電子技術(shù)課程設(shè)計具有定時功能的八路數(shù)顯搶答器的設(shè)計

1、 工程學(xué)院 電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名: 學(xué) 號: 起迄日期: 2011年1月3日 2011年1月14日 指導(dǎo)教師: 教研室主任： 目錄1 引言 2設(shè)計任務(wù)與要求3設(shè)計方案論證4設(shè)計原理與參考電路5總體電路設(shè)計6電路仿真7電路pcb圖8課程設(shè)計總結(jié)9附錄：實驗器材清單和總電路圖10 參考文獻具有定時功能的八路數(shù)顯搶答器的設(shè)計摘要:本文介紹了一種用74系列常用集成電路設(shè)計的數(shù)碼顯示八路搶答器的電路組成、設(shè)計思路及功能。該搶答器除具有基本的搶答功能外，還具有定時、計時和報警功能。主持人通過時間預(yù)設(shè)開關(guān)預(yù)設(shè)供搶答的時間，系統(tǒng)將完成自動倒計時。若在規(guī)定的時間內(nèi)有人搶答，則計時

2、將自動停止；若在規(guī)定的時間內(nèi)無人搶答，則系統(tǒng)中的蜂鳴器將發(fā)響，提示主持人本輪搶答無效，實現(xiàn)報警功能。關(guān)鍵詞:八路, 搶答器, 設(shè)計,定時，計時，報警一 引言 數(shù)字技術(shù)是當前發(fā)展最快的學(xué)科之一，數(shù)字邏輯器件已從20世紀60年代的小規(guī)模集成電路(ssi)發(fā)展到目前的中、大規(guī)模集成電路(msi，lsi)及超大規(guī)模集成電(vlsi)。相應(yīng)地，數(shù)字邏輯電路的設(shè)計方法在不斷的演變和發(fā)展，由原來單一的硬件邏輯設(shè)計發(fā)展成三個分支，即硬件邏輯設(shè)計(中、小規(guī)模集成器件)、軟件邏輯設(shè)計(軟件組裝的lsi和vsi，如微處理器、單片機等)及兼有二者優(yōu)點的專用集成電路(asic)設(shè)計。目前數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于計算

3、機、自動控制、電子測量儀表、電視、雷達、通信等各個領(lǐng)域。例如在現(xiàn)代測量技術(shù)中，數(shù)字測量儀表不僅比模擬測量儀表精度高，功能高，而且容易實現(xiàn)測量的自動化和智能化。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，尤其是中，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用范圍將會更廣泛地滲透到國民經(jīng)濟的各個部門，并將產(chǎn)生越來越深刻的影響。 搶答器主要用于選手做搶答題時，選手進行搶答，搶到題的選手來回答問題。搶答器不僅考驗選手的反應(yīng)速度同時也要求選手具備足夠的知識面和一定的勇氣。選手們都站在同一個起跑線上，體現(xiàn)了公平公正的原則。二 設(shè)計任務(wù)與要求 1. 搶答器同時供8名選手或8個代表隊比賽，分別用8個按鈕s0s7表示。 2. 設(shè)

4、置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)s，該開關(guān)由主持人控制。 3. 搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在led數(shù)碼管上顯示，同時揚聲器發(fā)出報警聲響提示。選手搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。 4. 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。 5. 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。 6. 如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警

5、并禁止搶答，定時顯示器上顯示00。三 設(shè)計方案論證 制作搶答器可以用好多的方法，可以用單片機來完成，它的功能強大制作簡單，并且外圍的元件也很少；也可以用plc來實現(xiàn)，他的制作也是比較簡單；還可以用我們學(xué)過的eda技術(shù)來制作；最后也可以用數(shù)字電路來實現(xiàn)，它的原理比較簡單，集成塊的價格也比較便宜且很容易購買，與我們學(xué)完的數(shù)字電路聯(lián)系緊密，能將我們所學(xué)知識用于實際，對鞏固所學(xué)知識有重要意義，用了一些成型電路，如ne555標準秒脈沖電路等，使總體方案易于實現(xiàn)。方案一采用數(shù)字電路1、原理方框圖定時搶答器的總體框圖如圖1所示，它由主體電路和擴展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當選

