电子技术课程设计具有定时功能的八路数显抢答器的设计

工程学院 电子技术课程设计任务书设计题目： 专 业： 学生姓名: 学 号: 起迄日期: 2011年1月3日 2011年1月14日 指导教师: 教研室主任： 目录1 引言 2设计任务与要求3设计方案论证4设计原理与参考电路5总体电路设计6电路仿真7电路PCB图8课程设计总结9附录：实验器材清单和总电路图10 参考文献具有定时功能的八路数显抢答器的设计摘要:本文介绍了一种用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。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。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则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。关键词:八路, 抢答器, 设计,定时，计时，报警一 引言 数字技术是当前发展最快的学科之一，数字逻辑器件已从20世纪60年代的小规模集成电路(SSI)发展到目前的中、大规模集成电路(MSI，LSI)及超大规模集成电(VLSI)。相应地，数字逻辑电路的设计方法在不断的演变和发展，由原来单一的硬件逻辑设计发展成三个分支，即硬件逻辑设计(中、小规模集成器件)、软件逻辑设计(软件组装的LSI和VSI，如微处理器、单片机等)及兼有二者优点的专用集成电路(ASIC)设计。目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机、自动控制、电子测量仪表、电视、雷达、通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。 抢答器主要用于选手做抢答题时，选手进行抢答，抢到题的选手来回答问题。抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。二 设计任务与要求 1. 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0S7表示。 2. 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。 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，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。 4. 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）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。 5. 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。 6. 如果定时时间已到，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00。三 设计方案论证 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。方案一采用数字电路1、原理方框图定时抢答器的总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路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图1所示的定时抢答器的工作过程是：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，扬声器给出声响提示，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。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：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，然后由译码显示电路显示编号；扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；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；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。方案二采用单片机1、原理方框图此电路完成的功能如图2所示，当主持人宣布抢答开始的时候，按下开始按钮，此时电路进入抢答状态，选手的输入采用了扫描式的输入，之后把相应的信息送往单片机，再由单片机输出到显示输出电路中。此时有人第一按下相应的抢答按钮，经过单片机的控制选择，在八段显示器上显示相应的号码，并锁存，同时禁止其他按钮的输入。（图2）方案三采用PLC1、原理方框图此电路的功能如图3所示，当主持人打开启动开关后，在设定时间TO 内，如果某组抢先按下抢答按钮，则驱动音效电路发出声响，指示灯LI亮，并且在8段数码管显示器上显示出抢答成功的组号，此时电路实现互锁，其他组再按下抢答按钮为无效;如果在时间TO内，无人应答，则驱动音效电路发出声响，指示灯L2亮，表示抢答者均放弃该题;在抢答成功后，主持人打开限时开关SW2，启动计时器，在设定的时间TI 内回答有效，当到达设定时间TI时，驱动音效电路，指示灯L3亮，表示答题时间到。 （图3）三、 方案选择方案比较数字电路单片机PLC制作难度低一般一般实现难度一般低低价格低一般高电路原理简单一般一般设计难度简单高一般通过上面的方案比较，数字电路的制作方案比较容易实现，并且在原理方面也是比较简单，所以我选择采用第一种方案来完成抢答器电路。四 设计原理与参考电路 (1)图1为数字抢答器为总体方框图。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，扬声器给出声响提示。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、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。总体框图 图1 (2)参考电路如图2所示。电路包括编码器74LS148，以及S0S7八位二进制BCD码编码开关，4个74LS279的RS触发器作存储电路和74LS48译码器及显示电路。该电路完成两个功能：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；二是禁止其他选手按键操作无效。工作过程为：开关S置于“清除”端时，RS触发器的清零端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148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，当有选手将键按下时(如按下S5)，74LS148的输出经RS锁存后，Q1=1，74LS48处于工作状态，Q4Q3 Q2=101，经译码显示为“5”。此外，Q1=1，使74LS148=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由于仍为Q1=1，使Q1=1，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出两次按键时输入信号，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。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。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路如图3所示(电路包括555定时器，两块74LS192存储器，两块74LS48显示译码器)。 (3)报警电路。由555定时器和三极管构成的报警电路(包括555定时器构成的多偕振荡器和三极管功率放大器及扬声器组成)如图4所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率f0=143(R1+2R2)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。 (4)时序控制电路(包括定时信号产生电路与门G1、与非门G2和一个74LS18)。时序控制电路是抢答器设计的关键，它主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入正常抢答工作状态； 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。 