八路定时抢答器设计 数电课程设计 数字电路课程设计.docx

奴字电子课程设计专业：电气工程及其自动化班级：05-2班学号：0520020054姓名：指导老师：一、引言3二、设计任务及系统功能简介3三、实现的原理与电路3四、总体方案选择的论证10五、在设计过程中发觉的问题和所做的改进11六、组装与调试12七、整机电路原理图13八、所用元器件列表14九、改进设想及建议15十、心得体会15十一、参考文献15具有定时功能的八路数显抢答器的设计一、引言工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛，抢答记分器是必要设备。在我校实行的各种竞赛中我们常常看到有抢答的环节，举办方多数采纳让选手通过举答题板的方法推断选F的答题权，这在某种程度上会囚为上持人的上观误断造成竞赛的不公允性.为解决这个问题，我们小组打算就本次大赛的机会制作一个低成本但又能满意学校须要的八路数显抢答器。二、设计任务及系统功能简介1.基本功能：（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队竞赛，分别用8个按钮SOS7表示。（2）设置一个系统消除和捡答限制开关S,该开关由主持人限制。（3）抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在DPY_7-SEG七段数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号始终保持到主持人将系统清除为止.2.扩展功能：（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动"起先”键后，定时常进行减计时。（2）参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。在这段（3）假如定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示OOo三、实现的原理与电路1 .数字捻答器总体方框图如图1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到"清零”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;起先”状态，宣布"起先"抢答涔工作。定时涔倒计时，扬声涔绐出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先推断、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.假如再次抢答必需由主持人再次操作"消除"和"起先”状态开关。按钮12 .单元电路设计（1）抢答器电路设计电路如图2所示.电路选用优先编码器741.S148和锁存器741.S297来完成。该电路主要完成两个功能：一是辨别出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采纳七段数字数码显示管）：-是禁止其他选户按键，其按梃操作无效。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个触发潜输出置0,使741.SM8的优先编码工作标记端（图中5号端）=0,使之处工作状态.当开关S置K"起先"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）,741.SM8的输出经RS锁存后，CTR=I,RBO（图中4端）=1,七段显示电路741.S48处于工作状态,4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外,CTR=1,使741.SM8优先编码工作标记湍（图中5号湍）=1,处丁禁止状态，封锁其他按键的输入,当按键松开即按下时，741.S148的此时由于仍为CTR=1,使优先编码工作标记端（图中5号端）=I,所以741.S148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答拧的优先性。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。741.S1.48为8线一3线优先编码器，表】为其功能表。A图2数字捻«1741.S148的动能我值我输入输出STMINiIN2iNiWINsIN6IN1./1XXXXXXXXI1111OI1.1.1.1.111I1110OXXXXXxx00001O改XXXXX0100101O及XXXXO1.1.01001O&JCXX。I1.1.01I01ORxxO1.111I0001Oxx1.1.I1.1.10I01ORO1.1.1.111I1001OO1.1.1.1.I1.1.11I01(2)定时电路K3EK时.