单片机课程设计（论文）八路抢答器设计.doc

目录第一章 设计任务和要求31.1 技术要求31.2提交成果41.3设计进度4第二章 系统设计52.1系统要求52.2方案设计62.3系统工作原理6第三章 元器件的选择及参数确定73.1元器件的选择及参数确定73.2抢答电路113.2.1电路结构及工作原理113.2.2电路仿真133.3 倒计时电路133.3.1电路结构及工作原理133.3.2电路仿真15第四章 实验结果及分析16第五章 结论18第六章 参考文献19第七章 心得体会20附录22第一章 设计任务和要求1.1 技术要求基本要求：1、抢答组数分为八组，序号分别为S0，S1,S3，S4,S5，S6，S7，优先抢答者按动本组按键，组号立即在LED显示器上显示，同时封锁其它的按键信号。2、系统设置外部清除键，按动清除键，LED显示器自动清零灭灯。3、数字抢答器定时为30S，启动开建后，要求30S定时器开始工作，发光二极管点亮。4、抢答者在30S内进行抢答，抢答有效，如果30S定时到时，无抢答者，则本次抢答无效，系统短暂报警。5、电源：220V/50HZ的工频交流电供电；（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求） 6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。1.2提交成果1、设计报告2、作品3、电路原理图：要求提交两份，一份为CAD/EDA软件绘制，另一份为手工绘制，图纸大小自定，但要符合标准，电路图绘制要规范。1.3设计进度1、时间：三周 2、进度安排：（1）第一周 选题，熟悉题目，分析要求，查找资料，选择方案，优化方案，确定原理方框图，单元电路设计，选择元器件；（2）第二周 进行电路仿真，确定电路原理图，画出电路原理图，购买元器件，焊接电路；（3）第三周 电路调试，电路测试，绘制电路原理图，完成设计报告，答辩。第二章 系统设计 2.1系统要求1、本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可选择使用触发器或锁存器等。在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁，即使其他组的抢答信号无效。2、当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别，也可以用发光二极管直接指示出组别。3、在主持人没有按下开始抢答按钮前，参赛者的抢答开关无效；当主持人按下开始抢答按钮后，开始进行30秒倒计时，此时，若有组别抢答，显示该组别并使抢答指示灯亮；控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；若在规定的30s时间内无人抢答，定时电路显示00，同时系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能。4、控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。2.2方案设计制作抢答器可以用好多的方法，可以用单片机来完成，它的功能强大制作简单，并且外围的元件也很少；也可以用PLC来实现，他的制作也是比较简单；还可以用我们学过的EDA技术来制作；最后也可以用数字电路来实现，它的原理比较简单，集成块的价格也比较便宜且很容易购买，与我们学完的数字电路联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义，用了一些成型电路，如NE555标准秒脉冲电路等，使总体方案易于实现。原理方框图2.1原理方框图2.3系统工作原理 接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布“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，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。第三章 元器件的选择及参数确定3.1元器件的选择及参数确定5V共阴数码管 3个译码器74LS48 3个RS触发器 74LS279 1个优先编码器74LS148 1个可逆计数器74LS192 2个555定时器 1个2输入与非门74LS00 1个4输入与非门74LS20 1个10k电阻 9个1k电阻4个50k电阻 1个15k电阻 1个100电阻 1个发光二极管 2个触点开关8个单刀双掷开关 1个10F电解电容 1个0.01F瓷片电容 1个导线 若干1、74LS148为8线3线优先编码器，表1为其功能表.表1 74ls148真值表输入输出EII0I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0GSEO1xxxxxxxx11111011111111111100xxxxxxx0000010xxxxxx01001010xxxxx011010010xxxx0111011010xxx01111100010xx011111101010x01111111100100111111111101从以上的的功能表中可以得出，74ls148输入端优先级别的次序依次为I7，I6，I0 。当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端没有低电平输入时，输出端才输出相应该输入端的代码。例如：I5=0且I6=I7=1(I6、I7优先级别高于I5) 则此时输出代码010，经RS触发器各位取反，这就是优先编码器的工作原理。