廣工數(shù)電課程設(shè)計(jì)報(bào)告四人搶答器

..課程設(shè)計(jì)課程名稱數(shù)字電子技術(shù)題目名稱四人智力競(jìng)賽搶答器學(xué)生學(xué)院物理與光電工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)14級(jí)電子4班學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師一、設(shè)計(jì)題目：四人智力競(jìng)賽搶答器二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1.設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一臺(tái)可供4名選手參加比賽的智力競(jìng)賽搶答器。用數(shù)字顯示搶答倒計(jì)時(shí)間,由"9"倒計(jì)到"0"時(shí),無人搶答,蜂鳴器連續(xù)響1秒。選手搶答時(shí),數(shù)碼顯示選手組號(hào),同時(shí)蜂鳴器響1秒,倒計(jì)時(shí)停止。2.設(shè)計(jì)要求：<1>4名選手編號(hào)為：1,2,3,4。各有一個(gè)搶答按鈕,按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)對(duì)應(yīng),也分別為1,2,3,4。<2>給主持人設(shè)置一個(gè)控制按鈕,用來控制系統(tǒng)清零〔搶答顯示數(shù)碼管滅燈和搶答的開始。<3>搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開始后,若有選手按動(dòng)搶答按鈕,該選手編號(hào)立即鎖存,并在搶答顯示器上顯示該編號(hào),同時(shí)揚(yáng)聲器給出音響提示,封鎖輸入編碼電路,禁止其他選手搶答。搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。<4>搶答器具有定時(shí)〔9秒搶答的功能。當(dāng)主持人按下開始按鈕后,定時(shí)器開始倒計(jì)時(shí),定時(shí)顯示器顯示倒計(jì)時(shí)間,若無人搶答,倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí),揚(yáng)聲器響,音響持續(xù)1秒。參賽選手在設(shè)定時(shí)間〔9秒內(nèi)搶答有效,搶答成功,揚(yáng)聲器響,音響持續(xù)1秒,同時(shí)定時(shí)器停止倒計(jì)時(shí),搶答顯示器上顯示選手的編號(hào),定時(shí)顯示器上顯示剩余搶答時(shí)間,并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。<5>如果搶答定時(shí)已到,卻沒有選手搶答時(shí),本次搶答無效。系統(tǒng)揚(yáng)聲器報(bào)警〔音響持續(xù)1秒,并封鎖輸入編碼電路,禁止選手超時(shí)后搶答,時(shí)間顯示器顯示0。三、原理電路的設(shè)計(jì)：1．〔1電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器數(shù)碼顯示脈沖電路倒計(jì)時(shí)器譯碼器數(shù)碼顯示揚(yáng)聲器鎖存器編碼轉(zhuǎn)換電路譯碼器主持人選手方案的比較與確定及單元電路的設(shè)計(jì)：方案一：電路大致可以由四個(gè)功能模塊組成：以鎖存器為中心的編碼顯示電路部分,脈沖產(chǎn)生電路部分,倒計(jì)時(shí)顯示電路部分,音響電路部分。在鎖存器為中心的編碼顯示電路中,由鎖存器74HC373,編碼器74HC148,顯示器和門電路組成。使用74HC373作為鎖存電路,當(dāng)有人搶答時(shí),利用鎖存器的輸出信號(hào)號(hào)將時(shí)鐘脈沖置零,74HC373立即被鎖存,同時(shí)蜂鳴器鳴叫1S,此后搶答無效,使用74HC148作為編碼器,對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行編碼,輸出4位BCD碼,再將這4位的BCD碼處理并輸入到數(shù)碼管里顯示出搶答者的編號(hào)；在脈沖產(chǎn)生電路部分中,用555定時(shí)器予以實(shí)現(xiàn),通過調(diào)節(jié)電阻的阻值得到符合要求的脈沖,因?yàn)榭梢酝ㄟ^改變電阻微調(diào)頻率,取代了用分頻器對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行分頻,從而使電路更簡(jiǎn)單；在倒計(jì)時(shí)顯示電路中,由計(jì)數(shù)器CD4510和顯示器組成。