数字八路抢答器课程教学设计报告.doc

.- 梧 州 学 院 课程设计论文 （2013-2014学年下学期） 课程名称 数字电路 论文题目 八路数字智力抢答器 系 别 信息与电子工程学院 专 业 电子信息工程 班 级 电本一班 学 号 000000000000 学生姓名 聪明的小强 指导教师 xxx 完成时间 2015 年 7 月  题号 一、实物 二、课程设计论文 总分 满分 50 30 20 20 60 20 100 评分依据 电路 设计 电路的调试及工作情况 回答 问题 论文规范性 设计原理简述及原理图 测试结果及分析 得分 总分=实物*50%+课程设计报告书*50%。 摘 要 抢答器作为一种工具，已经广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。本设计以八路智力竞赛抢答器为基本概念，从实际应用出发, 用数字、模拟电子器件设计具有扩充功能的抢答器。该设计数字抢答器就是利用数字电子技术实现的。主要为了实现抢答、定时、显示、报警功能。其电路由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路 。当有选手按下按钮时，优先锁存，其他选手在按时无响应，直到主持人按下清零按钮之后，才能开始下一轮的抢答。比较实用。 该数字抢答器可以广泛应用于各种竞赛，确保竞赛的准确，公平。该数字抢答器虽然可以用单片机程序来完成，但繁琐和代价高。而用集成电路设计制作抢答器：方便，价格便宜，还易于扩展。 关键字：编码，译码，555定时器，抢答器 目录 第一章 引言 1 1.1 设计要求 1 1.2 系统概述 1 第二章 设计方案分析与论证 3 2.1 设计方案分析 3 2.2 方案的论证与选择 3 第三章 单元电路设计 5 3.1 抢答电路设计 5 3.2 定时电路设计 7 3.1 时序控制电路设计 ...13 第四章 智能抢答器实物制作 15 4.1 原理图设计和PCB设计 15 4.2 实物焊接及调试 16 4.2 实物展示 17 第五章 测试结果分析与设计体会 20 5.1 测试结果与分析 20 5.2 设计体会与实验总结 20 参考文献 21 附录 元器件清单 22 第一章 引言 1.1 设计要求 （1）基本要求 1．设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，其编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个按钮，按钮的编号分别与选手的编号相对应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7来表示。 2．给节目主持人设置一个控制开关S，用来控制系统的清零（编号显示数码管的灯灭）和抢答的开始。 3．抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示相应编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。 （2）扩展功能 1．抢答器具有定时抢答的功能，一次抢答的时间可以由主持人设定（设为15s）。当节目支持人按下“开始”键后，要求定时器立即减计时，并在显示器上显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响时间持续0.5s左右。 2．参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清零为止。 6．如果定时时间已到，无人抢答，则本次抢答无效，则本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，并禁止选手超时抢答，时间显示器上显示00。 1.2 系统概述 抢答器的组成框图如下： 如设计框图所示，由主体电路和扩展电路两部分。其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。 抢答的过程是：接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，编号显示器灯灭，定时显示器显示设定的时间（30s），当主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关置于 “开始”位置，扬声器发出声响提示，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。档定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警并封锁输入电路，禁止选手欧超时抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要求完成以下四项工作： （1）优先编码电路立即分辨抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编码。 （2）扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意。 （3） 控制电路要求对输入编码进行封锁，避免其他选手再次进行抢答： （4）控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。 当选手将问题回答完毕后，主持人操作控制开关，将系统回复到禁止状态，以便进行下一轮的抢答。 第二章 设计方案分析与论证 2.1设计方案分析 方案一： 原理：当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS48的选通输入端ST=0，74LS48处于工作状态，此时锁存电路不工作。 方案二： 原理：当主持人开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7~I0输入信号；当有选手将按键按下时（即按下S5），74LS148输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1,BI=0, 74LS1 48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经74LS48译码后，显示器显示“5”。此外，CTR=1。