電工與電子課程設(shè)計八路智力競賽搶答器

1、 學 生 課 程 設(shè) 計 報 告 課程名稱： 電工與電子課程設(shè)計 院 別： 機電學院 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 09機械本 姓 名： 學 號： 2009094443010 指導(dǎo)教師： 教務(wù)處制 二0一一年 1 月 7 日課程名稱：電工與電子課程設(shè)計 課程代碼： 09401716 實訓(xùn)周數(shù)： 1 學 分： 1 實訓(xùn)單位： 機電學院 實訓(xùn)地點： 校內(nèi) 實訓(xùn)時間：2011.1.4-2011.1.7 目錄設(shè)計任務(wù)及主要技術(shù)指標和要求八路搶答器各部分的設(shè)計及其原理2.1 搶答電路設(shè)計 2.2 定時電路設(shè)計 2.3 秒脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計 2.4 報警電路設(shè)計 2.5 時序控制電路設(shè)計 2.6

2、 供電電源電路設(shè)計2.7搶答總體電路設(shè)計元器件清單心得體會 參考文獻 一、 設(shè)計任務(wù)及主要技術(shù)指標和要求1、基本功能(1).設(shè)計一個智力競賽搶答器，可同時供8名選手或8個代表隊比賽，他們的編號是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應(yīng)，分別用8個按鈕s0 s7表示。 （2）.給節(jié)目主持人設(shè)置一個控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零（編號顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。（3）. 搶答器具有鎖存與顯示功能。搶答開始后，若有選手按動按鈕，編號立即鎖存，并在led數(shù)碼管上顯示出選手的編號，同時揚聲器發(fā)出報警聲響提示。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答，優(yōu)先搶答選手的編號

3、一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。（4）設(shè)計為搶答電路供電的電源，電源技術(shù)指標為：輸入交流電220v，輸出直流電壓5v，輸出電流1a。輸入電壓在220v上下波動10%時，輸出電壓相對變化量小于2%，輸出電阻r0.1，輸出最大紋波電壓小于10mv。2、拓展功能（選做）(1)搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設(shè)定（如30秒）。當主持人啟動開始鍵后，定時器進行減計時，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間0.5秒左右。（2） 參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止（3） 如果定時時間已到，無人搶答，本次

4、搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示00。二、八路搶答器各部分的設(shè)計及其原理此次設(shè)計的八路定時搶答器有兩種設(shè)計方案，第一種方案的總體框圖如圖1.1所示 圖1.1 方案一的總體設(shè)計框圖 其原理是：主持人按動開始搶答的開關(guān)后，最先搶答的選手的電平信號先經(jīng)過優(yōu)先編碼器，再依次經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器，此時已經(jīng)限制了其他選手的搶答，信號再經(jīng)過譯碼器和七段數(shù)碼顯示器，將最先搶答的該選手的編號顯示出來，并同時產(chǎn)生報警信號，到此完成的是搶答功能；如果沒有人搶答， 30秒減計數(shù)器減到00時也會發(fā)出報警信號，此是完成計時功能。這種方案原理比較簡單，但組裝電路比較麻煩，控制電路部分要用幾種芯片，相對繁瑣。第二種方

5、案的總體框圖如圖2所示：該方案是將搶答按鈕先直接與鎖存器而不是優(yōu)先編碼器相連，將最先搶答的選手的編號鎖定，再依次經(jīng)過優(yōu)先編碼器、譯碼器和七段顯示器，最后顯示的是搶答選手的編號，經(jīng)過優(yōu)先編碼器后的信號到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又與報警電路直接連接，所以顯示編號的同時可以發(fā)出報警信號。另外由主持人控制開關(guān)和其他部分電路通過門電路實現(xiàn)對搶答電路、定時電路和報警部分電路的控制。 圖1.2 方案二的總體設(shè)計框圖相比之下，第二種方案更好些。它的優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面：主持人對整體電路的控制只需幾個門電路就可完成，不必用特別的芯片來組成控制電路；更容易實現(xiàn)報警提示功能，在有選手搶答后或者計時開始和結(jié)束時；

6、用集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器代替了自己設(shè)計的控制電路，既減少了布線使整個電路更直觀簡單又降低了產(chǎn)生錯誤的可能性。所以以下的設(shè)計方案都是按照方案二進行的。2 八路搶答器各部分電路設(shè)計及其原理單元電路包括搶答電路、秒脈沖發(fā)生器電路、定時電路、報警電路和時序控制電路。下面將一一介紹。2.1搶答電路設(shè)計搶答電路的功能有兩個：一是選手搶答后鎖存器進行數(shù)據(jù)鎖存，禁止其它選手搶答，二是搶答后的電平信號由優(yōu)先編碼器判斷選手編號，并經(jīng)譯碼器譯碼再由顯示器顯示該編號。電路是由八d鎖存器、優(yōu)先編碼器74148和七段譯碼器7448和七段數(shù)碼顯示器組成。74ls373是常用的八d鎖存器，它功能表如表1所示。表1. 芯片74ls3

