數(shù)電課程設計---智力競賽電子搶答器

1、<p>　　設計題目： 智力競賽電子搶答器</p><p>　　設計要求及技術指標:</p><p>　　1、搶答器電路分為搶答電路設計和必答電路設計。</p><p>　　2、搶答電路設計具體要求： </p><p>　?。?）搶答組數(shù)分為四組，序號為1~4。</p><p>　?。?）優(yōu)先判斷與指示電路設

2、計。</p><p>　?。?）主持人清除上次搶答結果的電路設計。</p><p>　?。?）主持人給選手打分電路與選手得分累計顯示電路設計。</p><p>　　3、必答電路設計具體要求：</p><p>　?。?）30秒必答倒計時電路設計。</p><p>　?。?）超時短暫報警。</p><p

3、>　　第 1 章 電路設計簡介</p><p>　　1 原理電路設計：</p><p>　　1.1 電路總體工作框圖</p><p>　　圖1：課程設計的總體框圖</p><p>　　整個電路框圖如上圖所示，主要可分為三個部分，第一部分為四路選手搶搭電路，這部分電路主要采用了四個74LS595來實現(xiàn)四位選手僅選可選通一路的功能實現(xiàn)，

4、并結合使用多個四路與非門(即74LS10)來實現(xiàn)其對計時電路的控制。第二部分為計時電路，其通過兩個級聯(lián)的74LS161與555定時器來實現(xiàn)計時功能，并通過其對于聲音警示電路控制。第三部分為選手計分電路，需用了可加可減的74LS192來實現(xiàn)對于選手的加減積分功能。整個電路在學校提供的開發(fā)板上，其中所需使用的LED燈、按鈕按照開發(fā)板作相應的調整。</p><p>　　第 2 章 硬件電路的組成</p>

5、<p><b>　　電路工作原理</b></p><p>　　當?shù)谝晃贿x手按下按鈕，74LS373鎖存器構成的選通電路就會將低電平傳至二極管led的負極，此時若有其他選手再按下按鈕，其會導致74LS373處于鎖存數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而使已經(jīng)亮的小燈不會受到其他選手按鈕的影響，另一方面已經(jīng)選通一路會通過鎖存器阻止其他路數(shù)據(jù)的傳入。另一方面四位按鈕通過控制74LS161來實現(xiàn)對計時電路的控制

6、，以使得當有選手按下按鈕時計時才開始。</p><p>　　計時電路由兩個異步清零的模十計數(shù)器構成，對其清零通過對于其清零端與使能端置低電平完成，而兩位已內置好74LS48的數(shù)碼管通過與74LS161的輸出管腳來實現(xiàn)時間的顯示。因為電路要求30秒計時，所以使用計時十位的74LS161的低兩位作為是否到達30s的判斷信號，當Q1、Q0均為1的時候就是到達30s，此時通過與非門輸出來控制揚聲器以及停止計時。</

7、p><p>　　選手計分電路通過使用可加可減的74LS192來完成，當其5管腳為上升沿是，其數(shù)值加一；而當4管腳為上升沿時，其數(shù)值減一。而上升的產生則通過使用電源、地與一個按鈕完成。選手分數(shù)的顯示通過使74LS192的輸出管腳與已內置好74LS48的數(shù)碼管相連來完成。</p><p>　　總體電路的設計思路如上，后期搭建電路過程中依據(jù)實際情況做了小幅調整，當整體思路未變。</p>

8、<p>　　1.1總體電路原理圖如下:</p><p>　　圖2：電路工作原理圖</p><p>　　2 單元電路設計及芯片簡介</p><p>　　2.1 搶答器控制電路設計</p><p>　　搶答器控制電路是搶答器設計的關鍵，它要完成以下三項功能：</p><p>　?。?）當參賽選手按動搶答鍵時，

9、燈泡發(fā)光，并顯示相應的組號，搶答電路封鎖和定時電路開始工作。 </p><p>　?。?）當設定的答題時間到，答題人不準再答題并且將按鈕彈上。</p><p>　　圖3：搶答器控制電路</p><p>　　74LS373簡介：</p><p>　　圖4：74LS373資料</p><p><b>　

