最新八路数字抢答器课程设计(共12页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上八路数字抢答器一、主要技术指标： 1 设计任务： 设置八个抢答按钮，另设一个主持人按钮用来清零。主持人清零后，首先抢答人的号码显示出来并保持到主持人再次清零。 2 设计要求：l 设置定时抢答，超出规定时间为无效抢答，发出声光指示。l 设置违规，即主持人清零前入抢答违规有声光显示。l 电路应具备自锁功能，一旦有人事先抢答，其他开关不起作用。二、方案论证及选择： 用锁存器74LS373来采集信息，再通过编码器74LS148进行编码，由CD4511来对编 码信号进行译码来驱动数码显示，由74LS76来控制清零，并同74LS148共同产生锁存信号来控制74LS373实现对按键信息的锁存。三、 系统组成框图： 四、单元电路设计及说明：整个电路主要包括键盘输入电路、锁存控制抢答电路、数码显示电路、定时电路、音频产生电路、声光指示电路六部分组成。1、 键盘输入电路的设计在键盘输入电路中，将八个按键接到74LS73的八个输入端，由74LS73实现对按键信息的采集。如图1.02所示在没有按键按下时，各输入端均为高电平， 图1.02 键盘输入电路在任意一个按键按下时相应的就输入了一个低电平，74LS73对采集到的信号进行锁存处理。74LS373是带三态输出的八位锁存器，当三态端为有效低电平使能端LE为有效高电平时输出跟随输入变化，当LE由高变低时，输出端八位信息被锁存，直到LE再次有效。其内部结构及真值表分别如图1.03图1.04所示 。 图5-2 74LS373真值表2 锁存控制抢答电路的设计 当有一个按键事先按下时，我们必须还要考虑到防止其他按键与之产生冲突，因此在有按键事先按下的情况下必须使得其他的按键无效。同时还要保证在重新下一轮抢答时能够将显示器清零 基于此种设想我们采用如图1.05所示电路来实现。 当按下SA键时，74LS76为基本RS触发器，因此15端输出为高电平，此时给74LS373的LE一个有效脉冲使得74LS373的输出跟随输信号变化，此时若无按键按下，则输出全为高电平，八个高电平全部送入74LS148的输入端，此时74LS148的输出端C B A、 GS、 EO分别为1 1 1 1 0，C B A三端的信号分别接入数码显示电路中用于驱动数码管的CD4511的C B A三端，而将74LS373中Q0端的信号取反后接到CD4511的D端，译码器4脚接74LS148的EO端输出的低电平因此不能工作，在显示器中不会显示任何数字。从而达到清零作用。 而在按下SA后，如果有抢答按键按下，锁存器74LS373将采集到的按键信息发送至编码器74LS148, 74LS148对该信号进行编码并在GS端产生低电平传至触发器74LS76的触发时钟信号输入端，该引脚用来控制触发器74LS76中的J K触发器的工作，当为有效电平时，J K触发器才能工作，而此时按键SA 端的电容C1已充电至高电位，即触发器74LS76的2端和8端均为高电平，74LS76转为带低电平有效的边沿J K触发器，当GS给其加一低电平脉冲时，J K触发器开始工作将15脚的Q端直为低电平从而锁住了锁存器74LS373的输出端信号，无论哪一按键再按下，74LS373输出端的信号不再改变，从而实现了一旦有人事先抢答，其他开关不起作用这一功能。 图5-3 锁存控制抢答电路74LS148是8线-3线优先编码器，该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态GS.当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电平有效的情况。当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0，表明编码器处于工作状态，否则为1。由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平时，A2 A1 A0均为1 1 1，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的在状态加以区别，当GS=1时，表示8个输入端均无电平输入，此时A2 A1 A0=1 1 1位非编码输出；GS=0时，A2 A1 A0=1 1 1表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0。74LS148的管脚图、真值表、内部结构分别如图1.06、1.07、1.08所示。 在整个电路中，74LS148不只起到编码作用，还连同74LS76一起给74LS373提供锁存信号，同时还在声光控制电路中负责提供控制信号。