数字电子技术智能抢答器1

1、?数字电子技术?课程设计任务书一、设计课题四智能竞赛抢答器二、设计要求1 .四组参赛者在进行抢答时,当抢答者按下面前的按钮时,抢答器都能准 确的判断出抢先者,并显示相应的组号.2 .抢答器具有互锁功能,某组抢答后能自动封锁其它各组进行抢答.3 .形同应具有一个总复位开关.4 .安装自己的设计电路.5 .通电调试.提升局部1 .抢答者犯规或违章主持人未说开始抢答时,参赛者抢先按钮时,应自动发出警告信号,以指示灯闪为标志2 .抢答器应具有限时功能,抢答时限为 30秒.设计资料1、阎石.数字电子技术根底.北京：高等教育出版社,19892、张乃国.电子测量.北京：人民邮电出版社,19853、彭介华.电

2、子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社,19974、华容茂.电工、电子技术实习与课程设计.北京：电子工业出版社,2000 设计成果1、课程设计说明书.2、产品目录任务书 1前言 2目录 4第一章方案论证 61.1 方案论证与比拟 61.2 方案选择 61.3 方案 6第二章单元电路设计 82.1 抢答电路设计 82.1.1 原理图设计 82.1.2 抢答器电路组成 92.2 定时电路设计 132.2.1 原理图设计 132.2.2 对计数器进行预置 152.2.3 555 定时器 162.3 时序限制电路的设计 16第三章仿真分析 183.1 抢答电路仿真 193.2 定时电路仿真 19第四

3、章制作与调试 204.1 制作 PCB- 204.2 电路调试 204.2.1 通电准备 204.2.2 单元电路检测 204.3 组装调试 214.3.1 检测与查阅器件 214.3.2 电路调 214.3.3 连接电路 21第五章总结 22参考文献 23附录I定时抢答器的主体逻辑电路图 24附录R元器件清单 24附录出PCB图 25第一章方案论证1.1 方案论证与比拟与普通抢答器相比,本作品有以下几方面优势：1、具有清零装置和抢答限制,可由主持人操纵,防止有人在主持人说“开始 前提前抢答而违反规那么.2、具有定时功能,在30秒内无人抢答表示所有参赛选手获参赛队对此题弃权.1.2 方案选择1

4、、 根据系统方框图的原理有两种设计方案可供选择.1、选手触摸按钮后的信号首先进入 RS触发器,CP脉冲限制锁存效果,然后 输出再进行编码,译码显小02、选手触摸按钮后的信号首先进行编码,然后利用 74LS279锁存器,它的输 出直接限制锁存功能,然后主持人开关限制锁存器的片选端, 发挥清零作用.锁 存器的输出直接进入译码器然后显示.3、可以用单片机编程实现,其实使用单机做最简单.三种方案原理均可行,考虑到实际情况,操作和连线地简单易行,因此选择方案 二.2、 驱动电路也有两钟方案可供选择：1、可利用单稳电路限制延迟时间和分频器 CC406O!行分频产生间歇式方波.2、可采用单稳电路限制延迟时间

5、和比拟简单的振荡器线路, 经比拟选用施密 特反相器构成的方波发生器比拟简单, 由于方波发生器的频率都比拟低,所以选 用555定时电路.经过组员讨论,选择了比拟熟悉的 555定时电路.1.3 方案一、原理根据要求应具有抢答器具有锁存、定时、显示功能.即当抢答开始后,选 手抢答按动按钮,锁存器锁存相应的选手编码,同时用LEDR码管把选手的编码 显示出来,并且开始抢答时间的倒计时,同时用LED数码管把选手的所剩抢答时 问显示出来,以提醒主持人和选手.抢答时间可设定 30S.接通电源后,主持人 将开关拨到“去除状态,抢答器处于禁止状态,编号显示器灭灯,定时器显示 设定时间；主持人将开关置“开始状态,宣

6、布“开始抢答器工作.定时器倒 计时,选手在定时时间内抢答时,抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示. 当一轮抢答之后,定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间.如果再次 抢答必须由主持人再次操作“去除和“开始状态开关.二、抢答器的组成框图4定时抢答器的总体框图如图1所示.他主要由主体电路和扩展电路两局部组成.主体局部完成根本的抢答功能,即开始抢答后,中选手按动抢答键时,能显 示选手的编号.同时能封锁输入电路,禁止其他选手抢答.扩展电路完成定时抢 答的功能.图1所示定时抢器的工作过程是：接通电源时,节目支持人将开关置于“去除 位置,抢答器处于禁止工作状态,编号显示器灭灯,定时器显示设定的时

