, 同时译码显示电路显示编号 (显示电路采用七段数字数码 显示管;二是禁止其他选手按键,其按键操作无效。工作过程:开关 S 置于 清除 端时, RS 触发器的 R、 S 端均为 0, 4个触发器输出置 0,使

9、74LS148的优 先编码工作标志端 (图中 5号端 =0, 使之处于工作状态。 当开关 S 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 S5, 74LS148的输出经 RS 锁存后, CTR=1,RBO(图中 4端 =1,七段显示电路 74LS48处于工作状态, 4Q3Q2Q=101,经译码显示为 “ 5” 。 此外, CTR =1, 使 74LS148 优 先编码工作标志端(图中 5号端=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, 74LS148的 此时由于仍为 CTR =1, 使优先编码工作标志 端 (图中 5号端 =1, 所以 74LS1

10、48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 S 开关重新置 “清 除”然后再进行下一轮抢答。2.1. 2抢答器电路组成1. 编码、锁存电路编码、 锁存电路由优先编码器 74LS148和 RS 锁存器 74LS279组成。 优先编码器 74LS148是 8线输入 3线输出的二进制编码器 (简称 8-3线二进制编码器 , 其作用是将输入 0I 7I 这 8个状态分别编成 8个二进制码输出。优先编码器允许 同时输入两个以上的编码信号, 不过在优先编码器将所有的输入信号按优先顺序 排了队, 当几个输入信号同时出现时, 只对其中优先权最高的一

11、个进行编码。 其 功能表如表 2.1所示。 由表看出 74LS148的输入为低有效。 优先级别从 7I 至递 0I 降。另外,它有输入使能 ST ,输出使能 SY 和 E XY 。1 74LS148编码器74LS148引脚图 图 2. 2 74LS148的符号图和管脚图 表 2.1. 74LS148功能表优先编码器是 8线输入 3线输出的二进制编码器 , 其作用是将输入 I0至I7 , 88个二制码输出 . 其功能如真值表所示 . 由表可以看出 74LS148R 的输入低有效 . 优先级别从 I7至 I0递降 . 另外它有输入使能 /ST,输出使 能 /YS和 /YEX ;a. 允许编码 ,/

12、ST=1禁止编码 , 输出 /Y 2 /Y1/Y0=111;b. /YS 主要用于多个编码器电路的级联控制,即 /YS 总是接在优先级别低的相邻编码器的 /ST端,当优先级别高的编码器允许编码,而无输入申请时, /Y S =0,从而允许优先级低的相邻编码器工作,反之若优先级高的编码器 有编码时, /Y S=1,禁止相邻级别低的编码器工作c. /YEX =0表示 /Y2/Y1/Y0是编码输出, /Y EX =1表示 /Y 2/Y1/Y0不是编码输出 /YEX 为输出标志位。 单片 74LS148组成 8-3进制输出的编码器, 其输出 8421BCD 。由表中不难看出,在电路正常工作状态下,允许

13、当中同时有几个输入端为低 电平,即有编码输入信号。的优先权最高,的优先权最低。当时,无论其余输 入端有无输入信号(表中以 X 表示 ,输出端只给出的编码,即。当 、时,无论其余输入端有无输入信号,只对编码,输出为。 2 74LS279芯片具有锁存器的功能,其内部是由 4个 JK 触发器组成的。当有一个人优先抢答后其它的就不能抢答了,其它的虽然有电平输入,但是输 入的电平保持原态不变。 其引脚图如 2.3 图 2.3 74LS279引脚图 表 2.2 74LS279 锁存器功能表其中:TC U 是加计数进位输出端,当加计数到最大数值时, TC U 发出一个低电平 信号 (平时为高电平 ; TC

14、D 为见计数借位输出端, 当减计数到 0时, TC D 发出一个低电平信号(平时为高电平 , TC U 和 TC D 负脉冲宽度等于时钟低电平宽度。 2. 译码、显示电路译码电路由 74LS48组成。而译码是编码的逆过程,其任务是恢复编码的愿 意。按内部连接方式不同,七段数字显示器分为共阴极和共阳极两种。1 74LS48七段显示译码器74LS48芯片是一个十进制 (BCD 译码器, 可用来驱动共阴极的发光二极管 显示器。 74LS48的内部有升压电阻,因此无需外接电阻(可直接与显示器相连 接 。 74LS48其引脚图如下图,其功能表如下表 图 2.4 74LS48 引脚图 74LS48的功能表