的定时电第原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、卜进制同步加减计数器741.S192减法计数电路、741.S48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3所示.两块741.S192实现减法计数，通过译码电路741.S48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路供应.74192的预置数限制端实现预置数，由节目主持人依据抢答麴的难易程度，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，计数涔的时钟脉冲由秒脉冲电路供应。按傻弹起后，计数器起先减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管DPY7-SEG上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；假如没有人抢答，且倒计时时间到时，8Q输出低电平到时序限制电路，限制报警电路报警，同时以后选手抢答无效.下面结合图4具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理“结合图4,图中电容C的放电时间和充电时间分别为1=RjC1.n2().7R.C,1=(1.+)C20.7(1+,)C于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为/=f、八,结合我们的实际阅历及考虑到元器件的成本，我tt+r1(1.+2f,)C们选择的电阻值为R1=15K,R2=68K,C=IOuF,代入到上式中即得f*1月z，即秒脉冲。RU1.UtzUnT的工作状态0XX0导通I<-v3"1截止1承从K变化到K1截止1亭>-vtt3"0导通从/变化到|乙>-Vtt3"10导通*2565定时.功修ft需出杪脉冲SegoIS4标维秒脓冲产生电路（3）报警电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图5示.其中NE555构成多谐振荡器，振荡频率4=1-43/<R1÷2R2）C,其输出信号经三极管推动扬声器。PR为时序限制电路输出的限制信号,当PR为高电平常,多谐振荡潜工作，反之,电路停损H5报警机(4)时序限制电路时序限制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：主持人将限制开关拨至起先"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，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,扬声罂自动报警，表示此次抢答无效。C1.CK74148/ST741216-PRR6100K定时到信号应H时序原电扇依据上面的功能要求以及图2,设计的时序限制电路如图6所示。图中，与HG1.的作用是限制时钟信号CP的放行与禁止,门G2的作用是限制741.SM8的输入使能端(即图二中的5端)。图4的工作原理是：主持人限制开关从"消除”位置拨到"起先”位置时,来自于图2中的741.S279的输出1Q,即CTR=O,经G3反相，输出为1,则NE555产生的时钟信号CP能够加到741.S192的CPD时钟输入端（图中用C1.CK表示接入到711.S192CPD端的信号），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G2的输出=0,使741.S148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=1,741.S148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=1,741.S148处于禁止工作状态,禁止选手进行抢答。同时，门GI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。集成单梗态触发器741.S121用于限制报警电路及发声的时间（其功能表见表3）,具体原理如下:主要由555时钟电路（用于限制报警声音频率）、蛛鸣器即相关的延时电路和限制电路组成“单稳态触发器74121通过信号/Ys、Bo2、S限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，/Ys由1跳变到0,74121有状态2（见表3状态编码），即Q输出智态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为r,=43秒：假如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持续时间为Q结合图5所示报警电路，分析r”计算如下：,“=凡g1.11204ZC2=100uF,7?j=51K,«有r.=1.n2=4.3秒.