7、间,当 主持持人宣布抢做题目后,说一声“抢答开始,同时将限制开关拨到“开始 位置,抢答器处于工作状态,定时器倒计时,当定时时间到,却没有选手抢答时, 输入电路被封锁,禁止选手超时后抢答.中选手在定时时间内按动抢答键时, 抢 答器要完成下面几个工作：1 .优先编码电路立即分辨出抢答者的编号,并由锁存器进行锁存,然后有译码 显示电路显示编号；2 .制电路要对输入编码电路进行封锁,防止其他选手再次进行抢答；3 .限制电路要使定时器停止工作,时间器上显示抢答时间,并保持到主持人将系统清零为止,以便进行下一轮抢答.1抢答电路设计第二章单元电路设计日 n匹口 口 - 工 74LS48 丫9 bi / rb

8、(AAAACTR2.1.1 原理图设计图2.1抢答器电路设计电路如图 2.1所示.电路选用优先编码器 74LS148和锁存器 74LS297来完成.该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后,并锁 存优先抢答者的编号,同时译码显示电路显示编号显示电路采用七段数字数码 显示管；二是禁止其他选手按键,具按键操作无效.工作过程：开关 S置于 消除端时,RS触发器的R、S端均为0, 4个触发器输出置0,使74LS148的优 先编码工作标志端图中5号端=0,使之处于工作状态.当开关S置于开始 时,抢答器处于等待工作状态,当有选手将抢答按键按下时如按下S5,74LS148的输出经RS锁存后,CTR=

9、1,RBC中4端=1,七段显示电路74LS48 处于工作状态,4Q3Q2Q=10绘译码显示为“5.此外,CTR= 1 ,使74LS148优 先编码工作标志端图中5号端=1 ,处于禁止状态,封锁其他按键的输入.当按键松开即按下时,74LS148的 此时由于仍为CTR= 1 ,使优先编码工作标志 端图中5号端=1 ,所以74LS148仍处于禁止状态,保证不会出二次按键时 输入信号,保证了抢答者的优先性.如有再次抢答需由主持人将 S开关重新置“清 除然后再进行下一轮抢答.2.1.2 抢答器电路组成1.编码、锁存电路编码、锁存电路由优先编码器 74LS148和RS锁存器74LS279组成.优先编 码器

10、74LS148是8线输入3线输出的二进制编码器简称8-3线二进制编码器, 其作用是将输入Iol7这8个状态分别编成8个二进制码输出.优先编码器允许 同时输入两个以上的编码信号,不过在优先编码器将所有的输入信号按优先顺序 排了队,当几个输入信号同时出现时,只对其中优先权最高的一个进行编码.具功能表如表2.1所示.由表看出74LS148的输入为低有效.优先级别从I7至递Io 降.另外,它有输入使能st ,输出使能Ys和7.1） 74LS148编码器74LS148引脚图图2. 2 74LS148 的符号图和管脚图74LS148芯片的功能表输入输出STI0I1I2I3I4I5I6I7Y2Y1Y0YSY

11、EX1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X01111111100100111111111101表2.1. 74LS148 功能表优先编码器是8线输入3线输出的二进制编码器,其作用是将输入I0至 I7 , 8个状态分别编成 8个二制码输出.其功能如真值表所示.由表可以看出 74LS148R的输入低有效.优先级别从I7至I0递降.另外它有输入使能/ST,输出使 能/YS 和/Yex;a. /ST=0允许编码,/

12、ST=1禁止编码,输出/Y2 /Yi/Y0=111;b. /Y江要用于多个编码器电路的级联限制,即/YS总是接在优先级别低的 相邻编码器的/ST端,当优先级别高的编码器允许编码,而无输入申请时, /Ys =0,从而允许优先级低的相邻编码器工作,反之假设优先级高的编码器 有编码时,/Y S=1,禁止相邻级别低的编码器工作c. /Yex=0表示/Y2/Y1/Y0是编码输出,/Y ex=1表示/Y2/Y1/Y0不是编码输出/Yex为输出标志位.单片74LS148组成8-3进制输的如码器,其输出8421BCD. 由表中不难看出,在 X 电路正常工作状态下,允许 入工当中同时有几个输入端为低 电平,即有

13、编码输入信号.工的优先权最高, 石的生先权最低.当_什：时,无论三余输入端有无输入信号表中以 X表示,输出端只给出工的编码,即石石照=00 o当小1、 4 = 0时,无论其余输入端有无输入信号,只对 乙编码,输出为 5% . L2） 74LS279芯片具有锁存器的功能,其内部是由 4个JK触发器组成的.当有 一个人优先抢答后其它的就不能抢答了,其它的虽然有电平输入,但是输 入的电平保持原态不变.其引脚图如2.316 115 14 13 12V cc4Q3S bIll3Sas-103R93Q74LS279四rs锁存器1R 1Sa 1Sb 1Q 2R 2S 2Q GND12345678图2.3 7