6、手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成定時搶答的功能。圖1圖1所示的定時搶答器的工作過程是：接通電源時，節(jié)目主持人將開關(guān)置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時顯示器顯示設(shè)定的時間，當節(jié)目主持人宣布“搶答開始”，同時將控制開關(guān)撥到“開始”位置，揚聲器給出聲響提示，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器倒計時。當定時時間到，卻沒有選手搶答時，系統(tǒng)報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答。當選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，搶答器要完成以下四項工作：優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號；揚聲器發(fā)出短暫

7、聲響，提醒節(jié)目主持人注意；控制電路要對輸入編碼電路進行封鎖，避免其他選手再次進行搶答；控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余的搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當選手將問題回答完畢，主持人操作控制開關(guān)，使系統(tǒng)回復(fù)到禁止工作狀態(tài)，以便進行下一輪搶答。方案二采用單片機1、原理方框圖此電路完成的功能如圖2所示，當主持人宣布搶答開始的時候，按下開始按鈕，此時電路進入搶答狀態(tài)，選手的輸入采用了掃描式的輸入，之后把相應(yīng)的信息送往單片機，再由單片機輸出到顯示輸出電路中。此時有人第一按下相應(yīng)的搶答按鈕，經(jīng)過單片機的控制選擇，在八段顯示器上顯示相應(yīng)的號碼，并鎖存，同時禁止其他按鈕的輸入。（圖2）

8、方案三采用plc1、原理方框圖此電路的功能如圖3所示，當主持人打開啟動開關(guān)后，在設(shè)定時間to 內(nèi)，如果某組搶先按下?lián)尨鸢粹o，則驅(qū)動音效電路發(fā)出聲響，指示燈li亮，并且在8段數(shù)碼管顯示器上顯示出搶答成功的組號，此時電路實現(xiàn)互鎖，其他組再按下?lián)尨鸢粹o為無效;如果在時間to內(nèi)，無人應(yīng)答，則驅(qū)動音效電路發(fā)出聲響，指示燈l2亮，表示搶答者均放棄該題;在搶答成功后，主持人打開限時開關(guān)sw2，啟動計時器，在設(shè)定的時間ti 內(nèi)回答有效，當?shù)竭_設(shè)定時間ti時，驅(qū)動音效電路，指示燈l3亮，表示答題時間到。 （圖3）三、 方案選擇方案比較數(shù)字電路單片機plc制作難度低一般一般實現(xiàn)難度一般低低價格低一般高電路原理簡單

9、一般一般設(shè)計難度簡單高一般通過上面的方案比較，數(shù)字電路的制作方案比較容易實現(xiàn)，并且在原理方面也是比較簡單，所以我選擇采用第一種方案來完成搶答器電路。四 設(shè)計原理與參考電路 (1)圖1為數(shù)字搶答器為總體方框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，宣布開始搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態(tài)開關(guān)

10、?？傮w框圖 圖1 (2)參考電路如圖2所示。電路包括編碼器74ls148，以及s0s7八位二進制bcd碼編碼開關(guān)，4個74ls279的rs觸發(fā)器作存儲電路和74ls48譯碼器及顯示電路。該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號；二是禁止其他選手按鍵操作無效。工作過程為：開關(guān)s置于“清除”端時，rs觸發(fā)器的清零端均為0，4個觸發(fā)器輸出置0，使74ls148之處于工作狀態(tài)。當開關(guān)s置于“開始”時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當有選手將鍵按下時(如按下s5)，74ls148的輸出經(jīng)rs鎖存后，q1=1，74ls48處于工作狀態(tài)，q4q3 q2=101

11、，經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外，q1=1，使74ls148=1，處于禁止狀態(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時，74ls148由于仍為q1=1，使q1=1，所以74ls148仍處于禁止狀態(tài)，確保不會出兩次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將s開關(guān)重新置“清除”然后再進行下一輪搶答。由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時間，通過預(yù)置時間電路對計數(shù)器進行預(yù)置，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。可預(yù)置時間的電路選用十進制同步加減計數(shù)器74ls192進行設(shè)計，具體電路如圖3所示(電路包括555定時器，兩塊74ls192存儲器，兩塊74ls48顯示譯碼器)。 (3