7、73的功能表輸出控制端oc使能端cd輸出lhhhlhllllq0hz表可知，只有當使能端為高電平時才能將輸入信號輸出，同時鎖存，且此時由功能輸出控制端為低電平。74ls148是有八個輸入端，三個輸出端的優(yōu)先編碼器，它的功能是判斷搶答選手的編號。74ls148的功能表如表2所示。表2 74ls148的功能表七段顯示譯碼器7448輸出高電平有效，用以驅(qū)動共陰極顯示器。該集成顯示譯碼器設(shè)有多個輔助控制端，以增強器件的功能。七段顯示譯碼器一般與七段數(shù)碼顯示器相連，共同構(gòu)成四輸入端的數(shù)碼顯示電路。共陰極數(shù)碼顯示器的功能表如表3所示表3 共陰極數(shù)碼顯示器的功能表十進制a3a2a1a0abcdefg0000

8、01111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601100011111701111110000810001111111910011110011搶答器電路（圖2.1原理是：當任意一個選手按下?lián)尨鸢粹o后，74ls373開始工作，與輸入端對應(yīng)的輸出端為低電平，低電平經(jīng)過74ls148編碼后輸出的是一組與輸入對應(yīng)的三位二進制數(shù)，再經(jīng)過譯碼顯示電路將對應(yīng)的編號顯示出來。編碼器74ls148工作時輸出使能端為高電平，將其連接到鎖存器的控制端口，使其由低電平變?yōu)楦唠娖?，禁止它再工作，即使其他選手再按動按鈕，也不會再有輸

9、出，也就是完成了鎖存功能。圖2.1搶答器電路圖2.2 定時電路設(shè)計本次設(shè)計的要求中有一項是有定時搶答的功能，并且一次搶答的時間可以由主持人設(shè)定。這就要設(shè)計定時電路。定時電路是由兩片74ls192、7448和共陰極顯示器組成的。其中7448和共陰極顯示器共同構(gòu)成數(shù)碼顯示功能電路在前面的搶答電路中已經(jīng)介紹過了。兩片74ls192是構(gòu)成兩位十進制遞減計數(shù)器，以實現(xiàn)定時功能。74ls192是具有置數(shù)和清零功能的同步十進制減計數(shù)器，其功能表如表4所示： 表4 74192的功能表 由以上集成芯片設(shè)計的定時電路如圖2示。定時電路（圖2的工作原理是：首先主持人根據(jù)題的難易程度來確定搶答時間，并通過74ls19

10、2的置數(shù)端將時間輸入，搶答開始時主持人將清零開關(guān)置低電平，計數(shù)器開始遞減計數(shù)至00，產(chǎn)生報警，計數(shù)器停止工作。計時期間有人搶答，減計數(shù)器停止計時，顯示器上顯示此刻時間。 圖2.2時間的定時電路圖2.3 秒脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計為了準確地計時，設(shè)計中不能缺少秒脈沖產(chǎn)生電路，即能產(chǎn)生周期為一秒的脈沖的電路。如圖2.3所示為用555設(shè)計的秒脈沖產(chǎn)生電路因為周期為一秒，所以頻率是1赫茲。圖中電容的充放電時間分別是：t1=r2c1ln20.7r2c.t2=(r1+r2)cln20.7(r1+r2)c. 所以555的3端輸出的頻率為： f=1/(t1+t2)1.43/(2r1+r2)c 我們采用的電阻和電容值分

11、別是:r1=15k，r2=64k，c1=10uf,滿足上式，即得到的是秒脈沖 圖 2.3 秒脈沖產(chǎn)生電路2.4 報警電路設(shè)計報警電路是由555定時器組成的，電路如圖2.4所示圖中555定時器用來構(gòu)成多諧振蕩器，震蕩頻率和秒脈沖產(chǎn)生電路中頻率的計算方法相同。3端的輸出信號經(jīng)過三級管驅(qū)動揚聲器，發(fā)出報警信號。當4端的輸入信號是高電平時，振蕩器工作，有報警信號，4端輸入低電平時，振蕩器不工作，沒有報警信號。也就是說需要報警時只需控制輸入端就可以了。 圖2.4報警電路圖2.5 時序控制電路設(shè)計控制電路包括控制揚聲器發(fā)聲時間的部分電路和將以上各個部分電路連接起來的電路因為揚聲器的發(fā)聲時間要控制在0.5秒

