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电子抢答器——数电课程设计

电子抢答器——数电课程设计

设计题目: 智力竞赛电子抢答器

设计要求及技术指标:
1、抢答器电路分为抢答电路设计和必答电路设计。 2、抢答电路设计具体要求: (1)抢答组数分为四组,序号为1~4。 (2)优先判断与指示电路设计。 (3)主持人清除上次抢答结果的电路设计。 (4)主持人给选手打分电路与选手得分累计显示电路设计。 3、必答电路设计具体要求: (1)30秒必答倒计时电路设计。 (2)超时短暂报警。

第 1 章
1 原理电路设计:

电路设计简介

1.1 电路总体工作框图

555 定时器

开关计时电路

数码管显示

四路 选手 抢搭 按钮

四路 锁存 抢答 电路 声音 警示 电路 选手 积分 电路

主持人按钮

图 1:课程设计的总体框图
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整个电路框图如上图所示,主要可分为三个部分,第一部分为四路选手抢 搭电路, 这部分电路主要采用了四个 74LS595 来实现四位选手仅选可选通一路的 功能实现,并结合使用多个四路与非门(即 74LS10)来实现其对计时电路的控制。 第二部分为计时电路, 其通过两个级联的 74LS161 与 555 定时器来实现计时功能, 并通过其对于声音警示电路控制。第三部分为选手计分电路,需用了可加可减的 74LS192 来实现对于选手的加减积分功能。整个电路在学校提供的开发板上,其 中所需使用的 LED 灯、按钮按照开发板作相应的调整。

第 2 章
1 电路工作原理

硬件电路的组成

当第一位选手按下按钮,74LS373 锁存器构成的选通电路就会将低电平传 至二极管 led 的负极,此时若有其他选手再按下按钮,其会导致 74LS373 处于锁 存数据状态, 从而使已经亮的小灯不会受到其他选手按钮的影响,另一方面已经 选通一路会通过锁存器阻止其他路数据的传入。另一方面四位按钮通过控制 74LS161 来实现对计时电路的控制,以使得当有选手按下按钮时计时才开始。 计时电路由两个异步清零的模十计数器构成,对其清零通过对于其清零端 与使能端置低电平完成, 而两位已内置好 74LS48 的数码管通过与 74LS161 的输 出管脚来实现时间的显示。因为电路要求 30 秒计时,所以使用计时十位的 74LS161 的低两位作为是否到达 30s 的判断信号,当 Q1、Q0 均为 1 的时候就是 到达 30s,此时通过与非门输出来控制扬声器以及停止计时。 选手计分电路通过使用可加可减的 74LS192 来完成,当其 5 管脚为上升沿 是,其数值加一;而当 4 管脚为上升沿时,其数值减一。而上升的产生则通过使 用电源、地与一个按钮完成。选手分数的显示通过使 74LS192 的输出管脚与已 内置好 74LS48 的数码管相连来完成。 总体电路的设计思路如上,后期搭建电路过程中依据实际情况做了小幅调 整,当整体思路未变。

1.1 总体电路原理图如下:

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图 2:电路工作原理图

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单元电路设计及芯片简介

2.1 抢答器控制电路设计
抢答器控制电路是抢答器设计的关键,它要完成以下三项功能: (1)当参赛选手按动抢答键时,灯泡发光,并显示相应的组号,抢答电路封 锁和定时电路开始工作。 (2)当设定的答题时间到,答题人不准再答题并且将按钮弹上。

图 3:抢答器控制电路
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74LS373 简介:

图 4:74LS373 资料 概括起来: (1):1 与 11 管脚均置低时,74LS373 起到所存数据作用,保存内部数据组织 外部数据的进入。 (2): 1 管脚置低, 管脚置高时, 当 11 74LS373 会将输入端的数据传至输出端。 而我就是使用 74LS373 这两种工作功能的转换来实现四路选一的抢答功能

2.2 计时电路设计 2.2.1 显示部分
计时电路由两个异步清零的模十计数器构成,通过低位 Q3、Q1 的与或门产 生低电平, 并且用此低电平作为自身个位的清零信号以及下一位十位的计数信号。 对其清零通过对于其清零端与使能端置低电平完成,而两位已内置好 74LS48 的 数码管通过与 74LS161 的输出管脚来实现时间的显示。在显示电路中还有一些 与非,这些与非门是用于实现对 30s 的控制,计数的开始、清零,报警声音的产 生与主持人复位电路的实现。
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图 5:计时电路

图 6:74LS161 资料

2.2.2 计时部分
由 555 定时器产生时间脉冲,参赛选手按动抢答键时,即出现正脉冲,定时 时间 15S,当第一次出现低电平时灯泡熄灭,表示答题时间到,然后主持人即可 按复位。