14、4LS279引脚图输入输出QS1S2R00010 X 11X 0111100111没改变表2.2 74LS279 锁存器功能表其中：TCU是加计数进位输出端,当加计数到最大数值时,TCU发出一个低电平信号平时为高电平；TG为见计数借位输出端,当减计数到 0时,TG发出一 个低电平信号平时为高电平,TQ和TQ负脉冲宽度等于时钟低电平宽度. 2.译码、显示电路译码电路由74LS48组成.而译码是编码的逆过程,其任务是恢复编码的愿 意.按内部连接方式不同,七段数字显示器分为共阴极和共阳极两种.1 74LS48七段显示译码器74LS48芯片是一个十进制BCD译码器,可用来驱动共阴极的发光二极管 显示器

15、.74LS48的内部有升压电阻,因此无需外接电阻可直接与显示器相连 接.74LS48其弓|脚图如下列图,其功能表如下表161514131211109VccYfYaYbYcYd74LS48 4-7 译码器/驱动器AiA2 LT B/RBO RB A3 A0 GND三叵叵三叵w工已图2.4 74LS48 引脚图74LS48的功能表如下表所示.其中, A3A2A1AM 8421BCDK输入端,ag 为7段译码输出端.功能或数?:输入输出显示a b c d e f g字型LT RBIA A2AA0BI / RBO灭 灯X XX X X X0 输入0 0 0 0 0 0 0灭灯试灯0 XX X X X1

16、1 1 1 1 1 1 18动态火零0 00 0 0 000 0 0 0 0 0 0灭灯01 10 0 0 011 1 1 1 1 1 0011 X0 0 0 110 1 1 0 0 0 0121 X0 0 1 011 1 0 1 1 0 1231 X0 0 1 111 1 1 1 0 0 1341 X0 1 0 010 1 1 0 0 1 1451 X0 1 0 111 0 1 1 0 1 1561 X0 1 1 010 0 1 1 1 1 1671 X0 1 1 111 1 1 0 0 0 0781 X1 0 0 011 1 1 1 1 1 1891 X1 0 0 111 1 1 1 0

17、1 19表2.3 74LS48的功能表常用的七段显示器件：半导体数码管将十进制数码分成七个字段, 每段为一 发光二极管.半导体数码管或称 LED数码管的根本单元是PN结,目前较多 采用磷神化钱做成的PN结,当外加正向电压时,就能发出清楚的光线.单个 PN 结可以封装成发光二极管,多个 PN结可以按分段式封装成半导体数码管,其管 脚排列如下列图所示.半导体显示器管脚排列图共阴极接线图图2.5共阳级接线图b Ca nudf e图2.6 七段数字显示器发光段组合本设计用到的共阴极显示器和 74LS4& 74LS48可以驱动共阴极的发光显示器,其内部有升压电阻,无需外接电叱可以直接与显示器相连接.江为

18、试灯输入：当江=0时,G/&R=1时,假设七段均完好,显示字形是“ 8, 该输入端常用于检查74LS48显示器的好坏；当 亘=1时,译码器方可进行译码 显示.品F;用来动态灭零,当 仃=1时,且t=0,输入A3A2A1A0=0000寸,那么 G/ Ur=0使数字符的各段熄灭；弓/&R为灭灯输入/灭灯输出,当 品=0时不管输入如何,数码管不显不辞字；G/%1为限制低位灭零信号,当&R=1时,说明 本位处于显示状态；假设Ur=0,且低位为零,那么低位零被灭.2 . 2定时电路设计2.2. 1原理图设计:图2.72、原理及设计：该局部主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加 减计数器74LS1

19、92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.具体电路如图2.7所示.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.74192的预置数限制 端实现预置数,设定一次抢答的时间,通过预置时间电路对计数器进行预置,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DPY_7-SEG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,BO2输出低电 平到时序限制电路,以后选手抢答无效.下面结合2.7具体讲一下标准秒脉冲产 生电路的

20、原理.结合图2.7,图中电容C的放电时间和充电时间分别为ti =R2 C In2 之 0.7R2 C , t2 = (R + R2) C In2 电 0.7(R + R) C于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为f?一143,结合我们的实际经验及考虑到元器件的本钱,11t2 (R, 2R2) C我们选择的电阻值为R1=15K R2=68K C=10uF代入到上式中即得f定1HZ,即 秒脉冲.输入输出UI1UI2RDUOV状态12XX00导通2/3VCCCC 1/3Vcc10导通V 2/3VCCCC 1/3Vcc11截止 1/3Vcc1小艾小艾表2.4 555 定时器功能表2. 2. 2对计数