利用CD4510計(jì)數(shù)器作為倒計(jì)時(shí)的芯片,當(dāng)主持人按下?lián)尨鸢粹o時(shí),CD4510被置9,開始倒計(jì)時(shí),并通過CD4511和數(shù)碼管顯示此時(shí)的時(shí)間。假如在9秒內(nèi)有人搶答,則計(jì)數(shù)器停止倒計(jì)時(shí),鎖存器鎖存,禁止選手搶答,蜂鳴器鳴叫一秒。在音響電路部分中,由555定時(shí)器和電阻電容接合成多諧振蕩器,產(chǎn)生所需要的脈沖,然后接入蜂鳴器構(gòu)成。方案二：電路大致可以由四個(gè)功能模塊組成：以鎖存器為中心的編碼顯示電路部分,脈沖產(chǎn)生電路部分,倒計(jì)時(shí)顯示電路部分,音響電路部分。在編碼鎖存電路中,可以用七段數(shù)碼管CD4511本身具有的鎖存顯示功能對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。當(dāng)CD4511的LE端被置于高電平時(shí),禁止信號(hào)輸入,并把譯碼顯示鎖存在LE端被置高電平前的狀態(tài)。編碼部分的電路,主要由一片8—3優(yōu)先編碼器CD4532構(gòu)成,當(dāng)有按鍵被按下,編碼端輸出一個(gè)BCD碼并輸入到CD4511進(jìn)行譯碼,顯示在數(shù)碼管上,在這一瞬間,由74HC151構(gòu)成的邏輯電路輸出一個(gè)高電平,用以鎖存數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)蜂鳴器,并使計(jì)時(shí)停止。鎖存后,不能再進(jìn)行編碼輸入。計(jì)時(shí)電路由定時(shí)器555和十進(jìn)制BCD碼計(jì)數(shù)器CD4510構(gòu)成,計(jì)時(shí)顯示由一片CD4511和數(shù)碼管組成。當(dāng)計(jì)數(shù)到0時(shí),產(chǎn)生一個(gè)借位信號(hào),用這個(gè)借位信號(hào)控制555停止計(jì)時(shí),同時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器,并對(duì)編碼電路進(jìn)行鎖存。在音響電路部分中,由源蜂鳴器和兩個(gè)反相器,RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成音響電路,通過調(diào)節(jié)RC的大小來控制蜂鳴器響的時(shí)間。2.整體電路以下圖2為整體電路圖,電路圖為Multisim仿真軟件的原理圖,包括所選芯片、電阻、二極管等元件的型號(hào)和參數(shù)。電路的電源為5V直流電壓,電阻的參數(shù)計(jì)算以5V電壓為標(biāo)準(zhǔn),具體參數(shù)如下圖所示：圖2整體電路圖3．單元電路設(shè)計(jì)3.1編碼電路編碼電路的主要功能是將選手按下的序號(hào)通過邏輯處理轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的BCD碼,BCD碼,通過譯碼器譯碼顯示在七段數(shù)碼管上。為了電路設(shè)計(jì)方便,選用集成的編碼芯片?？蛇x74HC148、CD4532、CD40147等編碼芯片,這里選用CD4532。CD4532可將輸入I7～I(xiàn)0的信號(hào)編碼為3位二進(jìn)制碼,即8421BCD碼。8個(gè)輸入端I7～I(xiàn)0具有指定優(yōu)先權(quán),I7為最高優(yōu)先權(quán),I0為最低。當(dāng)片選輸入ST為低電平時(shí),優(yōu)先譯碼器無效。當(dāng)ST為高電平,優(yōu)先輸入的信號(hào)被編碼為8421BCD碼,呈現(xiàn)于輸出線Y2～Y0。組選線YGS為高電平,表明輸入存在,當(dāng)無輸入時(shí),Ys輸出為高電平。電路處于工作狀態(tài)時(shí),當(dāng)選手按下?lián)尨鸢存I,編碼器CD4532對(duì)應(yīng)的輸入端被置為高電平,輸出端輸出相應(yīng)的BCD碼,送給下一步的電路。電路如圖所示：3.2鎖存和顯示電路在方案三的電路中,沒有用到專門的鎖存器,這是因?yàn)樽g碼驅(qū)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)芯片CD4511本身具備鎖存功能,因此可以不必外加鎖存器,從而簡(jiǎn)化了電路。