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图 7:555 定时电路 它基本原理是, 由于电容 C 的两端的电压不能突变,定时器的 2 端电压低触 发端为低电平,输出端 3 为高电平。电源经过 R1、R2 给电容 C 充电,当电容的电 压充到电源电压的 2/3 时,555 内部的 MOS 管导通,输出为低电平。接着电容通 过 R2 和已经导通的 MOS 管放电,当电容的两端电压下降到低于 1/3 的电源电压 时,MOS 管截止电容放电停止,此时电源通过 R1、R2 再次向电容充电,如此反复, 形成震荡,从而在 3 端得到时钟脉冲源输出,根据公式: 周期 T=(R1+2R2)×C×ln2=0.7(R1+2R2)C 。 高电平:TW1=0.7(R1+R2)C=1S 取:R20=1k (实际因找不到 1k 的,所以选用 1.2k) R7=71k C4=0.01Uf C3=10uF

2.3 选手计分电路设计

选手计分电路通过使用可加可减的 74LS192 来完成,当其 5 管脚为上升沿 是,其数值加一;而当 4 管脚为上升沿时,其数值减一。而上升的产生则通过使 用电源、地与一个按钮完成。选手分数的显示通过使 74LS192 的输出管脚与已 内置好 74LS48 的数码管相连来完成。具体来说管脚 9、10、1、15 四管脚悬空, 3、2、6、7 四个管脚与数码管的 Qa、Qb、Qc、Qd 相连,清零端置高,载入数 据端置低。
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图 8:选手积分电路

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图 9:74LS192 资料 从真值表中我们可以看出其计数脉冲为上升沿有效,对于 4、5 管脚的脉冲依 次会产生减数、加数功能,而 Load 端口可以将预设值传入输出端口。而 Clear 作为清零端口,低电平有效。

第 3 章

硬件电路的调试

1. 仿真软件简介
Proteus 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: ①实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路 仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232 动态仿真、I2C 调试器、 SPI 调试器、键盘和 LCD 系统仿真的功能;有各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分 析仪、信号发生器等。 ②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有:ARM7(LPC21xx)、 8051/52 系列、 AVR 系列、 PIC10/12/16/18 系列、 HC11 系列以及多种外围芯片。 ③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、寄存器等的当前状态,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, Keil C51 uVision2、 如 MPLAB 等软件。 ④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。 proteus6.5 是目前最好的模拟单片机外围器件的工具,真的很不错。可以仿 真 51 系列、AVR,PIC 等常用的 MCU 及其外围电路(如 LCD,RAM,ROM,键盘,马 达,LED,AD/DA,部分 SPI 器件,部分 IIC 器件,...) 其实 proteus 与 multisim 比较类似,只不过它可以仿真 MCU! 当然,软件仿真精度有限,而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型, 用开发板和仿真器当然是最好选择,可是估计初学者有的可能性比较小吧? 如果你在学 51 单片机,如果你想自己动手做做 LCD,LED,AD/DA,直流马 达,SPI,IIC,键盘,...的小实验的话,试一下吧,不会让你失望的! 用 51 不管你是用汇编或是 C 编程当然要用 keil 啦(那个 medwin 实在不怎 么样~),uvisoin3 有不少新特性呢! 使用 keil c51 v7.20 + proteus 6.5 可以像使用仿真器一样调试程序,一般而言, 微机实验中用万利仿真器+电工系自己做的实验板的实验都可以做得到吧!

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仿真结果:

2. 电路调试过程
整机电路安装、调试 (1)安装
因为设计电路图时, 为将芯片个数考虑进去,所以该设计方案用到了较多 的芯片,而开发板上仅仅提供了 14 个槽位,所以我安装的思路是小模块安装在 面包板上, 主模块安装在开发板上, 两者相连的与非门、 非门都安装在开发板上。 在安装前先要测试一下开发板上数码管的好坏, 采用将数码管的四个管教 全部接高电平的方法,观察数码管是会否显示为 8,如果是则数码管是好的,反 之则数码管坏了。 安装调试的先后顺序如下,先安装选手积分电路部分,原因在于此电路与 其他电路相对独立, 可以将电路搭在面包板上,这样就只需与开发板连接电源就 可以使用,既方便调试又可使连线清楚。 然后搭建 555 计时器电路, 其是计时电路的基础。 先使用 1.2K、 50K、 21K 的电阻,0.01uF、10uF 电容搭建于面包板上。而后搭建由两个 74LS192 构成的 计时电路,先让其与 555 定时器相连可以显示数字 0~30s 的变化,而后再接周边 的几个与非门,实现清零、报警、复位功能。这样逐步进行搭建可以较快发现并 改正搭建过程中产生的问题。 最后安装选手抢答电路, 之所以将这部分内容放在最后,其一在于其功能 的测试需要通过计时电路才能实现,其二在于选手抢答电路所需芯片较多,电路 接法最为复杂,在前面电路接完后,把握会比较大。 最后部分选用搭建四路中的一路,先将一路的功能实现,余下的三路就好 搭建的多了。 选手抢答电路四路具有极大的相似性, 且芯片管脚的利用率也较低, 接线方便。

