電子搶答器——數(shù)電課程設(shè)計(jì)培訓(xùn)資料

1、電子搶答器數(shù)電 課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 智力競(jìng)賽電子搶答器 設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo) : 1、搶答器電路分為搶答電路設(shè)計(jì)和必答電路設(shè)計(jì)。 2、搶答電路設(shè)計(jì)具體要求： （ 1）搶答組數(shù)分為四組，序號(hào)為 14。 （2）優(yōu)先判斷與指示電路設(shè)計(jì)。 （3）主持人清除上次搶答結(jié)果的電路設(shè)計(jì)。 （4）主持人給選手打分電路與選手得分累計(jì)顯示電路設(shè)計(jì) 3 、必答電路設(shè)計(jì)具體要求： （1）30秒必答倒計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)。 （2）超時(shí)短暫報(bào)警。 第 1 章 電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 1 原理電路設(shè)計(jì)： 1.1 電路總體工作框圖 四路 四路 1 r 選手 鎖存 聲音 搶搭 搶答 警示 按鈕 電路 電路 c J / 主持人按鈕 選手 積分 電路

2、 丿 圖1:課程設(shè)計(jì)的總體框圖 整個(gè)電路框圖如上圖所示，主要可分為三個(gè)部分，第一部分為四路選手搶 搭電路，這部分電路主要采用了四個(gè) 74LS595來(lái)實(shí)現(xiàn)四位選手僅選可選通一路 的功能實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合使用多個(gè)四路與非門(mén)（即74LS10）來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)計(jì)時(shí)電路的控 制。第二部分為計(jì)時(shí)電路，其通過(guò)兩個(gè)級(jí)聯(lián)的74LS161與555定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì) 時(shí)功能，并通過(guò)其對(duì)于聲音警示電路控制。第三部分為選手計(jì)分電路，需用了 可加可減的74LS192來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于選手的加減積分功能。整個(gè)電路在學(xué)校提供的 開(kāi)發(fā)板上，其中所需使用的LED燈、按鈕按照開(kāi)發(fā)板作相應(yīng)的調(diào)整。 第2章硬件電路的組成 1電路工作原理 當(dāng)?shù)谝晃贿x手按下按鈕

3、， 74LS373 鎖存器構(gòu)成的選通電路就會(huì)將低電平傳 至二極管 led 的負(fù)極，此時(shí)若有其他選手再按下按鈕，其會(huì)導(dǎo)致74LS373 處于 鎖存數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而使已經(jīng)亮的小燈不會(huì)受到其他選手按鈕的影響，另一方面 已經(jīng)選通一路會(huì)通過(guò)鎖存器阻止其他路數(shù)據(jù)的傳入。另一方面四位按鈕通過(guò)控 制 74LS161 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)時(shí)電路的控制，以使得當(dāng)有選手按下按鈕時(shí)計(jì)時(shí)才開(kāi) 始。 計(jì)時(shí)電路由兩個(gè)異步清零的模十計(jì)數(shù)器構(gòu)成，對(duì)其清零通過(guò)對(duì)于其清零端 與使能端置低電平完成，而兩位已內(nèi)置好 74LS48的數(shù)碼管通過(guò)與74LS161的 輸出管腳來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的顯示。因?yàn)殡娐芬?30秒計(jì)時(shí)，所以使用計(jì)時(shí)十位的 74LS161的

4、低兩位作為是否到達(dá)30s的判斷信號(hào)，當(dāng)Q1、Q0均為1的時(shí)候就是 到達(dá)30s，此時(shí)通過(guò)與非門(mén)輸出來(lái)控制揚(yáng)聲器以及停止計(jì)時(shí)。 選手計(jì)分電路通過(guò)使用可加可減的 74LS192來(lái)完成，當(dāng)其5管腳為上升沿 是，其數(shù)值加一；而當(dāng) 4管腳為上升沿時(shí)，其數(shù)值減一。而上升的產(chǎn)生則通過(guò) 使用電源、地與一個(gè)按鈕完成。選手分?jǐn)?shù)的顯示通過(guò)使74LS192的輸出管腳與 已內(nèi)置好74LS48的數(shù)碼管相連來(lái)完成。 總體電路的設(shè)計(jì)思路如上，后期搭建電路過(guò)程中依據(jù)實(shí)際情況做了小幅調(diào) 整，當(dāng)整體思路未變。 1.1總體電路原理圖如下 圖2:電路工作原理圖 2單元電路設(shè)計(jì)及芯片簡(jiǎn)介 2.1搶答器控制電路設(shè)計(jì) 搶答器控制電路是搶答器設(shè)