下面是对抢答按键信息显示方面所作的分析：假设图中8号按键按下，74LS373的3脚输入为低电平，4、7、8、13、14、17、18输入均为高电平，因为747LS373的2端跟74LS148的4端相连，所以74LS148的7端接到的信号为低电平，从而74LS148的INPUT7为有效低电平，这样经过74LS148优先编码，这样其输出A2 A1 A0分别为0 0 0，但是从74LS373的2脚引出的信号通过74LS00后接到了CD4511的D输入端，这样CD4511接收的信号为1000，从其真值表看出此时输出为，所以在数码管上将显示数字8。以此方法分析下去不难得出其他按键的显示方式。 图5-4 148管脚图 表5-1 74LS148真值表 图5-5 74LS7674LS76是带预置端和清除端的双JK触发器，其管脚图、内部结构图及真值表分别如图（1.09、1.10.、1.11）所示。图1.09 74LS76的管脚图图1.10 74LS76的内部结构图图1.11 74LS76真值表图5-6 图5-7 数码显示电路在电路中，74LS76通过采集74LS148 GS端的信号给74LS373提供锁存信号，并通过定时电路的信号为声光控制电路提供控制信号。3 数码显示电路的设计数码显示电路我们采用七段译码器CD4511来驱动数码管，电路如图1.12所示CD4511是七段数码译码器，在电路中，CD4511将74LS148输出的信号进行译码后驱动数码管的显示，其管脚图及真值表分别如图5-8、5-9所示。图中电阻的作用是用来限流，数码管采用共阴七段数字显示器。 图5-8 CD4511管脚图 4 定时电路的设计设计定时电路的目的是让选手们在规定时间内进行抢答，即只允许在这段规定时间内进行抢答，否则视为犯规。定时要持续一段时间后自己恢复。 基于以上分析，我们采用了由NE555定时器构成的单稳态触发器，NE555是为我们非常熟悉也经常使用的一种定时器，在这部分电路中，我们采用NE555构成了单稳态触发器，单稳态触发器有如下三个特点：1. 电路有一个稳态，一个暂稳态。2. 在外来触发信号作用下，电路有稳态翻转到暂稳态。（3） 暂稳态是一个不能长久保持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间取决于RC电路的参数值。如上所述，暂稳态电路的这些特点正好符合我们所要设计的定时单元电路的要求。如图1.15所示。 图5-9定时电路该电路是由NE555构成可调暂态时间的单稳态触发器，电源接通瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源通过电阻R和电位器RP向电容C充电，当，当Vc上升到2/3Vcc时，555内部触发器复位，Vo为低电平，放电BJT导通，电容放电，电路进入稳定状态。如触发器输入端（2脚）施加触发信号（Vi<1/3Vcc），初发期发生翻转，电路进入暂稳态，Vo输出高电平，且BJT截止。此后电容C充电至Vc=2/3Vcc时，电路又发生翻转，Vo为低电平，T导通，电容C放电，电路恢复至稳定状态。如果忽略T的饱和压降，则Vc从零电平上升到2/3Vcc的时间，即为输出电压Vo的脉宽tw。 tw=（R+RP）C31.1(R+RP)C这种电路产生的脉冲宽度可从几个微秒到数分钟，精度可达0.1%。关于555定时器，其内部结构如图1.16所示，它由3个阻值为5K的电阻组成的反压器，两个电压比较器，基本RS触发器，放电BJT以及 缓冲器组成。定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制RS触发器和放电BJT的状态，RESET为复位输入端，当为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出VO为电平，因此在正常工作时，应将其接高电平。由图1.16可知，当5脚悬空时，比较器的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。当V6>2/3Vcc，V2>1/3Vcc时，基本RS触发器被置0，放电三极管导通，输出端Vo为低电平。当V6<2/3Vcc, V2<1/3Vcc时，基本RS触发器被置1，放电三极管截止输出端Vo为高电平。当V6<2/3Vcc, V2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1,S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。综合上述分析，可得555定时器功能表如图1.17所示。图1.18为555定时器管脚图。图1.19给出了555构成的单稳态触发器电路及工作波形。图5-10 555定时器功能表图5-11 555定时器管脚图图5-12 555构成的单稳态触发电路及工作波形5 音频产生电路的设计 本单元用于产生音频信号驱动蜂鸣器工作，要使蜂鸣器工作必须给其输入脉冲信号，因此，在该单元中我们同样采用了555定时器来产生方波脉冲，考虑到对脉冲信号能够做到有效的控制，我们采用由555构成的多谐振荡器。