12、，所以要控制報警電路的輸入脈沖的脈寬，也就是脈沖周期。可以選用不可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls121，它的功能表如表5所示。 表5 74121的功能表由功能表可知，當三個輸入端的狀態(tài)不變時輸出是低電平，低電平接至報警電路的輸入端是不會有報警信號的，只有當輸入端有上升延或是下降延（具體如表）時，輸出端才會有單次脈沖，將高電平接至報警電路時就會產(chǎn)生報警信號了。這部分控制電路的電路圖如圖2.5所示: 圖2.5控制部分電路圖圖中的電阻和電容的值可以決定脈沖寬度： tw0.7rc。要求報警時間為0.5秒，所以我們選擇電阻r=10 k，電容c=71f 。2.6 為搶答電路供電的電源設(shè)計圖2.6 直流電源的

13、原理框圖如圖2.7，用交流變壓器把220v交流電壓變?yōu)?.5v交流電壓（變壓器功率12w），然后用橋式整流把7.5v交流電壓變?yōu)榉逯?0.6v左右的單向脈動電壓，用2000f/16v的鋁電解電容濾波，把單向脈動電壓變?yōu)楹薪涣骷y波的直流電壓，再用5v輸出的線性穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓（注意輸出端對地要接一個幾百f/10v的鋁電解電容抑制可能產(chǎn)生的自激振蕩）。關(guān)于選擇那些元器件的依據(jù)（輸入交流電220v，輸出直流電壓5v/1a）如下，線性穩(wěn)壓器7805的額定輸出電流是1a，正好滿足需要，7.5v/12w輸出是小型交流變壓器的基本規(guī)格之一，而且7805要求的最小輸入電壓是8v，而7.5v交流電壓經(jīng)過橋式

14、整流濾波后的直流電壓是8.6v左右，這個電壓正好給要求8v的最低電壓留出了一點余量，恰到好處，再低則7805無法正常工作，過高則效率降低，7805會發(fā)燙。整流二極管用1n40011n4007，7805的輸入濾波電容耐壓要比8.6v稍高即留有余量，選耐壓16v是必要的，又由于輸出電流1a所以容量也要稍大選2000f較好，7805的輸出電容可以稍小些，100f（可選200f）以上即可，這些都是最普通的元器件，很容易買到。 圖2.7 供電電源整流電路2.7 整機電路設(shè)計各部分電路都已經(jīng)的設(shè)計完畢，現(xiàn)在介紹一下總體電路。在部分電路圖上已經(jīng)表示出了它們之間的聯(lián)系。相同編號的輸出端和輸入端是要連接在一起的

15、，例如，輸出端1要接輸入端1，輸出端2要接輸入端2，依此類推，把各個電路連接起來就是總體電路圖了。開關(guān)k是主持人控制的，開始時接高電平，清零時接低電平。同時還有主持人的置數(shù)開關(guān)和選手的搶答開關(guān)，分別在定時電路和搶答電路中。圖中“1”表示要接高電平+5v,“0”表示接低電平，即接地。下面介紹本次設(shè)計的搶答器的使用原理。首先是各個選手分別對應(yīng)的按鈕編號是s0、s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7，搶答后顯示器上顯示的分別是0、1、2、3、4、5、6、7。 然后是主持人對整個電路系統(tǒng)清零，將開關(guān)置于“清零”的位置，輸出低電平，分為三路：一路與74ls148的e0端與非后變?yōu)楦唠娖捷敵龅?4373

16、的使能端c，此時鎖存器不鎖存數(shù)據(jù)，所以搶答部分顯示器滅燈無顯示，實現(xiàn)了清零；另一路低電平輸出到計數(shù)器74ls192的ld端，而cr端也是低電平，所以使得對應(yīng)顯示器輸出預(yù)置的數(shù)據(jù)；三是與集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls121相連，因為是低電平所以沒有報警信號。接下來主持人根據(jù)題目的難易程度設(shè)置搶答時間，此設(shè)定可以通過調(diào)節(jié)輸入兩片74ls192的四個輸入端d、c、b、a的高低電平來進行（例如要設(shè)定時間為30秒,就將十位的74192的d、c、b、a分別置位為0、0、1、1，而將各位的74ls192的d、c、b、a都置于0）。當主持人宣讀完題目說“開始”并將開關(guān)置于“開始”位置后，輸出為高電平，此高電平有三路