21、器进行预置1. 74LS192芯片的介绍(b)1） 74LS192的弓|脚图Vqc PQ MR TQ) TC(j PL P2 P3 网网画网而同画|T|jjl2JljJlJJLdLiJLiJLiJPl Qi Of) CP口 CPu 02 S GMD.图 2.82） 74LS192功能生幻输入输出MRPL%D3D2D1D0Q3Q2Q1Q01XXXXxXX000000XXdcbadcba011xXxx加计数011xXXX减计数表2.5 74LS192功能表其中：TCU是加计数进位输出端,当加计数到最大数值时,TCU发出一个低电平信号平时为高电平；TG为见计数借位输出端,当减计数到 0时,TG发出一

22、13个低电平信号(平时为高电平),TCU和TG负脉冲宽度等于时钟低电平宽度.2.74LS192的预置数的计算根据要求使用两片74LS192的异步置数功能构成三十进制减法计数器.30 进制数器的预制数为 N= (0011 0000) 842ibc=(30) do 74LS192(1)计数器从0011 状态开始计数,因此,就因取 D3D2DD)=0011.； 74LS192是计数器从0000状态开 始计数,那么,就因取QDDDb=0000.计数月冲从CR端输入.它的计数原理十, 每当地为计数器的BO端发出负跳变借位脉冲时,高位计数器减1计数.当高位计数器处于全0,同时在CRf0期间,高位计数器BO

23、=LD=0计数器完成异步制 数,之后BO=LD=,1计数器在CB时钟脉冲作用下,进入下一轮减计数.2.Vcc是电压限制端 DIS 是放电端TH是高电平触发端CO是使能端GN此接地OUT是输出端 用是直接置0端 元是低电平触发器2 . 3时序限制电路的设计抢答与定时电路的时序限制电路如下列图所示时序限制电路是抢答器设计的关键,它要完成以下三项功能：主持人将限制开关拨到“开始位置时,抢答电路和定时电路进入正常抢答工 作状态.当参赛选手按动抢答按键时,抢答电路和定时电路停止工作.当设定的抢答时间到,无人抢答时表示此次抢答无效.14根据上面的功能要求以及图2.1抢答电路,设计的时序限制电路如图2.10

24、所示. 图中,与门G1的作用是限制时钟信号 CP的放行与禁止,门G2的作用是限制 74LS148的输入使能端即图2.2中的5端.工作原理是：主持人限制开关从 去除位置拨到开始位置时,来自于图2.3中的74LS279的输出1Q,即CTR=0 经G3反相,输出为1,那么555产生的时钟信号CP能够力至ij 74LS192的CPD寸钟 输入端图中用CLC侬示接入到74LS192CP端的信号,定时电路进行递减计 时.同时,在定时时间未到时,那么定时到信号为1,门G2的输出=0,使74LS148 处于正常工作状态,从而实现功能的要求.中选手在定时时间内按动抢答按键 时,CTR= 1,经G3反相,输出为0

25、,封锁CP信号,定时器处于保持工作状态； 同时,门G2的输出=1 , 74LS148处于禁止工作状态,从而实现功能的要求. 当定时时间到时,那么定时到信号为0, /ST=1 , 74LS148处于禁止工作状态,禁 止选手进行抢答.同时,门G1处于关门状态,封锁时钟CP信号,使定时电路保 持00状态不变,从而实现功能的要求.第三章仿真分析1、仿真软件介绍Proteus ISIS 是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件.它运行于Windows操作系统上,可以仿真、分析SPICE各种模拟器件和集 成电路,该软件的特点是：实现了单片机仿真和 SPICE电路仿真相结合. 具有模拟电路仿

26、真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS23匆态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有15各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等.支持主流单片机 系统的仿真.目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVRg列、 PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、MSP43原列、 ARM数及各种外围芯片.提供软件调试功能.在硬件仿真系统中具有全速、 单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各个变量、存放器等的当前状态, 因此在该软件仿真系统中,也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编 译和调试环境,如Ke

27、il C51 uVision2 等软件.具有强大的原理图绘制功 能.总之,该软件是一款集单片机和 SPICE分析于一身的仿真软件,功能极 其强大.2、Protel 软件介绍PROTELPROTE是PORTE公司在80年代末推出的EDAC件,在电子行 业的CADB件中,它当之无愧地排在众多 EDA软件的前面,是电子设计者的 首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些高校的 电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许 多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL早期的PROTE也要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS境,对硬件