CD4511是一片7段譯碼器,并具備鎖存和驅(qū)動(dòng)能力,用于驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管顯示器。具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能,能提供較大的拉電流,可直接驅(qū)動(dòng)共陰數(shù)碼管。其中a,b,c,d為BCD碼輸入,a為最低位。LT為燈測(cè)試端,加高電平時(shí),顯示器正常顯示,加低電平時(shí),顯示器一直顯示數(shù)碼"8",各筆段都被點(diǎn)亮,以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端,低電平時(shí)使所有筆段均消隱,正常顯示時(shí),B1端應(yīng)加高電平。LE是鎖存控制端,高電平時(shí)鎖存,低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)保持在LE被置高電平的狀態(tài)。a～g是7段輸出,可驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。圖3為芯片CD4511的引腳圖.電路工作時(shí),當(dāng)有搶答按鍵未被按下且計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)不到0時(shí),組合邏輯電路74HC151輸出一低電平至LE引腳,LE為低電平,數(shù)據(jù)不鎖存；當(dāng)有搶答按鍵被按下時(shí),邏輯電路74HC151輸出高電平,LE引腳被置為高電平,數(shù)據(jù)處于鎖存狀態(tài),輸入無效,直到數(shù)據(jù)被清零。圖3.1圖3.274HC151是一個(gè)八選一數(shù)據(jù)選擇器,它有八個(gè)數(shù)據(jù)輸入端D0～D7,一個(gè)選通端S,三個(gè)數(shù)據(jù)選擇端A,B,C和兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出端W,Y。當(dāng)選通端S為1時(shí),八個(gè)選通端都被截止。當(dāng)S為0時(shí),該芯片從八個(gè)輸入端中選擇一個(gè)輸出。此時(shí),三個(gè)數(shù)據(jù)選擇端A,B,C可以從000到111之間變換,選擇不同的通道輸出,輸出端Y為同向輸出,輸出端W為反向輸出。七段數(shù)碼管顯示0時(shí),其段的導(dǎo)通狀態(tài)如下表,其中1為導(dǎo)通,0為截止。段abcdefg導(dǎo)通狀態(tài)1111110數(shù)據(jù)選擇器的選擇端A,B,C分別接數(shù)碼管的d,e,f段,選通端S接g段,數(shù)據(jù)輸入端D0～D6接低電平,D7接高電平。當(dāng)數(shù)碼管顯示0時(shí),A,B,C為高電平,即111,選擇D7位的數(shù)據(jù),輸出端Y為高電平?？梢栽O(shè)計(jì)讓數(shù)碼管顯示其他數(shù)字時(shí),輸出端Y均輸出低電平。輸出端W的相位與Y相反,數(shù)碼管顯示0時(shí),W輸出低電平,數(shù)碼管顯示其他數(shù)字時(shí),W輸出高電平。輸出端W的信號(hào)可作為鎖存數(shù)據(jù)的信號(hào)。3.3脈沖發(fā)生電路為了計(jì)數(shù)器能正常計(jì)數(shù),需要得到頻率為1Hz的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入。這里選用555定時(shí)器,以555定時(shí)器為核心構(gòu)成的多諧振蕩器能產(chǎn)生方波脈沖,通過調(diào)節(jié)外接的電子電容即可得到頻率為1Hz的時(shí)鐘信號(hào)。多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài),只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后,經(jīng)過一段時(shí)間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列矩形波。如圖3.3〔1和3.3〔2,接通電源后,假定輸出Vo是高電平,則V截止,電容C充電。充電回路是VCC→R1→R2→C→GND,按指數(shù)規(guī)律上升,當(dāng)上升到2Vcc/3時(shí),輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。