15、如下表所示。其中, A3A2A1A0为 8421BCD 码输入端, ag为 7 段译码输出端。表 2.3 74LS48的功能表常用的七段显示器件:半导体数码管将十进制数码分成七个字段, 每段为一 发光二极管。半导体数码管(或称 LED 数码管的基本单元是 PN 结,目前较多 采用磷砷化镓做成的 PN 结,当外加正向电压时,就能发出清晰的光线。单个 PN 结可以封装成发光二极管,多个 PN 结可以按分段式封装成半导体数码管,其管 脚排列如下图所示。efh9876abcdefabcdef1A2A LT RBOBI RBI3AAGN D半导体显示器管脚排列图 共阴极接线图 共阳级接线图图 2.5 图

16、 2.6 七段数字显示器发光段组合本设计用到的共阴极显示器和 74LS48。 74LS48可以驱动共阴极的发光显示 器,其内部有升压电阻,无需外接电阻(可以直接与显示器相连接 。为试灯输入: 当 =0时, /=1时, 若七段均完好, 显示字形是“8”, 该输入端常用于检查 74LS48显示器的好坏 ; 当 =1时,译码器方可进行译码 显示。 用来动态灭零,当 =1时, 且=0,输入 A3A2A1A0=0000时,则 / =0使数字符的各段熄灭; /为灭灯输入 /灭灯输出, 当 =0时不管 输入如何 , 数码管不显示数字; / 为控制低位灭零信号 , 当=1时 , 说明本位处于显示状态 ; 若=

17、0, 且低位为零 , 则低位零被灭。 2. 2 定时电路设计2.2. 1 原 理图设计: a e f b c a ea f a f a ef a a ef af图 2.72、原理及设计: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 2.7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, 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

18、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, 2BO 输出低电 平到时序控制电路, 以后选手抢答无效。 下面结合 2.7具体讲一下标准秒脉冲产 生电路的原理。结合图 2.7,图中电容 C 的放电时间和充电时间分别为221In C R t =C R 27. 0, C R R In C R R t += (7. 02 (21212 于是从 NE555的 3端输出的脉冲的频率为CR R t t f +=2(43. 112121,结合我们的实际经验

19、及考虑到元器件的成本,我们选择的电阻值为 R1=15K, R2=68K, C=10uF,代入到上式中即得 Z H f 1,即 表 2.4 555定时器功能表2. 2. 2对 计数器进行预置1. 74LS192芯片的介绍1 74LS192的引脚图图 2.82 74LS192功能表 表 2.5 74LS192功能表其中:TC U 是加计数进位输出端,当加计数到最大数值时, TC U 发出一个低电平 信号 (平时为高电平 ; TC D 为见计数借位输出端, 当减计数到 0时, TC D 发出一个低电平信号(平时为高电平 , TC U 和 TC D 负脉冲宽度等于时钟低电平宽度。 2. 74LS192

20、的预置数的计算根据要求使用两片 74LS192的异步置数功能构成三十进制减法计数器。 30进制数器的预制数为 N=(0011 0000 8421BCD =(30 D 。 74LS192(1计数器从 0011状态开始计数,因此,就因取 D 3D 2D 1D 0=0011。 ; 74LS192是计数器从 0000状态开 始计数, 那么, 就因取 D 3D 2D 1D 0=0000。 计数脉冲从 CP D 端输入。 它的计数原理十, 每当地为计数器的 BO 端发出负跳变借位脉冲时,高位计数器减 1计数。当高位 计数器处于全 0,同时在 CP D =0期间,高位计数器 BO=LD=0,计数器完成异步制

21、 数,之后 BO=LD=1,计数器在 CP D 时钟脉冲作用下,进入下一轮减计数。 2. 2. 3 555定时器引脚图 图 2.9 555定时器CCV 是电压控制端 DIS 是放电端 TH 是高电平触发端 CO是使能端GND 是接地 OUT是输出端 DR 是直接置 0端 TL 是低电平触发器2. 3 时序控制电路的设计抢答与定时电路的时序控制电路如下图所示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, 抢答电路和定时电路进入正常抢答工 作状态。当参赛选手按动抢答按键时,抢答电路和定时电路停止工作。 当设定的抢答时间到,无人抢答时表示此次抢答无效。 图

22、 2.10时序控制电路根据上面的功能要求以及图 2.1抢答电路, 设计的时序控制电路如图 2.10所示。 图中,与门 G1 的作用是控制时钟信号 CP 的放行与禁止,门 G2的作用是控制 74LS148的输入使能端(即图 2.2中的 5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, 来自于图 2.3中的 74LS279的输出 1Q,即 CTR=0, 经 G3反相,输出为 1,则 555产生的时钟信号 CP 能够加到 74LS192的 CPD 时钟 输入端 (图中用 CLCK 表示接入到 74LS192CPD 端的信号 , 定时电路进行递减计 时。 同时, 在定时时间未到时,