12、)報警電路。由555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路(包括555定時器構(gòu)成的多偕振蕩器和三極管功率放大器及揚聲器組成)如圖4所示。其中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率f0=143(r1+2r2)c，其輸出信號經(jīng)三極管推動揚聲器。pr為控制信號，當pr為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。 (4)時序控制電路(包括定時信號產(chǎn)生電路與門g1、與非門g2和一個74ls18)。時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它主要完成以下三項功能： 主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進入正常搶答工作狀態(tài)； 當參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作； 當設(shè)定的搶答時

13、間到，無人搶答時，揚聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。 根據(jù)上面的功能要求以及圖4所示電路，設(shè)計的時序控制電路如圖5所示。圖5中，門g1的作用是控制時鐘信號cp的放行與禁止，門g2的作用是控制74ls148的輸人使能端。圖5的工作原理是：主持人控制開關(guān)從“清除”位置撥到“開始”位置時，來自于圖3中的74ls279的輸出q1=0，經(jīng)g2反相，a=1，則時鐘信號cp能夠加到74ls192的cpd時鐘輸入端，定時電路進行遞減計時。同時，在定時時間未到時，則“定時到信號”為1，門g2的輸出為0，使74ls148處于正常工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能的要求。當選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，q1=1，經(jīng)g

14、2反相，a=0，封鎖cp信號，定時器處于保持工作狀態(tài)；同時，門g2的輸出等于1，74ls148處于禁止工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能的要求。當定時時間到時，則“定時到信號”為0，g2=1，74ls148處于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進行搶答。同時，門g1處于關(guān)門狀態(tài)，封鎖cp信號，使定時電路保持00狀態(tài)不變，從而實現(xiàn)功能的要求。集成單穩(wěn)觸發(fā)器74ls121用于控制報警電路及發(fā)聲的時間。 (5)整機電路設(shè)計。 經(jīng)過以上各單元的設(shè)計，可以得到定時搶答器的整體電路。如圖6所示： 五 總體電路設(shè)計1.搶答器電路搶答器電路如圖所示。該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電

15、路顯示編號；二是禁止其他選手按鍵操作無效。工作過程：開關(guān)s置于“清除”端時，rs觸發(fā)器的端均為0，5個觸發(fā)器輸出置0，使74ls148的0，使之處于工作狀態(tài)。當開關(guān)s置于“開始”時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當有選手將鍵按下時（如按下s5），74ls148的輸出,經(jīng)rs鎖存后,2q=1,74ls48處于工作狀態(tài)，5q4q3q=101，且1q=0，則經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外，2q，使74ls148的，處于禁止狀態(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時，74ls148的此時由于仍有2q，使，所以74ls148仍處于禁止狀態(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人

16、將s開關(guān)重新置于“清除”然后再進行下一輪搶答。若按下s0，經(jīng)rs鎖存器后，1q=1，74ls148的輸出,經(jīng)rs鎖存后,2q=1,74ls48處于工作狀態(tài)，5q4q3q=000，且1q=1,所以經(jīng)譯碼顯示為“8”。保證搶答者的優(yōu)先性與上述類似。優(yōu)先判決器優(yōu)先判決器主要是由74ls148集成優(yōu)先編碼器等組成。該編碼器有8個信號輸入端，3個二進制碼輸出端，選通輸入端，選通輸出端和擴展端。其功能表如表2所示。從功能表中可以看出當“0”時，編碼器工作，而當“1”時，則不論8個輸入端為何種狀態(tài)，輸出端均為“1”，且端和端為“1”，編碼器處于非工作狀態(tài),這種情況被稱為輸入低電平有效。優(yōu)先編碼器74ls14