5、計(jì)的關(guān)鍵，它要完成以下三項(xiàng)功能： (1)當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，燈泡發(fā)光，并顯示相應(yīng)的組號(hào)，搶答電路封 鎖和定時(shí)電路開(kāi)始工作。 (2)當(dāng)設(shè)定的答題時(shí)間到，答題人不準(zhǔn)再答題并且將按鈕彈上 一2 一 譏-二心 H2ld 丄.- fr ”；壬 叱2 1AJJP 1 Lr 圖3:搶答器控制電路 74LS373簡(jiǎn)介: 圖4: 74LS373資料 概括起來(lái)： :1與11管腳均置低時(shí)，74LS373起到所存數(shù)據(jù)作用，保存內(nèi)部數(shù)據(jù)組織 外部數(shù)據(jù)的進(jìn)入。 ：當(dāng)1管腳置低，11管腳置高時(shí)，74LS373會(huì)將輸入端的數(shù)據(jù)傳至輸出 端。 而我就是使用74LS373這兩種工作功能的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)四路選一的搶答功能 2.2計(jì)

6、時(shí)電路設(shè)計(jì) 2.2.1顯示部分 計(jì)時(shí)電路由兩個(gè)異步清零的模十計(jì)數(shù)器構(gòu)成，通過(guò)低位Q3、Q1的與或門(mén) 產(chǎn)生低電平，并且用此低電平作為自身個(gè)位的清零信號(hào)以及下一位十位的計(jì)數(shù) 信號(hào)。 對(duì)其清零通過(guò)對(duì)于其清零端與使能端置低電平完成，而兩位已內(nèi)置好74LS48 的數(shù)碼管通過(guò)與74LS161的輸出管腳來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的顯示。在顯示電路中還有一 些與非，這些與非門(mén)是用于實(shí)現(xiàn)對(duì) 30s的控制，計(jì)數(shù)的開(kāi)始、清零，報(bào)警聲音 的產(chǎn)生與主持人復(fù)位電路的實(shí)現(xiàn)。 圖5:計(jì)時(shí)電路 Truth Tables Connection FVTLE CAfiPT EM&B4. E VCCOVTFVT g g 叱 細(xì)itinn ram JT

7、RJTS CLK CLR EMP ENT Lend Function L X X X Uqat H H L H Count & RC dioblod H 1 H H GOgnTC 間 pl朋 H 1 L H Cunl A RC di$sbld H X X L s剤 H H H H increment Ccunlar M16()/rtC161 CLEAIV CLOCK A Order Numbr MM 54HC1S V W MM74KC160/161/1B2/163 CLK CUR ENIP ENT Load Function T L K X X Uow X H H L H Ctiunl 呂.R

8、C disabled X H L H H Count X H L L H Count a He disabled T H X X L Load T H H H H Incromwt Ccunior TUF/5a-B H 二 high IbwI L - low level X - ctonl care, T low Io igh trap*” HC162/HIC1S3 圖6: 74LS161資料 222計(jì)時(shí)部分 由555定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)間脈沖，參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，即出現(xiàn)正脈沖，定 時(shí)時(shí)間15S,當(dāng)?shù)谝淮纬霈F(xiàn)低電平時(shí)燈泡熄滅，表示答題時(shí)間到，然后主持人 即可按復(fù)位。 R2Q U11 71k 3 8