17、方向：一路輸出到集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls121的輸入端，使其產(chǎn)生單個周期為0.5s的脈沖，驅(qū)動報警電路發(fā)出聲響，即實現(xiàn)了發(fā)聲提示的功能；另一路輸出到74ls192的ld端，使其處于高電平而開始減計數(shù)；還有一路輸出到鎖存器的c端；當任意一個選手搶答時，例如2號搶答時，八d鎖存器74ls373工作，與輸入端相對應(yīng)的輸出端2q輸出低電平，則鎖存器輸出的八位電平經(jīng)83八位優(yōu)先編碼器74ls148編碼輸出的a2a0成為與輸入信號相對應(yīng)的三位二進制碼001，而74ls148的管腳15（e0）的輸出電平由低變高，輸出到七段譯碼顯示器74ls48的二進制碼經(jīng)其譯碼后輸出到七段共陰數(shù)碼管上，則顯示器上顯示對應(yīng)的

18、編號1。此時，74ls48的ri/rbo端輸出高電平，開關(guān)出也輸出高電平，二者經(jīng)過與非門輸出低電平，經(jīng)過與門還是低電平輸出到鎖存器74ls373的c端，起到所存功能，其他選手若再按動對應(yīng)按鈕也無對應(yīng)輸出，即實現(xiàn)了搶答功能；同時，由于74ls148的e0段輸出高電平輸出到集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls121的輸入端，使其產(chǎn)生單個周期為0.5s的脈沖，驅(qū)動報警電路發(fā)出聲響，即實現(xiàn)了發(fā)聲提示的功能；同時，74ls148的gs端輸出電平由高變低，與秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖相與后輸出為0，使得無脈沖抵達計數(shù)器74ls192的down端。計數(shù)器停止工作，保持原來顯示不變，即實現(xiàn)了暫停減計數(shù)使其記錄搶答時間的功能

19、；若沒有選手按動按鈕，則74ls373輸出全為高電平，74ls148也輸出高電平，e0端輸出低電平至74ls48的滅燈輸入ri/rbo端，使得信號經(jīng)74ls48到顯示器上時無顯示；若到定時部分計數(shù)器倒計時到00還無選手按動按鈕的話，十位74ls192的借位輸出端輸出高電平，將此輸出高電平輸入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls121的b端口，使其產(chǎn)生周期為0.5s的脈沖刺激報警路發(fā)聲提示；綜上所述，這次設(shè)計的電路完全可以實現(xiàn)要求中的所有功能下圖是整機電路圖:元器件清單 表6 元器件清單序號編號 名稱數(shù)量 器件說明 173ls373 八d鎖存器 1片工作電壓5v 274ls148 優(yōu)先編碼器 1片工作電壓5v

20、 374ls48 七段譯碼顯示器 3片工作電壓5v 4 -共陰極七段數(shù)碼顯示管 3片工作電壓5v 574ls192 十進制可逆計數(shù)器 2片工作電壓5v 6 ne555 555計時器 2片工作電壓5v 774ls121非重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1片工作電壓5v 874ls00 與非門 1片工作電壓5v 974ls08 與門 1片工作電壓5v 1074ls32 或門 1片用于報警電路 1174ls04 非門 1片 用于報警電路 11 9013 三極管 1個工作電壓5v 12 r1 10k1只連接121的11腳與地 13 r268k2只連接555的6與7管腳 14 r315k2只連接555的7與8管腳

21、 15 r4100k1只連接555的3與三極管 16 r550k1只連三極管發(fā)射極與地 17 c171uf1只連121的10與11腳 18 c210uf2只連555的2腳與地19 c30.01uf2只連555的5與1腳 20 c4100uf1只用于發(fā)聲電路21c52000uf1只用于濾波22c6200uf1只用于抑制振蕩23變壓器7.5v/12w1只用于降壓 24s0-s7彈片開關(guān)8只供選手答題25 s8單刀雙置開關(guān)1只供主持人控制電路26整流二極管1n40011n40074只用于整流27 -蜂鳴器1只8，6v心得體會最后一周的實習竟然是課程設(shè)計，太不可思議了。剛剛接到課題的時候，就忍不住一陣好奇，搶答器啊，做都沒做過，也沒見過，接下來更多想到的是悲劇，因為這幾天剛好是復(fù)習的時間，哪里會有時間搞這些啊，更何況這個對我們來說挺難的。不過開始設(shè)計時遇到的問題不是很多，這讓我這種感覺好了一點了，因為老師說這個比較簡單，可以有很多資料參考，所以我們剛回來就向圖書館奔去，