10、　概括起來：</b></p><p>　　(1)：1與11管腳均置低時，74LS373起到所存數(shù)據(jù)作用，保存內部數(shù)據(jù)組織外部數(shù)據(jù)的進入。</p><p>　　(2)：當1管腳置低，11管腳置高時，74LS373會將輸入端的數(shù)據(jù)傳至輸出端。</p><p>　　而我就是使用74LS373這兩種工作功能的轉換來實現(xiàn)四路選一的搶答功能</p>&

11、lt;p>　　2.2 計時電路設計</p><p><b>　　2.2.1顯示部分</b></p><p>　　計時電路由兩個異步清零的模十計數(shù)器構成，通過低位Q3、Q1的與或門產生低電平，并且用此低電平作為自身個位的清零信號以及下一位十位的計數(shù)信號。</p><p>　　對其清零通過對于其清零端與使能端置低電平完成，而兩位已內置好74L

12、S48的數(shù)碼管通過與74LS161的輸出管腳來實現(xiàn)時間的顯示。在顯示電路中還有一些與非，這些與非門是用于實現(xiàn)對30s的控制，計數(shù)的開始、清零，報警聲音的產生與主持人復位電路的實現(xiàn)。</p><p><b>　　圖5：計時電路</b></p><p>　　圖6：74LS161資料</p><p><b>　　2.2.2計時部分</

13、b></p><p>　　由555定時器產生時間脈沖，參賽選手按動搶答鍵時，即出現(xiàn)正脈沖，定時時間15S，當?shù)谝淮纬霈F(xiàn)低電平時燈泡熄滅，表示答題時間到，然后主持人即可按復位。</p><p>　　圖7:555定時電路</p><p>　　它基本原理是，由于電容C的兩端的電壓不能突變，定時器的2端電壓低觸發(fā)端為低電平，輸出端3為高電平。電源經(jīng)過R1、R2給電容C

14、充電，當電容的電壓充到電源電壓的2/3時，555內部的MOS管導通，輸出為低電平。接著電容通過R2和已經(jīng)導通的MOS管放電，當電容的兩端電壓下降到低于1/3的電源電壓時，MOS管截止電容放電停止，此時電源通過R1、R2再次向電容充電，如此反復，形成震蕩，從而在3端得到時鐘脈沖源輸出，根據(jù)公式：</p><p>　　周期T=（R1+2R2）×C×ln2=0.7（R1+2R2）C 。</p&

15、gt;<p>　　高電平：ＴＷ１＝0.7（R1+R2）C＝１Ｓ</p><p>　　?。篟20=1k (實際因找不到1k的，所以選用1.2k)</p><p><b>　　R7=71k </b></p><p><b>　　C4=0.01Uf</b></p><p><b&

16、gt;　　C3=10uF</b></p><p>　　2.3 選手計分電路設計</p><p>　　選手計分電路通過使用可加可減的74LS192來完成，當其5管腳為上升沿是，其數(shù)值加一；而當4管腳為上升沿時，其數(shù)值減一。而上升的產生則通過使用電源、地與一個按鈕完成。選手分數(shù)的顯示通過使74LS192的輸出管腳與已內置好74LS48的數(shù)碼管相連來完成。具體來說管腳9、10、1、1

17、5四管腳懸空，3、2、6、7四個管腳與數(shù)碼管的Qa、Qb、Qc、Qd相連，清零端置高，載入數(shù)據(jù)端置低。</p><p><b>　　圖8:選手積分電路</b></p><p>　　圖9：74LS192資料</p><p>　　從真值表中我們可以看出其計數(shù)脈沖為上升沿有效，對于4、5管腳的脈沖依次會產生減數(shù)、加數(shù)功能，而Load端口可以將預設值傳

18、入輸出端口。而Clear作為清零端口，低電平有效。</p><p>　　第 3 章 硬件電路的調試</p><p><b>　　1. 仿真軟件簡介</b></p><p>　　Proteus 是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的