Vo輸出低電平,V導(dǎo)通,C放電,放電回路為C→R2→V→GND,按指數(shù)規(guī)律下降,當(dāng)下降到Vcc/3時(shí),輸出翻轉(zhuǎn)為高電平,晶體管V截止,電容再次充電。如此周而復(fù)始,產(chǎn)生振蕩。經(jīng)分析可得：輸出高電平時(shí)間輸出低電平時(shí)間振蕩周期圖3.3〔1圖3.3〔23.4倒計(jì)時(shí)電路在搶答開始后,倒計(jì)時(shí)電路從9開始,計(jì)數(shù)到0時(shí)停止,共9秒時(shí)間。用一個(gè)十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器就能實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能。CD4510為可預(yù)置BCD可逆計(jì)數(shù)器,該器件主要由四位具有同步時(shí)鐘的D型觸發(fā)器構(gòu)成。具有可預(yù)置數(shù)、加/減計(jì)數(shù)器和多片級(jí)聯(lián)使用等功能。CD4510具有復(fù)位CR,置數(shù)控制LD、并行數(shù)據(jù)輸入P1～P4、并行數(shù)據(jù)輸出Q1～Q4、加減控制U/D、時(shí)鐘CP,計(jì)數(shù)控制CI和進(jìn)位/借位輸出CO等引腳。CR為高電平時(shí),計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)LD為高電平時(shí),D0～D3上的數(shù)據(jù)置入計(jì)數(shù)器中,CI控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)操作,CI為低電平時(shí),允許計(jì)數(shù)。此時(shí),若U/D為高電平,在CP時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)器加1計(jì)數(shù)；反之,在CP時(shí)鐘上升沿減1計(jì)數(shù)。在電路中,只需要減法計(jì)數(shù)功能,因此U/D、PE、CI和P1～P4引腳全部接低電平。計(jì)數(shù)時(shí),在時(shí)鐘脈沖的作用下,計(jì)數(shù)器做減法計(jì)數(shù),到達(dá)0時(shí),CO腳輸出借位信號(hào)?？捎么私栉恍盘?hào)控制時(shí)鐘電路,讓其停止產(chǎn)生脈沖,從而使電路計(jì)數(shù)到0時(shí)停止計(jì)時(shí)并鎖存數(shù)據(jù)。圖3.4〔1圖3.4〔23.5音響電路電路中使用有源蜂鳴器,即只要輸入高電平,蜂鳴器就能發(fā)出響聲,不需要外加振蕩電路。因此,電路可以簡(jiǎn)單一些。如圖所示,兩個(gè)反相器輸入端的阻抗很大,因此幾乎沒有電流流進(jìn)。由于電容兩端的電壓不能突變,當(dāng)輸入端跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí),第一個(gè)反相器U1A的輸入端也將變?yōu)楦唠娖?第二個(gè)反相器U1B的輸出端也隨之變?yōu)楦唠娖?從而使晶體管Q1導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。在此期間,電容通過電阻R1放電,當(dāng)電壓下降到第一個(gè)反相器的下閾值電壓后,反相器U1B輸出低電平,晶體管Q1截止,從而使蜂鳴器關(guān)閉。如圖3.5：圖3.54.說明電路工作原理電路正常工作時(shí)包括3個(gè)狀態(tài)：〔1無人搶答后的鎖存狀態(tài)；〔2計(jì)時(shí)搶答狀態(tài)；〔3有人搶答后的鎖存狀態(tài)。3個(gè)狀態(tài)中,〔1和〔3處于鎖存狀態(tài),選手無法進(jìn)行搶答,即編碼無效且計(jì)時(shí)停止；狀態(tài)〔2中,編碼電路輸入有效,且計(jì)時(shí)正常進(jìn)行,當(dāng)有選手搶答時(shí),進(jìn)入狀態(tài)〔3,若計(jì)時(shí)到0時(shí)無人搶答進(jìn)入狀態(tài)〔1?！?無人搶答后的鎖存狀態(tài)搶答開始后,無人搶答且計(jì)數(shù)器CD4510計(jì)數(shù)到0時(shí),計(jì)數(shù)器輸出借位信號(hào),用此借位信號(hào)讓蜂鳴器響1秒、讓編碼電路和脈沖發(fā)生電路鎖存,即編碼輸入無效,數(shù)碼管1顯示0,時(shí)鐘電路停止,數(shù)碼管2顯示0。當(dāng)主持人將數(shù)據(jù)清零后,按下開始按鍵,蜂鳴器響1秒,電路進(jìn)入狀態(tài)〔2,計(jì)時(shí)搶答開始?！?