使74LS148的ST端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其他按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX为高电平，但由于CTR维持高点平不便，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性以及强抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后。由主持人控制开关S,使抢答电路复位。以便进行下一轮的抢答。 2.2方案论证与选择 方案一中，主要多了一个基本RS触发器，以及相对的74LS148引脚与74LS279之间连线的相应改变，这又涉及到之后的提高方案中的连线的改变。它有自身的优点，即基本RS触发器又相当一锁存器（74LS279），它可以对主持人的指令进行进一步的锁存，这样就可以增强它的抗干扰能力，但其线路过于复杂，另外此次实验所用的电路板对电路设计的大小要求很高，而且在布局和焊接上要越精练越好，所以它不是首选方案。而由于方案二已能满足基本设计和提高设计的要求，而且它的原理更简单易懂，直观明了，元件更少，连线更方便，焊接更可靠，且比较容易实现，所以最终选用了方案二。 第三章 单元电路设计 3.1抢答电路设计 抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。选用优先编码74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能。 抢答电路设计所需芯片引脚图： 74LS148的功能表： 图3-1抢答部分原理图 此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应数码显示。 工作过程：当主持人控制开关处于“清零”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q～1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，既抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，此时74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号仍不会被接受。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。 RS触发器功能： 1. 保持状态。当输入端接入==1的电平时，如果基本SR触发器现态=1、=0，则触发器次态=1、=0；若基本SR触发器的现态=0、=1，则触发器次态=0、=1。即==1时，触发器保持原状态不变。 2. 置0状态。当=1，=0时，如果基本SR触发器现态为=1、=0，因=0，会使=1，而=1与=1共同作用使端翻转为0；如果基本SR触发器现态为=0、=1，同理会使=0，=1。只要输入信号=1，=0，无论基本SR触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为0态。 3. 置1状态。当=0、=1时，如果触发器现态为=0、=1，因=0，会使G1的输出端次态翻转为1，而=1和=1共同使G2的输出端=0；同理当=1、=0，也会使触发器的次态输出为=1、=0；只要=0、=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置1。 4. 不定状态。当==0时，无论触发器的原状态如何，均会使=1，=1。当脉冲去掉后，和同时恢复高电平后，触发器的新状态要看G1 和G2两个门翻转速度快慢，所以称==0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。基本RS触发器的逻辑图、逻辑符号和波形图如图1-7所示。 （a）逻辑图 (b) 逻辑符号 (c) 波形图 & & Q Q G1 G2 R S S R R S Q Q R S Q 置0 置1 保持 图 3-2 基本SR触发器 3.2定时电路设计 该部分主要由555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48 译码电路和 2 个 7 段数码管即相关电路组成。完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，开始进行倒计时，到0s时倒计时指示灯亮。当有人抢答时，计时停止。两块74LS192 实现减法计数，通过译码电路 74LS48 显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74LS192 的预置数控制端实现预置数30s，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时， 输出低电平到时序控制电路，同时以后选手抢答无效。 3.2.1 74LS192主要功能介绍： 74LS192的CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。TCU为进位输出，TCD为借位输出。其真值表和引脚图如下： 74LS192功能表： 图3-3 74LS192引脚图 3.3 报警电路设计 3.3.1由555定时电路和三极管构成的报警电路如图所示。其中555定时电路构成多谐震荡器。 其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之停振。 555功能介绍： 图3-4 74LS192引脚图 用555定时器可以组成单稳态触发器和多谐振荡电路，如图3-7和3-8所示. 图3-6 单稳态触发器电路图 由555组成的单稳态触发器的电路图。将555定时器的6号脚和7号脚接在一起，并添加一个电容和一个电阻，就可以构成单稳态触发器。电容接在电源与6号脚之间，电阻接在7号脚和地之间。这个单稳态触发器是负脉冲触发的。稳态时，这个单稳态触发器输出低电平。暂稳态时，这个触发器输出高电平。5号脚悬空时，输出脉冲宽度为。5号脚接控制电压时，输出脉冲宽度公式为：。 在这里,单稳触发器主要是用于控制喇叭声响的时长,这就要通过控制触发器的输出脉宽来实现.设计要求喇叭声响时长为1秒.经计算得到在单稳触发器中的各参数如下: C=0.01微法 Rp=91M欧 图3-8 报警电路原理图 由图中可以看到,接上电源后,当信号输入为高电平时，第一个555连接成的单稳态触发器的输出为低电平，处于稳定状态，这时，右边的多谐振荡器的复位输入为低电平，所以其输出也为低电平，扬声器不发音。当信号输入为低电平时，单稳态触发器被触发，处于暂稳态，此时其输出为高电平，输入到多谐振荡器的复位端，多谐振荡工作，输出为频率为1.2KHz的脉冲波形。这样扬声器就会以1.2KHz的频率发出间歇式声响。 