9、R 7 R7 : TR 0-,01-uF- 圖7:555定時(shí)電路 它基本原理是，由于電容 C 的兩端的電壓不能突變，定時(shí)器的 2 端電壓低 觸發(fā)端為低電平，輸出端3為高電平。電源經(jīng)過(guò)Ri、F2給電容C充電，當(dāng)電容的 電壓充到電源電壓的2/3時(shí)，555內(nèi)部的MOS管導(dǎo)通，輸出為低電平。接著電 容通過(guò)艮和已經(jīng)導(dǎo)通的MOS管放電，當(dāng)電容的兩端電壓下降到低于 1/3的電源 電壓時(shí)，MOS管截止電容放電停止，此時(shí)電源通過(guò) R、F2再次向電容充電，如此 反復(fù)，形成震蕩，從而在 3 端得到時(shí)鐘脈沖源輸出，根據(jù)公式： 周期 T= (R1+2R2 XCXln2=0.7 (R1+2R2 C。 高電平：TW1= 0

10、.7 (R1+R2 C=1S ?。篟20=1k (實(shí)際因找不到1k的，所以選用1.2k) R7=71k C4=0.01Uf C3=10uF 2.3 選手計(jì)分電路設(shè)計(jì) 選手計(jì)分電路通過(guò)使用可加可減的 74LS192來(lái)完成，當(dāng)其5管腳為上升沿 是，其數(shù)值加一；而當(dāng) 4管腳為上升沿時(shí)，其數(shù)值減一。而上升的產(chǎn)生則通過(guò) 使用電源、地與一個(gè)按鈕完成。選手分?jǐn)?shù)的顯示通過(guò)使 74LS192的輸出管腳與 已內(nèi)置好74LS48的數(shù)碼管相連來(lái)完成。具體來(lái)說(shuō)管腳 9、10、1、15四管腳懸 空，3、2、6 7四個(gè)管腳與數(shù)碼管的Qa、Qb、Qc、Qd相連，清零端置高，載 入數(shù)據(jù)端置低 圖8:選手積分電路 Connect

11、ion Diagram Truth Table DuaHirbLlna Package MT4Mt 亦 Court Ctfiar Load PuriGtion Up own T H L H Count Up H T L H Count Down X X H X Cl( X X L L Load H = INgr luwl L - tow T 一 IrBnainan Fom low- IA-hrt|h X 一 En I cwu rL/win-i Order lNumbr MM5WC192/1B3 oc MM74HC1927193 圖9: 74LS192資料 從真值表中我們可以看出其計(jì)數(shù)脈沖為上升

12、沿有效，對(duì)于 4、5 管腳的脈沖依 次會(huì)產(chǎn)生減數(shù)、加數(shù)功能，而 Load 端口可以將預(yù)設(shè)值傳入輸出端口。而 Clear 作為清零端口，低電平有效。 第 3 章 硬件電路的調(diào)試 1. 仿真軟件簡(jiǎn)介 Proteus 是英國(guó) Labcenter 公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行 于 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE) 各種模擬器件和集成電路， 該軟件的特點(diǎn)是： 實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路 仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動(dòng)態(tài)仿真、I2C調(diào)試 器、SPI調(diào)試器、鍵盤(pán)和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器

13、，如示波器、 邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。 支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類(lèi)型有：ARM7(LPC21xx)、 8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多種外圍芯 片。 提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功 能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng) 中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2、MPLAB 等軟件。 具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE分析于 一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。 proteus6

14、.5 是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具 ,真的很不錯(cuò)。可以仿真 51系列、AVR,PIC等常用的MCU及其外圍電路（如LCD,RAM,ROM,鍵盤(pán),馬 達(dá)丄ED,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件,.） 其實(shí) proteus 與 multisim 比較類(lèi)似 ,只不過(guò)它可以仿真 MCU！ 當(dāng)然,軟件仿真精度有限 ,而且不可能所有的器件都找得到相應(yīng)的仿真模型,用 開(kāi)發(fā)板和仿真器當(dāng)然是最好選擇 ,可是估計(jì)初學(xué)者有的可能性比較小吧？ 如果你在學(xué)51單片機(jī)，如果你想自己動(dòng)手做做LCD,LED,AD/DA,直流馬 達(dá),SPI,IIC,鍵盤(pán)，的小實(shí)驗(yàn)的話(huà)，試一下吧，不會(huì)讓你失望的！ 用51不管你