入输2I1.Ad1.dHHd1.百态高电'F智志高也平初态高电平哲态高电平新态高电平平平平平平11F111111111¾1/QHHHH伯付的仲态态态态态制钩哲暂暂表374121功It表四、总体方案选择的论证.74系列芯片实现原理图：（详见图1）（3）选用74系列芯片实现的理由：74系列芯片价格便宜，用其实现，成本较低基本能满意学校场合须要：与我们刚刚学完的数字电路与逻辑设计联系紧密。能将们所学学问用于实际，对巩固所学学问有重要意义。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.所用芯片均在（数字电路与逻辑设计与课程中学过,设计起来难度降低。五、在设计过程中发觉的问题和所做的改进（1）选手号码的显示问题：在设计过程中，我们发觉按下抢答按钮后，我们希里其在七段数码显示管上显示的选手号码是1到8,这样符合我们一般的思维，而依据我们一起先所做的设计，数码管只能显示。到7,我们在仔细探讨体设计方案和7448译码器的功能表（见表四）后，发觉解决此问题只须将显示。改为显示8,而其他的显示则不变更。由表四可以看出，仃两种方案可供选择：1是将7448的A3端置1,其他位置0；2是将图2中的4蜡置I，其他位不管。但是在计时未到时，4端始终为低电平，所以假如采纳方案2的话，我们的整设计就将全部打乱，故方案2不行取。我们采纳了方案1。我们通过视察表四看出，只有在字形（见表四）为0时，"2川小0=1,其他均为0“丁是我们就将八2、八1、八0三端先接入非门7404,然后将他们接入与门7408,7408的输出接7446的A3端,这样就实现了显示8的功能，其他的数码的显示并无影晌。（2）在计时结束时让选手号码显示牌显示0而不是8的问题,承1中所述，我们实现了选手号码显示8的问题，但随之而来的是当计时结束时因为A2、A1.、AO均为零，导致我们在做出（1）中所述改动后，选手号码显示牌上显示的为8而不是我们要求的0。此时我们仍旧是通过探讨我们的总体电路图来解决这个问感的。我们知道，只有在字形（见表四）为0时,然2/41d0力，其他时候其值均为0。当计时时间到时，定时到信号输出为0,若将定时到时间信号与/A1./A2、/AQ一起接入与门,然后再接入到A3端的话,那么在定时到时,A3、A2、A1.、Ao均为活经7448译码输出即为0。（3）主持人按下抢答按键时选手号码牌显示为7而不是我们要求的。的问题。在电路焊接过程中，我们在主持人的按键选择上选择了点触式开关，因为未对这种开关做细致的分析，我们发觉每次主持人按卜抢答按键选手号码显示牌上总是为九经过我们的仔细分析，我们找到了由，是我们的开关选择出了问题，点触式开关在按下后立刻又弹起，此即问理的所在.于是我们很快将其更换为单刀双置开关，问题得到了解决。（4）显示电路显示不稳定的问题。在完成电路的焊接，进入调试阶段时，我们的抢答器显示电路出现了不稳定的问题。主要表现在当我们在完成轮抢答后对计时时间进行重新设定时，显示部分公出现乱码的现象。起先我们以为是芯片出了问题，于是对芯片进行了逐个排隹，确定芯片没有损坏后，我们起先检查导线的焊接状况。我们利用万用表对接线处逐个进行了排查，最终发觉某芯片的个引脚处的导线松了。我们对导线进行了重新焊接，过后系统更原了稳定.衰4FUWCTK>NTAB1.t1.T2»D1.OMA1.ORFUNCTIONINPUTSSTSrOUaTFUTSNOTERBIDCHAf1.0MH1.1.1.1.HHHHHHHU1HX1.1.1.HH1.MH1.1.1.1.2H×I1.H1.HHH1.HH1.H3HX1.1.HHHHHHH1.1.H4H×1.H1.1.H1.HH1.1.HH6H×1.H1.MHH1.MH1.HH6H×1.HHUH1.1.HHHHH7HX1.MHHHHHH1.1.1.1.8HXH1.1.1.HHHHHHHH9H×H1.1.HHHHH1.1.HH10HXH1.H1.H1.1.1.HHIH11HXH1.MHH1.卜HH1.1.H12HXKM1.1.H1.K1.1.1.HH13HXHH1.HHH1.1.N1.HH14HXMHH1.H1.1.1.HHHH15HXHHHMH1.1.1.1.1.1.1.B1.XXXX××1.1.1.1.1.1.1.1.2RBIH1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.31.T1.X×X×XMMHHHHHM4六、组装与调试1 .运用的主要仪器、仪表多路直流稳压电源YB1719：数字万用表MY61：数字示波器TDSIo1.2：函数发生器EE14U：2 .电路调试(1)单元电路检测抢答电路把主持人的限制开关设置为“清除”位置，用万用表检查RS触发器的正端为低电平，输出端(Kr1.Q)全部为低电平.于是741.S48的4端平IRBO=0,显示潺灭灯：741.SI48的选通输入端,即5端ST=O,741.S148处于工作状态,此时锁存电路不工作。