計(jì)時(shí)搶答狀態(tài)主持人按下開始按鍵后,蜂鳴器響1秒,計(jì)數(shù)器從9開始進(jìn)行倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù),直到有人搶答或者計(jì)數(shù)到0。在計(jì)數(shù)期間,若有人按下?lián)尨鸢存I,編碼電路將其序號(hào)進(jìn)行編碼并通過譯碼驅(qū)動(dòng)電路顯示在數(shù)碼管上,同時(shí)經(jīng)過組合邏輯電路74HC151輸出一個(gè)高電平,讓時(shí)鐘停止并且數(shù)據(jù)鎖存,蜂鳴器響1秒,進(jìn)入狀態(tài)〔3；若無人搶答,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時(shí),通過借位信號(hào)讓時(shí)鐘停止并且數(shù)據(jù)鎖存,蜂鳴器響1秒,進(jìn)入狀態(tài)〔1。當(dāng)主持人將數(shù)據(jù)清零后,按下開始按鍵,蜂鳴器響1秒,電路進(jìn)入狀態(tài)〔2,計(jì)時(shí)搶答開始。〔3有人搶答后的鎖存狀態(tài)在計(jì)數(shù)期間,若有人按下?lián)尨鸢存I,編碼電路將其序號(hào)進(jìn)行編碼并通過譯碼驅(qū)動(dòng)電路顯示在數(shù)碼管上,同時(shí)經(jīng)過邏輯電路74HC152輸出一個(gè)高電平,讓時(shí)鐘停止并且數(shù)據(jù)鎖存,蜂鳴器響1秒。5.元件選擇表2元件型號(hào)及說明元件型號(hào)功能說明封裝數(shù)量編碼器CD4532對(duì)選手的序號(hào)進(jìn)行編碼；并輸出8421BCD碼DIP161BCD譯碼器/數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器CD4511驅(qū)動(dòng)七段共陰數(shù)碼管,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存DIP162數(shù)據(jù)選擇器74HC151構(gòu)成組合邏輯電路DIP161反相器CD40106將電平反相DIP141十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4510進(jìn)行倒計(jì)時(shí)10秒計(jì)數(shù)DIP161555定時(shí)器NE555產(chǎn)生頻率為1Hz的方波信號(hào),作為時(shí)鐘信號(hào)DIP81電阻在電路中起分壓和限流的作用AXIAL-0.3若干電容構(gòu)成震蕩電路和積分電路RAD-0.1若干電位器3296W調(diào)節(jié)時(shí)鐘脈沖的寬度POT1二極管1N4148在電路中起單向?qū)щ姷淖饔肈O-356共陰七段數(shù)碼管5161AS顯示選手序號(hào)和時(shí)間直插式2按鍵開關(guān)選手搶答時(shí)和主持人清零時(shí)使用SPST-26常開常閉開關(guān)主持人開始鍵1有源蜂鳴器在數(shù)據(jù)鎖存和計(jì)時(shí)開始時(shí)進(jìn)行聲音提示直插式1四、電路和程序調(diào)試過程與結(jié)果這次課程設(shè)計(jì),我開始是才用pcb進(jìn)行設(shè)計(jì),電路板焊好后,第一次接上電源,發(fā)現(xiàn)電路不能正常工作,最后檢查了是做板時(shí)不太好,線路斷了。經(jīng)過深思后,我決定用萬用板進(jìn)行焊接,在經(jīng)過幾天的焊接后,在接上電源后,電路能夠接通,但在調(diào)試功能時(shí),發(fā)現(xiàn)未能全部實(shí)現(xiàn),我嘗試的檢查是否電路哪里接錯(cuò)了,或者是哪里漏接、是芯片的原因還是焊接的原因,在經(jīng)過排查后,終于實(shí)現(xiàn)了搶答器的功能,其實(shí)物圖如下：電路板未接電源時(shí)實(shí)物圖正面背面〔2無人搶答后的鎖存狀態(tài)〔3計(jì)時(shí)搶答狀態(tài)〔4有人搶答后的鎖存狀態(tài)五、總結(jié)〔1電路的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電路原理簡(jiǎn)單基本滿足整體設(shè)計(jì)的要求,功能相當(dāng)完善。電路比較簡(jiǎn)單,成本低,排版簡(jiǎn)潔整齊。不足：沒有設(shè)計(jì)完整的保護(hù)電路,抗干擾性稍差。在整個(gè)電路的制作與調(diào)試過程中出現(xiàn),