15、是用匯編或是C編程當(dāng)然要用keil啦（那個(gè)medwin實(shí)在不怎么 樣 ） ,uvisoin3 有不少新特性呢！ 使用 keil c51 v7.20 + proteus 6.5 可以像使用仿真器一樣調(diào)試程序 ,一般而言, 微機(jī)實(shí)驗(yàn)中用萬(wàn)利仿真器 +電工系自己做的實(shí)驗(yàn)板的實(shí)驗(yàn)都可以做得到吧！ 仿真結(jié)果： 2. 電路調(diào)試過(guò)程 整機(jī)電路安裝、調(diào)試 (1)安裝 因?yàn)樵O(shè)計(jì)電路圖時(shí)，為將芯片個(gè)數(shù)考慮進(jìn)去，所以該設(shè)計(jì)方案用到了較 多的芯片，而開(kāi)發(fā)板上僅僅提供了 14個(gè)槽位，所以我安裝的思路是小模塊安裝 在面包板上，主模塊安裝在開(kāi)發(fā)板上，兩者相連的與非門(mén)、非門(mén)都安裝在開(kāi)發(fā) 板上。 在安裝前先要測(cè)試一下開(kāi)發(fā)板上數(shù)

16、碼管的好壞，采用將數(shù)碼管的四個(gè)管 教全部接高電平的方法，觀察數(shù)碼管是會(huì)否顯示為 8，如果是則數(shù)碼管是好 的，反之則數(shù)碼管壞了。 安裝調(diào)試的先后順序如下，先安裝選手積分電路部分，原因在于此電路 與其他電路相對(duì)獨(dú)立，可以將電路搭在面包板上，這樣就只需與開(kāi)發(fā)板連接電 源就可以使用，既方便調(diào)試又可使連線(xiàn)清楚。 然后搭建555計(jì)時(shí)器電路，其是計(jì)時(shí)電路的基礎(chǔ)。先使用 1.2K、50K、 21K的電阻，O.OluF、10uF電容搭建于面包板上。而后搭建由兩個(gè) 74LS192構(gòu) 成的計(jì)時(shí)電路，先讓其與555定時(shí)器相連可以顯示數(shù)字030s的變化，而后再 接周邊的幾個(gè)與非門(mén)，實(shí)現(xiàn)清零、報(bào)警、復(fù)位功能。這樣逐步進(jìn)行

17、搭建可以較 快發(fā)現(xiàn)并改正搭建過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題。 最后安裝選手搶答電路，之所以將這部分內(nèi)容放在最后，其一在于其功 能的測(cè)試需要通過(guò)計(jì)時(shí)電路才能實(shí)現(xiàn)，其二在于選手搶答電路所需芯片較多， 電路接法最為復(fù)雜，在前面電路接完后，把握會(huì)比較大。 最后部分選用搭建四路中的一路，先將一路的功能實(shí)現(xiàn)，余下的三路就 好搭建的多了。選手搶答電路四路具有極大的相似性，且芯片管腳的利用率也 較低，接線(xiàn)方便。 （2）調(diào)試 1. 選手積分電路調(diào)試 選手積分電路設(shè)計(jì)上要實(shí)現(xiàn)對(duì)于選手加減分功能，但在實(shí)際使用中出現(xiàn)了 一種情況，按下按鈕會(huì)使計(jì)數(shù)一次加二或一次減二。進(jìn)過(guò)分析，我覺(jué)得這是因 為我使用的是按鈕中的鐵片抖動(dòng)造成的，我想通