19、特點是：</p><p>　?、賹崿F(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。</p><p>　?、谥С种髁鲉纹瑱C系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：ARM7(LPC21xx)、 8051/52系

20、列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多種外圍芯片。</p><p>　?、厶峁┸浖{試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如Keil C51 uVision2、MPLAB等軟件。</p><p>　　④具有強大的原理圖

21、繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。</p><p>　　proteus6.5是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具,真的很不錯。可以仿真51系列、AVR,PIC等常用的MCU及其外圍電路（如LCD,RAM,ROM,鍵盤,馬達,LED,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件,...）</p><p>　　其實proteus 與 multis

22、im比較類似,只不過它可以仿真MCU！</p><p>　　當然,軟件仿真精度有限,而且不可能所有的器件都找得到相應的仿真模型,用開發(fā)板和仿真器當然是最好選擇,可是估計初學者有的可能性比較小吧？</p><p>　　如果你在學51單片機,如果你想自己動手做做LCD,LED,AD/DA,直流馬達,SPI,IIC,鍵盤,...的小實驗的話,試一下吧,不會讓你失望的！</p>&l

23、t;p>　　用51不管你是用匯編或是C編程當然要用keil啦（那個medwin實在不怎么樣~）,uvisoin3有不少新特性呢！</p><p>　　使用keil c51 v7.20 + proteus 6.5 可以像使用仿真器一樣調試程序,一般而言,微機實驗中用萬利仿真器+電工系自己做的實驗板的實驗都可以做得到吧！</p><p><b>　　仿真結果：</b>

24、;</p><p><b>　　2. 電路調試過程</b></p><p><b>　　整機電路安裝、調試</b></p><p><b>　　（1）安裝</b></p><p>　　因為設計電路圖時，為將芯片個數(shù)考慮進去，所以該設計方案用到了較多的芯片，而開發(fā)板上僅僅提供了1

25、4個槽位，所以我安裝的思路是小模塊安裝在面包板上，主模塊安裝在開發(fā)板上，兩者相連的與非門、非門都安裝在開發(fā)板上。</p><p>　　在安裝前先要測試一下開發(fā)板上數(shù)碼管的好壞，采用將數(shù)碼管的四個管教全部接高電平的方法，觀察數(shù)碼管是會否顯示為8，如果是則數(shù)碼管是好的，反之則數(shù)碼管壞了。</p><p>　　安裝調試的先后順序如下，先安裝選手積分電路部分，原因在于此電路與其他電路相對獨立，可以

26、將電路搭在面包板上，這樣就只需與開發(fā)板連接電源就可以使用，既方便調試又可使連線清楚。</p><p>　　然后搭建555計時器電路，其是計時電路的基礎。先使用1.2K、50K、21K的電阻，0.01uF、10uF電容搭建于面包板上。而后搭建由兩個74LS192構成的計時電路，先讓其與555定時器相連可以顯示數(shù)字0~30s的變化，而后再接周邊的幾個與非門，實現(xiàn)清零、報警、復位功能。這樣逐步進行搭建可以較快發(fā)現(xiàn)并改正

27、搭建過程中產生的問題。</p><p>　　最后安裝選手搶答電路，之所以將這部分內容放在最后，其一在于其功能的測試需要通過計時電路才能實現(xiàn)，其二在于選手搶答電路所需芯片較多，電路接法最為復雜，在前面電路接完后，把握會比較大。</p><p>　　最后部分選用搭建四路中的一路，先將一路的功能實現(xiàn)，余下的三路就好搭建的多了。選手搶答電路四路具有極大的相似性，且芯片管腳的利用率也較低，接線方便。

28、</p><p><b>　?。?）調試</b></p><p>　　1.選手積分電路調試</p><p>　　選手積分電路設計上要實現(xiàn)對于選手加減分功能，但在實際使用中出現(xiàn)了一種情況，按下按鈕會使計數(shù)一次加二或一次減二。進過分析，我覺得這是因為我使用的是按鈕中的鐵片抖動造成的，我想通過RS觸發(fā)器來搭建個防抖動電路，來消除抖動造成的連續(xù)加數(shù)。&