uC0tVCC /32VCC /3 图1.20是由555定时器构成的多谐振荡器。 0tuo输出波形图5-13 由555定时器构成的多谐振荡器设电容C 原先未充电, 故 TH = TR < VCC /3 , 此时 uo = 1 , 555内的晶体管 T 截止 , 电源通过 R1 和 R2 对电容 C 充电。在 uC 没有充电到 2VCC /3 之前, uo 保持 1 不变。一旦 uC 充至稳态值 , 即 TH = TR > 2VCC /3 , 立即 uo = 0 , 同时555内的管 T 导通,电容 C 经 R2 7# T1# 放电, 一直至VCC /3 , 使得uo 回到 1 , 进入循环 . 输出方波的周期 T的计算:T = T1 + T2 = 0.7 ( R1 + 2R2 ) C图5-14是我们在电路中用到的由555定时器构成的音频产生电路。图5-14 音频产生电路该电路中555定时器的4脚接到指示控制电路中，由指示控制电路来控制音频信号的产生及消失。即当4脚来的是高电平时，该电路才能正常工作并产生音频信号驱动蜂鸣器，当4脚来的是低电平时，555定时器处于复位状态，输出为低电平，蜂鸣器不工作。6 声光指示电路的设计声光指示单元用于指示抢答的信息，能够指示出抢答是否有效，图1.22是声光指示单元的电路。各单元的指示信号送给双与非门74LS00及双输入或门74LS32，它将信号进行不同的组合处理分别送给发光二极管或音频产生电路来向主持人做出相应的信号指示。图中，DS1为无效抢答指示灯，DS2为有效抢答指示灯。在这里我们给出了74LS00及74LS32 的管脚图，如图5-15所示。图5-15 声光指示电路以上就是多个单元电路的详细分析，下面将各单元联系起来做一次全面地分析。电路功能规定，当SA按下后为清零状态，此时不允许抢答，只有当SB按下后且在规定的时间内抢答才视为有效抢答。分析如下。首先接通电源，在主持人按下SA键后，此时74LS76的2脚及8脚均为低电平，而3和7始终为高电平，所以由74LS00功能表知将被预置为RS触发器，则输出端15脚为高电平，该路送到74LS373的LE端，使得74LS373能够正常工作，此时要是没有抢答键按下，则会实现如前面所述的清零功能，若此时有抢答键按下，则会在显示器上显示出相应的号码，但此种情况视为违规抢答，要发出违规信号，因为在此时有按键按下后，74LS148将会对信号进行编码，则它的EO端将输出高电平送至74LS00的9脚，而该与非门另一输入端接到定时器输出端此时为低电平，所以在74LS00的11脚输出为低电平，此时有效指示灯DS2不会点亮，相反地，74LS148的GS将输出低电平，由于电容C1的作用此时74LS76的2和8脚皆上升为高电平被预置为边沿JK触发器，由于按键SB为按下所以定时电路输出低电平，将在9脚和12脚分别产生高、低电平，随着GS低电平信号的到来，11脚将输出高电平，这时DS1将被点亮指示为无效抢答，同时74LS32输出高电平使得音频电路产生脉冲信号驱动扬声器工作。在按下SA键后，接着再按下SB键，此时开始定时，定时时间由定时电路设定，此时定时电路将输出一高电平。74LS76的9和12脚将分别为低、高电平。在有抢答按键按下后。74LS76的11脚输出低电平。而747LS00的11脚输出为高电平，此时DS1位被点亮，DS2被点亮同时蜂鸣器发出声音。指示为抢答有效。五、总电路图根据以上分析，我们设计了如图5-16所示的电路。图5-16 八路数字抢答器六、元件清单表5- 1 元件清单序号名称及型号规格数量备注1锁存器74LS3731U2编码器74LS1481U3或门74LS321U4与非门74LS001U5触发器74LS761U6定时器5552U7译码器CD45111U8共阴数码管七段显示1LED9蜂鸣器5V1LS10NPN三极管90131Q11发光二极管红色1DS112发光二极管绿色1DS213电阻1K9RES14电阻5107RES15电阻3002RES16电阻5.1K2RES17电阻100K2RES18电阻24K1RES19高精密电位器100K1RP20瓷片电容0.033uF2CAP21瓷片电容0.01uF2CAP22电解电容220uF1CAP23轻触按键10S七、 调试过程与测试结果图5-17 总体电路图在接好电路之后，我们通过检查确定无短路现象后，对电路进行了通电调试，刚开始发现蜂鸣器没有声音，我们经过检查发现有音频产生电路中定时器555的8脚漏接电源，另外发现其他几处连接点发生断路现象，均做出了及时地改正。经过反复耐心的调试，我们终于将电路的所有功能都实现了，所得结果与分析的完全吻合。充分证明了该方案的正确性和可靠性。所得结论如下：1 能够准确显示首先抢答按键的信息并及时对其它按键信息进行及时的锁存。2 对正常情况下的抢答能够及时做出相应的声光指示，并能够对违规抢答的情况做出报警指示。3 整个电路运行非常稳定，各组成单元能够很好的相互协调共同实现电路功能。4 能够根据需要随意调节定时抢答的时间。专心-专注-专业