根据上面的功能要求以及图4所示电路，设计的时序控制电路如图5所示。图5中，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的输人使能端。图5的工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自于图3中的74LS279的输出Q1=0，经G2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G2的输出为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键时，Q1=1，经G2反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出等于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，G2=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。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。 (5)整机电路设计。 经过以上各单元的设计，可以得到定时抢答器的整体电路。如图6所示： 五 总体电路设计1.抢答器电路抢答器电路如图所示。该电路完成两个功能：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；二是禁止其他选手按键操作无效。工作过程：开关S置于“清除”端时，RS触发器的端均为0，5个触发器输出置0，使74LS148的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，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出,经RS锁存后,2Q=1,74LS48处于工作状态，5Q4Q3Q=101，且1Q=0，则经译码显示为“5”。此外，2Q，使74LS148的，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的此时由于仍有2Q，使，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S开关重新置于“清除”然后再进行下一轮抢答。若按下S0，经RS锁存器后，1Q=1，74LS148的输出,经RS锁存后,2Q=1,74LS48处于工作状态，5Q4Q3Q=000，且1Q=1,所以经译码显示为“8”。保证抢答者的优先性与上述类似。优先判决器优先判决器主要是由74LS148集成优先编码器等组成。该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端，选通输入端，选通输出端和扩展端。其功能表如表2所示。从功能表中可以看出当“0”时，编码器工作，而当“1”时，则不论8个输入端为何种状态，输出端均为“1”，且端和端为“1”，编码器处于非工作状态,这种情况被称为输入低电平有效。优先编码器74LS148功能表锁存器SR锁存器是该设计中保证多个开关先后触发而不发生紊乱的重要部分。用与非门组成的SR锁存器的特性表 Q11001111010101111001101100010011译码器设计中选用的译码器型号是74LS48（共阴），其引脚排列如图所示，其中、 BCD码输入端，、 译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。 测灯输入端，“0”时，译码输出全为“1”，数码管七段同时电亮，以检查数码管各段能否正常发光。 灭灯输入端，“0”时，译码输出全为“0”。 作为输出端使用时，称灭“0”输出端，在A=B=C=D=0时，而且 =0时，才会输出低电平，表示译码器把不希望显示的零熄灭了。熄零输入端。用来熄灭不希望显示的零。74LS48的引脚排列图数码显示器LED数码管是目前最常用的数字显示器，它分为共阴管和共阳管。在此只对共阴管作介绍，其电路和出线形式的引出脚如图7所示。一个LED数码管可用来显示一位09十进制数和一个小数点。小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为22.5V，每个发光二极管的点亮电流在510mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。 LED数码管 抢答电路在protel的原理图2.定时电路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。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计。定时电路在protel的原理图如下： 3.报警电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo143（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。 4.时序控制电路时序控制电路功能： 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入正常抢答工作状态。 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，扬声器发声，同时抢答器和定时电路停止工作。六 电路仿真分析 抢答电路仿真图如下： 当J1闭合时数码管显示1号，满足设计要求。七 电路PCB图 数字抢答电路PCB图1 定时电路PCB图2 总电路的PCB图3八 课程设计总结 课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面我对整个课程设计的过程做一下简单的总结。 第一，接到任务以后进行选题。选题是课程设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个课程设计是否能够顺利进行关系极大。好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。因此，选；题时一定要考虑好了。 第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做课程设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。 第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。 第四，有了研究方向，就应该动手实现了。其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。通过这次设计，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嘛，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，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。 在此要感谢我的指导老师，感谢老师给我这样的机会锻炼。在整个课程设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。 九 附录：实验器材清单和总电路原理图 实验器材清单如下： 元器件名称型号数量数字实验箱 1集成电路74LS1481集成电路74LS2791集成电路74LS192 2集成电路NE5552集成电路74LS00 1集成电路74LS1211电阻5102电阻1K9电阻4.7k1电阻5.1k1电阻100k1电阻10k1电阻15k1电阻 68k1电容0.1uF1电容10uf 2电容100uf1 三极管3DG121 总电路原理图 总电路在protel的原理图十 参考文献1、欧阳星明主编.数字逻辑（第二版）.武汉：华中理工大学出版社，2005 2、康华光等编.电子技术基础-数字部分（第四版）.北京:高等教育出版社，20003、阎石等编.数字电子技术基础（第四版）.北京:高等教育出版社，19984、秦增煌等编.电工学（第七版上下）.北京:高等教育出版社，2009 5、胡国庆等编.电工电子实践教程.北京:清华大学出版社，20076、彭华林等编. 数字电子技术. 长沙：湖南大学出版社，2004年 7、金唯香等编. 电子测试技术. 长沙：湖南大学出版社，2004年 8、侯建军. 数字电路实验一体化教程. 北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005年 9、李士雄.数字集成电子技术教程，北京，高等教育出版社，1993年22