图3.1 74ls148管脚图2、555定时器的引脚图及构图 ： 图3.2 555定时器的引脚图及构图根据任务要求要利用555产生1Hz的秒脉冲，则根据公式：f=1T,则T也应为1s,又由公式T=得，R=48.7K,C=10uf,Cf=10nf。由555定时器和三极管构成报警电路。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo 1.43（RI2R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。控制输入信号为经过编码的抢答选手的信号，当有人在有效时间内抢答时，定时时间到时无人抢答时，输入信号为高电平，报警电路发出报警信号；反之，输入信号为低电平时，报警器不工作。将连接好的555定时器的输出端接在示波器上，呈现如下符合要求的方波： 图3 .3 555定时器输出波形3、RS触发器：1. 保持状态。当输入端接入=1的电平时，如果基本SR触发器现态=1、=0，则触发器次态=1、=0；若基本SR触发器的现态=0、=1，则触发器次态=0、=1。即=1时，触发器保持原状态不变。2. 置0状态。当=1，=0时，如果基本SR触发器现态为=1、=0，因=0，会使=1，而=1与=1共同作用使端翻转为0；如果基本SR触发器现态为=0、=1，同理会使=0，=1。只要输入信号=1，=0，无论基本SR触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为0态。3. 置1状态。当=0、=1时，如果触发器现态为=0、=1，因=0，会使G1的输出端次态翻转为1，而=1和=1共同使G2的输出端=0；同理当=1、=0，也会使触发器的次态输出为=1、=0；只要=0、=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置1。&&Q QG1G2 R SS R R S QQ R SQ置0置1保持4. 不定状态。当=0时，无论触发器的原状态如何，均会使=1，=1。当脉冲去掉后，和同时恢复高电平后，触发器的新状态要看G1 和G2两个门翻转速度快慢，所以称=0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。基本RS触发器的逻辑图、逻辑符号和波形图如图1-7所示。（a）逻辑图 (b) 逻辑符号 (c) 波形图图 3.4基本SR触发器4、 译码器显示译码器由译码输出和显示器配合使用，最常用的是BCD七段译码器。其输出是驱动七段字形的七个信号，常见产品型号有74LS48、74LS47等。字符显示器：分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成。电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。而LED数码显示器是最常见的。通常有红、绿、黄等颜色。LED的死区电压较高，工作电压大约1.53V，驱动电流为几十毫安。74LS47译码驱动器输出是低电平有效，所以配接的数码管须采用共阳极接法；而74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。数码管常用型号有BS201、BS202等。3.2抢答电路 3.2.1电路结构及工作原理此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应发光二极管点亮和数码显示。原理图如下：图3.5 抢答电路原理图使用优先编码器 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74LS148 的优先编码工作标志端 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 =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，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CTR1，使优先编码工作标志端1， 5 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。只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。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。此处RS触发器的功能由74LS297来完成。3.2.2电路仿真图3.6 抢答电路仿真3.3 倒计时电路3.3.1电路结构及工作原理原理图如下：图3.7 倒计时电路原理图 图3.7 倒计时电路原理图 工作原理：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。完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，进行30s倒计时，到0s时倒计时指示灯亮。当有人抢答时，计时停止。两块74LS192 实现减法计数，通过译码电路 74LS48 显示到数码管上，74LS192 的预置数控制端实现预置数30s，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， 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。 3.3.2电路仿真图 3.8 BO1端仿真曲线图 3.9 端仿真曲线图 3.10 BO2端仿真曲线第四章 实验结果及分析接通电源，开关打到预置端，倒计时数码管显示30。主持人拨动开关后，倒计时电路开始从30秒倒数，8路触点开关处于待命状态。