图3-9 定时部分原理图 3.3时序控制电路设计 时序控制电路是抢答器的关键，它要完成以下三项功能： （1） 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常的抢答工作状态。 （2） 当参赛对手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。 （3） 当设定抢答时间到时，无人抢答，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。 根据上面的功能要求及，设计的时序控制电路如图所示： （a） （b） （a）抢答与定时电路的时序控制电路 （b）报警电路 图（a）的工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，74LS279的输出CTR=0，经G3反相，A=1，则从555定时输出端的时钟信号CP能够加到74LS192的CP0时钟输入端，定时电路进行递减时，同时，在定时时间未到时，定时到信号定时时间的内按动抢答键时，CTR=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号 ，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，们G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00不变，从而实现功能3的要求。 第四章 智能抢答器实物制作 4.1原理图设计及PCB设计 本次课程设计的电路设计部分都是在Altium Designer 10.0设计。抢答器总的原理图和抢答部分PCB图设计如下： 图4-1 抢答器总的原理图 图4-2 抢答器双层板PCB图 4.2实物的转印 利用打印机把已经画好的PCB图分层打印在转印纸上，把转印纸与双面同铜板对齐放进转印机中调整好温度进行转印。 4.3实物的腐蚀 利用浓盐酸与双氧水腐蚀铜板，腐蚀过程应注意浓盐酸与双氧水的比例，腐蚀过程应轻轻摇晃，让铜板充分腐蚀。 4.2.1实物焊接 通过实验原理图进行实物焊接，各个芯片的引脚功能不能混淆，内部结构以及使用时的注意事项，地线与+5V应分清，个别芯片未用到的管脚不应悬空。同时在电路板上要预先确定电源的正负端，便于区分及焊接。正确焊接各芯片个管脚连接必须查阅各种资料并记录，以确保在焊接过程和调试过程中芯片不被烧坏，同时确保整个电路的正确性。焊接过程中不应把芯片插到芯片槽中，防止温度过高烧坏芯片。焊接完电路后应用万用表逐个检查每条线的连接情况，看是否出现虚焊与短接的情况，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路。 4.2.2实物调试和检查遇到问题解决过程 （1） 无论怎样检查调试数码管无反应 在完成电路的焊接进入调试阶段时发现抢答器数码管无任何显示，检查电路的连接未发现任何问题，初步断定芯片已经损坏，上网查阅有关芯片的资料，利用数字电路实验箱检查验证，可以得出芯片已经损坏无法使用。 （2） 控制开关无法控制电路 数码管显示不稳定，其他一切正常，可以断定开关接触不良，更换开关问题解决。 4.3实物展示： 图5-1 整体实物图 图5-2 实物焊接背面图 第五章 测试结果分析与设计体会 5.1测试结果与分析 调试工作需耐心细心。在调试过程中，有些问题往往是芯片损坏引起的，但也不排除由于线路连接问题，通过对芯片功能的检验，对焊点级线路的检查最后找出出问题所在。 5.2设计体会与实验总结 这次课程设计的电路相比之前做的相对较复杂。所用到的元器件比较多，投入的时间精力级费用打。在整个电路的设计过程中，难点在于怎样的把每个方块有机合理整合到一起，这就需要我们平时的积累和学习。不是一朝一夕可以做到的，但是，即使面对实验过程遇到的困难，我们不要心浮气躁，要静下心来仔细比较分析问题以及可行的解决方法，通过上机仿真以及接线调试等可行方案，用心完成此次课程设计。设计过程中，我深刻的体会到，单单靠学习课本上的知识是不够的，网络是一个很好的帮手，遇到什么不懂的问题，上网寻找解决的方法，平时也可以与同学交流，借鉴其他同学好的经验，反复实践，不怕苦不怕累，其过程很可能相当繁琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。在此过程中设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我应在设计前做好充分的准备，如查找详细的资料，定好实验的步骤，为接下来的成功做基础。 总之，在此次的课程设计中我学到了很多，了理论联系实际的重要性，以及这之间莫大区别，后看着自己的成果还是倍感欣慰的。在课程设计期间我懂得了怎样利用网上的资源和书本里的资源，通过网上的资源和书本理论的结合我了解了许多有关电子元件的工作原理，但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点，实际掌握能力，今后应多多培养自己的动手能力。通过这次练习我也收获很多。通过探索，自学，实践到做成作品，培养了兴趣，开阔了视野，增长了见识，提高了自己的设计思维，增强了动手能力。在改进电路的过程中，与同学们共同交流探讨，效率明显提高，这也是平时的集体活动中无法找到的。完成作品过程的艰辛培养了我们吃苦耐劳的精神，同时还应感谢老师在平时的辛勤栽培，不厌其烦的给我们解答书本里的难题。 参考文献 [1] 康华光 《电子技术基础》数字部分 高等教育出版社 2005 [2] 康花光《电子技术基础》模拟部分 高等教育出版社 2006 [3] 余春暄《微机原理及接口技术》 2014 [4] 谢汉龙 鲁力 张桂东《原理图与PCB设计及仿真》 2014 [5]邱关源 《电路》 2006 [6] 杨欣 莱诺克斯 王玉凤 刘湘黔《电子设计从零开始》2010 附录：元件清单 序号 类型 数量 1 74LS279（RS锁存器） 1 2 74LS48（4线—7段译码驱动器） 3 3 74LS148（8线—3线优先编码器） 1 4 74LS192（十进制可逆计数器） 2 5 74LS08（二输入四与门） 1 6 74LS00（二输入与非门） 2 7 NE555 1 8 晶体管3DG130 1 9 七段数码管（共阴极） 3 10 B键（触发开关） 9 11 发光二极管 1 12 扬声器 1 13 四脚轻触开关 8 14 圆孔排阵若干排 15 电阻（1KΩ） 4 16 电阻（10KΩ） 9 17 电阻（15KΩ） 1 18 电阻（68KΩ） 1 19 电容（0.1μF） 1 20 电容（10μF） 1