23、则 定时到信号 为 1, 门 G2的输出 =0, 使 74LS148处于正常工作状态, 从而实现功能的要求。 当选手在定时时间内按动抢答按键 时, CTR =1,经 G3反相,输出为 0,封锁 CP信号,定时器处于保持工作状态; 同时,门 G2的输出 =1, 74LS148处于禁止工作状态,从而实现功能的要求。 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。 同时, 门 G1处于关门状态, 封锁时钟 CP 信号, 使定时电路保 持 00状态不变,从而实现功能的要求。第三章 仿真分析1、仿真软件介绍Proteus ISIS是英国

24、Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件。 它运行于 Windows 操作系统上,可以仿真、分析 (SPICE各种模拟器件和集 成电路,该软件的特点是:实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合。 具有模拟电路仿真、 数字电路仿真、 单片机及其外围电路组成的系统的仿真、 RS232动态仿真、 I2C 调试器、 SPI 调试器、 键盘和 LCD 系统仿真的功能; 有各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机 系统的仿真。 目前支持的单片机类型有:68000系列、 8051系列、 AVR 系列、 PIC12系列、 PIC16系列、 PIC18系列、 Z80系列

25、、 HC11系列、 MSP430系列、 ARM7以及各种外围芯片。 提供软件调试功能。 在硬件仿真系统中具有全速、 单步、 设置断点等调试功能, 同时可以观察各个变量、 寄存器等的当前状态, 因此在该软件仿真系统中,也必须具有这些功能;同时支持第三方的软件编 译和调试环境,如 Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功 能。总之,该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软件,功能极 其强大。2、 Protel 软件介绍PROTEL :PROTEL 是 PORTEL 公司在 80年代末推出的 EDA 软件, 在电子行 业的 CAD 软件中,它当之无愧地排在众多

26、EDA 软件的前面,是电子设计者的 首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些高校的 电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许 多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用 PROTEL 。 早期的 PROTEL 主要作为印制板自动布线工具使用,运行在 DOS 环境,对硬 件的要求很低,在无硬盘 286机的 1M 内存下就能运行,但它的功能也较少, 只有电原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而 现今的 PROTEL 已发展到 PROTEL99,是个庞大的 EDA 软件,完全安装有 200多 M ,它工作在 WIND

27、OWS95环境下,是个完整的板级全方位电子设计系统, 它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路 板设计(包含印制电路板自动布线 、可编程逻辑器件设计、图表生成、电 子表格生成、支持宏操作等功能,并具有 Client/Server (客户 /服务器 体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如 ORCAD , PSPICE , EXCEL 等, 其多层印制线路板的自动布线可实现高密度 PCB 的 100%布通率。 3. 1抢答电路仿真 3. 2定时电路仿真第四章 制作与调试根据需求选择电路的设计单元进行组合,完成系统的原理图设计与 PCB 设 计,对制作好的 PC

28、B 板,或准备好的面包板,按照装配图或原理图进行器件装 配,装配好之后进行电路的调试。4. 1制作 PCB绘制 PCB 图(见附录4. 2电路调试 4. 2. 1 通电准备打开电源之前,先按照系统原理图检查制作好的电路板的通断情况,并取下 PCB 上的集成块, 然后接通电源, 用万用表检查板上的各点的电源电压值, 完好 之后再关掉电源,插上集成块。4. 2. 2 单元电路检测1 抢答电路把主持人的控制开关设置为“清除”位置,用万用表检查 RS 触发器的 端为 低电平,输出端( 4Q1Q 全部为低电平。于是 74LS48 的 BI=0 ,显示器灭 灯; 74LS148 的选通输入端 ST=0 , 74LS148 处于工作状态, 此时锁存电路不 工作。 然后把主持人的控制开关拨到 “开始” 位置, 优先编码电路和锁存电路同 时处于工作状态, 即抢答器处于等待工作状态, 给 8 路抢答端口即输入端 给 上低电平的输入信号,如当有选手将键按下时(如按下 , 74LS148 的输出 =010 , =0 ,经 RS 锁存器后, CTR=1 , BI=1 , 74LS279 处于工作状态, 4Q3Q2Q=101 , =0 ,经 RS 锁存器后,出“ 5 ” 。