图 4.1 倒计时状态若有选手按下所在开关（抢答），抢答电路显示选手所在编码（07），倒计时电路停止计时。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。图 5-2 抢答显示如果30秒倒计时结束后仍无人抢答，LED灯熄灭，倒计时电路锁定为00，抢答不再有效。 这时只需主持人重新将开关打到预置段，整个电路全部回到初态。准备进行下一轮抢答。图 5-5 计时锁定第五章 结论 通过本次课程设计，有如下收获。1学会了运用多种途径查资料。在决定做抢答器的时候都不知道该用什么东西，怎样去实现，通过上网，去图书馆查找相关资料，了解了抢答器的大致模块。2充分运用到了自己所学的知识。当查找到大致模块时，就自己动手一部分一部分的绘出抢答器实现需要的电路，例如在运用到各种芯片，我会先去了解芯片的功能表，引脚图，然后对各个芯片进行系统的总结，进行相应的控制。3在仿真过程中，由于刚开始对很多元件在仿真环境下的使用不是很了解，因此仿真过程出现很多错误。不过最后细节通过查资料和书本，吸取经验教训，最后实现了电路的仿真。4本次实物制作是自己一步步焊接出来，在焊接的过程有时会出现接错管脚的情况，不过经过多次检查，改正焊接过程的错误，经过两天的时间，基本完成抢答器的实物制作。在此过程中自己的焊接技术有一定程度的提高，同时加深了自己对电路的理解，另一方面也锻炼了自己的动手能力，我觉得从中收获很多。5有点不足的时候再调试的过程只能调试出抢答模块，定时模块功能未达到，可能是电路比较复杂，在焊接过程中没有正确把握。另一方面可能是在电路设计方面不够成熟，不过我会在以后的时间多动手，真正的锻炼自己。第六章 参考文献参考文献1.伍时和 主编数字电子技术基础，清华大学出版社，伍时和主编2.董玉冰 主编Multism9在电工电子技术中的应用，清华大学出版社3.谢自美 主编电子线路设计，实验，测试 华中科技大学出版社4.康华光 主编电子技术基础 数字部分高等教育出版社5李海 主编74系列芯片手册 重庆大学出版社6张新喜 主编Multism10电路仿真及应用机械工业出版社7孙梅生 主编电子技术基础课程设计高等教育出版社8梁宗善 主编新型集成电路的应用电子技术基础课程设计华中科技大学出版社9冯根生 主编数字电子技术基础中国科技大学出版社10侯大年 主编数字电子技术基础电子工业大学出版社11于晓平 主编数字电子技术基础清华大学出版社12宋学君 主编数字电子技术基础科学出版社第七章 心得体会在吴丽珍老师的带领之下，我们做了八路抢答器课程设计，这次课程设计的电路是比较复杂的。虽然以前在模电、Protel课程设计中接触过一些电子电路，但在初期还是感到无从下手。这是我第一次接触multisim软件，感觉它比Protel更灵活易用，熟练以后十分顺手。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在通多次对电路的改进，上机仿真以及接线调试，终于使整个电路可稳定工作。设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。 设计单元电路阶段，这个阶段可以说是考察数电书本知识的阶段。所有的设计方法还有步骤在数电书上都有，而且还有例题。这个阶段遇到的主要问题就是以前的知识忘记不少，所以做设计的时候要常随手翻阅课本，等于是做了几道数电作业题。这个阶段的难度也不是很大，一般翻课本就可以找到答案并解决问题。 实验阶段可以说是这次设计中最重要的部分，因为以前的只是理论而不是真正的实体。所以说它是最重要的。实验阶段我们遇到的问题有：对软件不熟悉；对实验过程中信号的测量知识学习很少；因为各个模块是分开做而后又组装到一起的，所以兼容性不是很好（也就是不能融合为一个整体，部分工作能行但是接到一起就会出现问题）;针对以上几个问题我们作出了以下的“对策”:软件不熟悉，就借来参考书，一步一步的对着学，而且老师给的资料上也有软件的使用说明，所以随着接触的增加软件也就越来越熟悉，这方面的问题不是太难因为一边理论一边学习正好是学习的好方法，而且也学的特别快。制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，电路的焊接要一步一步来，焊点多，走线复杂。这又要我们要灵活处理，一边操作一边构思，在不影响试验的前提下加快进度。另外就是要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。这是应用课本知识的大好时机。总之，通过这次练习我有了很多收获。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了动手能力。在改进电路的过程中，同学们共同探讨，最后的电路已经比初期设计有了很大提高。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐总之，在这次课设以后，我得到了很多在纸上谈兵所得不到的东西，真的很感谢吴丽珍老师！附录1. 总电路图 2.元件引脚图图 附2-3 74LS148引脚图图 附2-4 74LS192引脚图图 附2-2 74LS00引脚图图 附2-1 74LS00引脚图与功能表图 附2-6 共阴数码管引脚图图 附2-7 555定时器引脚图图 附2-5 74LS48引脚图图 附2-8 74LS279引脚图3.元器件清单5V共阴数码管 3个译码器74LS48 3个RS触发器 74LS279 1个优先编码器74LS148 1个可逆计数器74LS192 2个555定时器 1个2输入与非门74LS00 1个4输入与非门74LS20 1个10k电阻 9个1k电阻4个50k电阻 1个15k电阻 1个100电阻 1个发光二极管 2个触点开关8个单刀双掷开关 1个10F电解电容 1个0.01F瓷片电容 1个导线 若干