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(2)调试
1.选手积分电路调试 选手积分电路设计上要实现对于选手加减分功能, 但在实际使用中出现了一 种情况,按下按钮会使计数一次加二或一次减二。进过分析,我觉得这是因为我 使用的是按钮中的铁片抖动造成的,我想通过 RS 触发器来搭建个防抖动电路, 来消除抖动造成的连续加数。 2.计时电路调试 在搭建过程中,发现 74LS192 的 1 与 15 管脚不需相连,相连后回造成进位 问题;并且在数值由 19 向 20 进位的时候会出现问题,进位后并不显示 20,显 示出 10, 但是由 9 进位为 10 的时候并未发生问题, 这个问题当时并未得到解决。 第二天其自动好了。 在使用十位的低两位作为停止计时与报警的输入信号,发现一个与非门连出 两条线无法实现,可能是因为电流不足,无法驱动其两个功能的电路,所以我采 用了两个与非门分别实现。 3.选手抢答电路调试 选手抢答电路设定使用的是共阳极的数码管,但是开发板上使用的共阴极数 码管,所以我在此使用了四路反相器来使设计图与开发板情况相同。

3. 总结
本电路使用了 74LS373 锁存器,74LS48 编码器,555 定时器,译码器数码管 等构成抢答电路,倒计时电路。还使用了 74ls192 等电路实现计分功能,并利用 使能端与一些门电路,实现各项锁存,鸣叫,清零等功能,总结如下: 优点: 电路功能原理清晰, 各项功能均达到了要求; 电路各部分独立性较好, 连线方便,便于寻错纠错,基本满足了普通竞赛的抢答要求。 缺点:1.在主持人清零前,选手不需要先将按钮弹回,否则主持人无法进行 清零。2.在电路采用的是顺计时,即计 0 到 30,而非倒计时。3.选手使用的是 非自动上弹型按钮。

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第4章

结束语

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设计体会
此次为期 5 天的数电课程设计,将理论与实践有机地结合,既考查了同学对

理论知识的掌握程度, 由反映了实际动手能力,更主要的是考查了同学对知识的 综合运用以及创新设计思维能力,为今后的发展提供了一次良好的学习环境。 针对课设题目四路抢答器, 一开始还没有头绪,不会运用所学知识进行有效 设计,但通过上网查阅各种类似的设计,去图书馆翻阅相关设计书籍,查阅所提 供的芯片功能,确定基本设计方案,又通过仿真验证试验方案的可实行性,虽说 比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。同时也使自己认识到: 1、设计思路是整个设计的灵魂 拿下每个课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。 只有对课题 的充分理解, 对各种器件的熟练掌握, 勾画出基本的设计图是成功的关键, , 必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。翻阅各种资料, 上网查询填补所需知识的空白是必要的。此次电路图的设计我先是在 Protues 设计,设计的思路:1.尽量使用老师在清单表上给定的芯片。2.使 用锁存器类芯片实现四路选一功能。3.精良是各个模块相互分离。 2、设计必须要与实际实现的硬件环境相结合 设计时使用 Protues 进行仿真的结果与实际搭建结果有异: 1.实物上的 数码管极性, 按钮类型与仿真上的不尽相同。 2.有些功能在仿真上可以实现, 在实物上则不行, 这并不是源于接线错误。 而是方针与实物之间是有差异的。 以后在设计时,应首先考虑硬件。 3、调试电路 调试工作是个精细工作。在调试过程中,有些问题是芯片本身损坏引 起的,也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心,通 过对芯片功能的检验,当最后解决问题时,电路的正确是非常振奋,也很 有成就感和满足感。

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参考文献

1、阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社,1989 2、张乃国.电子测量.北京:人民邮电出版社,1985 3、彭介华.电子技术课程设计指导.北京:高等教育出版社,1997 4、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

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附录 A 元器件清单
所用元器件一览表: 名称及标号 锁存器 译码器 555 开关 电阻 LED 电容 7 段共阴数码管 两输入与非门 三输入与非门 74LS00 74LS11 型号及大小 74ls373 74ls48 NE555N SW-PB 21K、50K 1.2K 共阴极 0.01uF 10uF 数量 ( 单位:个) 4 6 1 7 1 1 4 1 1 1 1 2

附录 B

电路总原理图

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