28、的要求很低,在无硬盘286机的1M内存下就能运行,但它的功能也较少, 只有电原理图绘制与印制板设计功能,具印制板自动布线的布通率也低,而 现今的PROTEIB开展到PROTEL99是个庞大的EDA软件,完全安装有 200 多M,它工作在 WINDOWS95境下,是个完整的板级全方位电子设计系统, 它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路 板设计包含印制电路板自动布线、可编程逻辑器件设计、图表生成、电 子表格生成、支持宏操作等功能,并具有 Client/Server客户/效劳器体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如 ORCADPSPICE EXCELS,其多

29、层印制线路板的自动布线可实现高密度PC由勺100%布通率.3.1抢答电路仿真 ri.ir ri -1-r ri3. 2定时电路仿真第四章制作与调试根据需求选择电路的设计单元进行组合,完成系统的原理图设计与PCB设计,对制作好的PCB板,或准备好的面包板,根据装配图或原理图进行器件装 配,装配好之后进行电路的调试.4. . 1制作PCB绘制PCES 见附录出174.1.1 通电准备翻开电源之前,先根据系统原理图检查制作好的电路板的通断情况,并取下 PCB上的集成块,然后接通电源,用万用表检查板上的各点的电源电压值,完好之后再关掉电源,插上集成块.4.1.2 单元电路检测1抢答电路把主持人的限制开

30、关设置为“消除位置,用万用表检查 RS触发器的 端为 低电平,输出端4Q1Q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.然后把主持人的限制开关拨到“开始位置,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,给8路抢答端口即输入端 给 上低电平的输入信号,如当有选手将键按下时如按下,74LS148的输出=010 , =0,经RS锁存器后,CTR=1 , BI=1 , 74LS279处于工作状态, 4Q3Q2Q=101, =0,经 RS 锁存器后,出 “ 5 此外,CTR=

31、1 ,使 74LS148 仍处于禁止工作状态,其它按键的输入信号不会被接收.2定时电路用示波器检查555的输出波形是否为1Hz的方波信号,如不是对555的外 围电路进行调整到达要求为止 .给74LS192的数据输入端设定一次抢答的时 问,如35秒00110101 的八位数据.观察显示器的显示时间是否进行减一 的计数.有问题按原理进行修改.3时序限制 主持人将限制开关拨到“开始位置时,抢答电路和定时电路进入正常抢 答工作状态. 当参赛选手按动抢答键时,抢答电路和定时电路停止工作. 当设定的抢答时间到,无人抢答时,同时抢答电路和定时电路停止工作.4. 3组装调试4. 3. 1 检测与查阅器件用数字

32、即成电路测试仪检测所用的集成电路.通过查阅集成电路手册,标出电路图中各集成电路输入、输出端的引脚编号4. 3. 2 连接电路按电路图连接电路.先在电路板上插好各种器件.在插器件的时候,要注意器 件的活口方向,同时要保证各管脚与插座接触良好, 管脚不能弯曲或折断.指示 灯的正、负极不能接反.在通电以前先用万用表检查各器件的电源接线是否正确.184. 3. 3 电路调试首先根据抢答器的功能进行操作,假设电路满足要求,说明电路没有故障.假设某 些功能不能实现,就要设法查找并排出故障,排出故障可根据信息流程的正向由 输入到输出查找,也可以按信息流程逆向右输出到输入查找.1显示电路的调试主要是由一块74

33、148和一块7448芯片以一个七段LEDR码显示器组成的.在调 试时,可以在编码器的各输入端接上开关,当接上电源后,用各开关翻开或断开来 判断七段LED数码显示器是否显示正常.2锁存电路的调试在调试锁存电路时,我们可以在各触发器的 Q端接各接上一个发光二极管,接 上电源,主持人开关翻开,任意按下一时&抢答开关,看其对应的发光二极管是否亮 然后再按其它开关,这时其它的二极管应该不发亮才算正常.3清零电路调试清零是由主持人限制的.这个电路比拟简单,只有一个指示灯,当主持人开关断 开时,指示灯通过接地连接到各触发器的清零端,这时七段LED数码显示器应显 示为0,如果不为零那么电路不正常.第五章总结简易逻辑数字抢答器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； 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.在知识竞赛中,特别是做抢做题时,在抢答过程中,为了知道哪一组或哪一 位选手先做题,必须要有一个系统来完成这个任务.如果在抢答中,只靠人的视 觉是很难判断出哪组先做题.这次