17、8功能表鎖存器sr鎖存器是該設(shè)計中保證多個開關(guān)先后觸發(fā)而不發(fā)生紊亂的重要部分。用與非門組成的sr鎖存器的特性表 q11001111010101111001101100010011譯碼器設(shè)計中選用的譯碼器型號是74ls48（共陰），其引腳排列如圖所示，其中、 bcd碼輸入端，、 譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅(qū)動共陰極led數(shù)碼管。 測燈輸入端，“0”時，譯碼輸出全為“1”，數(shù)碼管七段同時電亮，以檢查數(shù)碼管各段能否正常發(fā)光。 滅燈輸入端，“0”時，譯碼輸出全為“0”。 作為輸出端使用時，稱滅“0”輸出端，在a=b=c=d=0時，而且 =0時，才會輸出低電平，表示譯碼器把不希望顯示的零熄滅了。熄

18、零輸入端。用來熄滅不希望顯示的零。74ls48的引腳排列圖數(shù)碼顯示器led數(shù)碼管是目前最常用的數(shù)字顯示器，它分為共陰管和共陽管。在此只對共陰管作介紹，其電路和出線形式的引出腳如圖7所示。一個led數(shù)碼管可用來顯示一位09十進制數(shù)和一個小數(shù)點。小型數(shù)碼管（0.5寸和0.36寸）每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色不同略有差別，通常約為22.5v，每個發(fā)光二極管的點亮電流在510ma。led數(shù)碼管要顯示bcd碼所表示的十進制數(shù)字就需要有一個專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當?shù)尿?qū)動能力。 led數(shù)碼管 搶答電路在protel的原理圖2.定時電路由節(jié)目主

19、持人根據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時間，通過預(yù)置時間電路對計數(shù)器進行預(yù)置，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供?？深A(yù)置時間的電路選用十進制同步加減計數(shù)器74ls192進行設(shè)計。定時電路在protel的原理圖如下： 3.報警電路由555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖所示。其中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率fo143（ri2r2）c，其輸出信號經(jīng)三極管推動揚聲器。pr為控制信號，當pr為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。 4.時序控制電路時序控制電路功能： 主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進入正常搶答工作狀態(tài)。 當參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，搶答

20、電路和定時電路停止工作。 當設(shè)定的搶答時間到，無人搶答，揚聲器發(fā)聲，同時搶答器和定時電路停止工作。六 電路仿真分析 搶答電路仿真圖如下： 當j1閉合時數(shù)碼管顯示1號，滿足設(shè)計要求。七 電路pcb圖 數(shù)字搶答電路pcb圖1 定時電路pcb圖2 總電路的pcb圖3八 課程設(shè)計總結(jié) 課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。下面我對整個課程設(shè)計的過程做一下簡單的總結(jié)。 第一，接到任務(wù)以后進行選題。選題是課程設(shè)計的開端，選擇恰當?shù)?、感興趣的題目，這對于整個課程設(shè)計是否能夠順利進行關(guān)系極大。好比走路，這開始的第一步是具有決定意義的，第一步邁向何方，需要慎重考慮。否則，就可能走

21、許多彎路、費許多周折，甚至南轅北轍，難以到達目的地。因此，選；題時一定要考慮好了。 第二，題目確定后就是找資料了。查資料是做課程設(shè)計的前期準備工作，好的開端就相當于成功了一半，到圖書館、書店、資料室去雖說是比較原始的方式，但也有可取之處的?？傊还芡ㄟ^哪種方式查的資料都是有利用價值的，要一一記錄下來以備后用。 第三，通過上面的過程，已經(jīng)積累了不少資料，對所選的題目也大概有了一些了解，這一步就是在這樣一個基礎(chǔ)上，綜合已有的資料來更透徹的分析題目。 第四，有了研究方向，就應(yīng)該動手實現(xiàn)了。其實以前的三步都是為這一步作的鋪墊。通過這次設(shè)計，我對數(shù)字電路設(shè)計中的邏輯關(guān)系等有了一定的認識，對以前學(xué)的數(shù)字電路又有了一定的新認識，溫習(xí)了以前學(xué)的知識，就像人們常說的溫故而知新嘛，但在設(shè)計的過程中，遇到了很多的問題，有一些知識都已經(jīng)不太清楚了，但是通過一些資料又重新的溫習(xí)了一下數(shù)字電路部分的內(nèi)容。在這次課程設(shè)計中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。 在此要感謝我的指導(dǎo)老師，感謝老師給我這樣的機