18、過(guò) RS 觸發(fā)器來(lái)搭建個(gè)防抖動(dòng) 電路，來(lái)消除抖動(dòng)造成的連續(xù)加數(shù)。 2. 計(jì)時(shí)電路調(diào)試 在搭建過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)74LS192的1與15管腳不需相連，相連后回造成進(jìn)位 問(wèn)題；并且在數(shù)值由 19向 20進(jìn)位的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)位后并不顯示 20，顯 示出 10，但是由 9進(jìn)位為 1 0的時(shí)候并未發(fā)生問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題當(dāng)時(shí)并未得到解 決。第二天其自動(dòng)好了 在使用十位的低兩位作為停止計(jì)時(shí)與報(bào)警的輸入信號(hào)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)與非門(mén)連 出兩條線(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，可能是因?yàn)殡娏鞑蛔悖瑹o(wú)法驅(qū)動(dòng)其兩個(gè)功能的電路，所以 我采用了兩個(gè)與非門(mén)分別實(shí)現(xiàn)。 3. 選手搶答電路調(diào)試 選手搶答電路設(shè)定使用的是共陽(yáng)極的數(shù)碼管，但是開(kāi)發(fā)板上使用的共陰極 數(shù)

19、碼管，所以我在此使用了四路反相器來(lái)使設(shè)計(jì)圖與開(kāi)發(fā)板情況相同。 3. 總結(jié) 本電路使用了 74LS373鎖存器，74LS48編碼器，555定時(shí)器，譯碼器數(shù)碼管 等構(gòu)成搶答電路，倒計(jì)時(shí)電路。還使用了 74ls192 等電路實(shí)現(xiàn)計(jì)分功能，并利 用使能端與一些門(mén)電路，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)鎖存，鳴叫，清零等功能，總結(jié)如下： 優(yōu)點(diǎn)：電路功能原理清晰，各項(xiàng)功能均達(dá)到了要求；電路各部分獨(dú)立性較 好，連線(xiàn)方便，便于尋錯(cuò)糾錯(cuò)，基本滿(mǎn)足了普通競(jìng)賽的搶答要求。 缺點(diǎn)：1. 在主持人清零前，選手不需要先將按鈕彈回，否則主持人無(wú)法進(jìn) 行清零。2.在電路采用的是順計(jì)時(shí)，即計(jì) 0到30，而非倒計(jì)時(shí)。 3.選手使用的 是非自動(dòng)上彈型按鈕。

20、 第 4 章 結(jié)束語(yǔ) 1 設(shè)計(jì)體會(huì) 此次為期 5 天的數(shù)電課程設(shè)計(jì)，將理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合，既考查了同學(xué) 對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，由反映了實(shí)際動(dòng)手能力，更主要的是考查了同學(xué)對(duì)知 識(shí)的綜合運(yùn)用以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維能力，為今后的發(fā)展提供了一次良好的學(xué)習(xí)環(huán) 境。 針對(duì)課設(shè)題目四路搶答器，一開(kāi)始還沒(méi)有頭緒，不會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行有 效設(shè)計(jì)，但通過(guò)上網(wǎng)查閱各種類(lèi)似的設(shè)計(jì)，去圖書(shū)館翻閱相關(guān)設(shè)計(jì)書(shū)籍，查閱 所提供的芯片功能，確定基本設(shè)計(jì)方案，又通過(guò)仿真驗(yàn)證試驗(yàn)方案的可實(shí)行 性，雖說(shuō)比較煩雜但卻對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)電路有了基本的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)也使自己認(rèn)識(shí) 到： 1、設(shè)計(jì)思路是整個(gè)設(shè)計(jì)的靈魂 拿下每個(gè)課題能有一個(gè)非常清晰的設(shè)計(jì)思路是至關(guān)重要的。只有對(duì)課 題的充分理解，對(duì)各種器件的熟練掌握，勾畫(huà)出基本的設(shè)計(jì)圖是成功的關(guān) 鍵，必須多花時(shí)間在設(shè)計(jì)上才能為后續(xù)工作提供更扎實(shí)的基礎(chǔ)。翻閱各 種資料，上網(wǎng)查詢(xún)填補(bǔ)所需知識(shí)的空白是必要的。此次電路圖的設(shè)計(jì)我先 是