然后把主持人的限制开关拨到“起先”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i,i”给上低电平的输入信号，如当有选手将抢答按键按下时(如按下SQ,741.S148的输出工*Y11=OIO.VEK=O,经RS锁存器后，74279的输出1Q,即CTR=1,/BI/RBO=1.741.S279处于工作状态，输出端4Q3Q2Q=101,Yfx=O,经RS锁存器后，出“5”。此外，CTR=I,使741.SM8仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收.定时电路用示波器检查555的输出波形是否为IHz的方波信号，如不是对555的外用电路进行调整达到要求为止.给741.S192的数据输入湍设定一次抢答的时间，如35秒(00110101)的八位数据。视察显示器的显示时间是否进行减计数，有问题按原理进行修改。时序限制及报警电路< 1>主持人将限制开关拨到“起先”位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。< 2>当参赛选手按动抢答按键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。< 3>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。2.整机电路调试起先时，主持人将限制开关接地，抢答电路部分锁存器741.S279的状态输出全为0,741.S48的灭灯输入与锁存器741.S279的Q1.相接，故抢答电路无显示(消除)：与此同时，在计时电路部分，减法计数器741.S192的预置数端为0,将事先的预取数送入诚法计数器中。当主持人按键弹起时，计数器起先计数工作，抢答起先。在没有人按键且抢答时间没到时，优先编码器/Yex输出为1,计数器B02输出为I,74148的5端，即分=802*3市=0,而CZCX=布*8O2C优先编码落和计数器都正常工作：当在规定时间有人按下抢答按键时，/YEX输出为“0"，CTR=1./ST=I,优先编码器停止工作，此后选手的抢答无效，电路将按键者的编号显示在1.ED上：同时，CTR=I,计数部分的计数脉冲CZCK=C7K*O2*CF-0,计数落停止工作，此时的倒计时时间记录并显示在1.ED上：74148的/Ys端由1跳变到0,74121有状态2,即Q输出留态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为4=4.3秒。假如在规定时间内无人抢答，B02由1跳变到0.74121有状态2,Q输出哲态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为'“=4.3秒：ST=1.抢答电路快止工作，此后的抢答按键无效。七、所用元器件列表序号编号名称数量说明1741.S192十进制可逆计数胧2片工作电压5Y2NE555单稳态触发潜2片工作电压5V3741.S48七路显示译码器3片工作电压5丫4741.S148优先编码器1片工作电压5V5741.S279触发器1片工作电压5Y6741.S121非亚触发单稳态触发器1片工作电压5Y77400与非门1片工作电压5V87408与门1片工作电压5V97404反向器1片工作电压5V109013三极管1个11R3、R1.510C电阻3只12R268kC电阻2只13R1.15k电阻2只14R61.OOk电阻1只【5R5IkQ电阻2只16R710k电阻10只17CI0.IuF2只18CIOuF1只19C2100uF1只20Speaker好鸣器1只8Q,6V21SW弹片开关9只22单刀双置开关9只231.ED发光二极管2只24DPY_7-SEG共阴极七段数码显示管3片八、改进设想及建议（1）我们设计的作品主要是用74系列集成芯片来完成的，在焊接的过程中由于芯片的引脚过多，布线工作不是很便利。有时候还因为某一跟线没有焊牢，造成电路的不稳定，这些都是有待改进的。我们的想法是依据雎片机原理及相关学问对我们的设计进行一些改进.（2）完成电路的设计后，我们进行了电路的模拟，我们采纳的方法是在面包板上进行模拟，虽然结果是模拟出来/,但是效率很低.面包板存在着许多的不确定性。比如板上有些插孔不行用等因素可能导致模拟失败，即便有些时候设计是对的。因此我们建议学习一些常用电路仿真工具，如EWB、MAX-P1.USII等EDA软件对设计出的电路进行仿立和模拟，这样既可以提高效率，又可以提高模拟的精确性。九、心得体会本文具体介绍了抢答器的设计方案，功能及在设计过程中所做的改进。这种抢答器主要是基于74系列集成芯片，成本较低，且基本能够运用于学校的一些活动中。十、参考文献I1,康华光编电子技术基础数字部分>>,北京高等教化出版社.2000年6月版.2 .李海编74系列芯片手册>>,更庆重庆高校出版社19卯年9月版.3 .欧阳昆明编数字遗辑>>,武汉华中科技高校出版社，2002年5月版7.肖景和编（CN0S数字电路应用300例北京，中国电力出版社，2005年1月十一、整机电路原理图