29、lt;/p><p><b>　　2.計時電路調試</b></p><p>　　在搭建過程中，發(fā)現(xiàn)74LS192的1與15管腳不需相連，相連后回造成進位問題；并且在數(shù)值由19向20進位的時候會出現(xiàn)問題，進位后并不顯示20，顯示出10，但是由9進位為10的時候并未發(fā)生問題，這個問題當時并未得到解決。第二天其自動好了。</p><p>　　在使用十位的低

30、兩位作為停止計時與報警的輸入信號，發(fā)現(xiàn)一個與非門連出兩條線無法實現(xiàn)，可能是因為電流不足，無法驅動其兩個功能的電路，所以我采用了兩個與非門分別實現(xiàn)。</p><p>　　3.選手搶答電路調試</p><p>　　選手搶答電路設定使用的是共陽極的數(shù)碼管，但是開發(fā)板上使用的共陰極數(shù)碼管，所以我在此使用了四路反相器來使設計圖與開發(fā)板情況相同。</p><p><b&g

31、t;　　3. 總結</b></p><p>　　本電路使用了74LS373鎖存器，74LS48編碼器，555定時器,譯碼器數(shù)碼管等構成搶答電路，倒計時電路。還使用了74ls192等電路實現(xiàn)計分功能，并利用使能端與一些門電路，實現(xiàn)各項鎖存，鳴叫，清零等功能，總結如下：</p><p>　　優(yōu)點：電路功能原理清晰，各項功能均達到了要求；電路各部分獨立性較好，連線方便，便于尋錯糾錯，

32、基本滿足了普通競賽的搶答要求。</p><p>　　缺點：1.在主持人清零前，選手不需要先將按鈕彈回，否則主持人無法進行清零。2.在電路采用的是順計時，即計0到30，而非倒計時。3.選手使用的是非自動上彈型按鈕。 </p><p><b>　　第4章 結束語</b></p><p><b>　　1 設計體會</b>&l

33、t;/p><p>　　此次為期5天的數(shù)電課程設計，將理論與實踐有機地結合，既考查了同學對理論知識的掌握程度，由反映了實際動手能力，更主要的是考查了同學對知識的綜合運用以及創(chuàng)新設計思維能力，為今后的發(fā)展提供了一次良好的學習環(huán)境。</p><p>　　針對課設題目四路搶答器，一開始還沒有頭緒，不會運用所學知識進行有效設計，但通過上網(wǎng)查閱各種類似的設計，去圖書館翻閱相關設計書籍，查閱所提供的芯片功能

34、，確定基本設計方案，又通過仿真驗證試驗方案的可實行性，雖說比較煩雜但卻對設計一個電路有了基本的經(jīng)驗。同時也使自己認識到：</p><p>　　設計思路是整個設計的靈魂</p><p>　　拿下每個課題能有一個非常清晰的設計思路是至關重要的。只有對課題的充分理解，對各種器件的熟練掌握，勾畫出基本的設計圖是成功的關鍵，，必須多花時間在設計上才能為后續(xù)工作提供更扎實的基礎。翻閱各種資料，上網(wǎng)查詢

35、填補所需知識的空白是必要的。此次電路圖的設計我先是在Protues設計，設計的思路：1.盡量使用老師在清單表上給定的芯片。2.使用鎖存器類芯片實現(xiàn)四路選一功能。3.精良是各個模塊相互分離。</p><p>　　設計必須要與實際實現(xiàn)的硬件環(huán)境相結合</p><p>　　設計時使用Protues進行仿真的結果與實際搭建結果有異：1.實物上的數(shù)碼管極性，按鈕類型與仿真上的不盡相同。2.有些功能在

36、仿真上可以實現(xiàn)，在實物上則不行，這并不是源于接線錯誤。而是方針與實物之間是有差異的。以后在設計時，應首先考慮硬件。</p><p><b>　　調試電路</b></p><p>　　調試工作是個精細工作。在調試過程中，有些問題是芯片本身損壞引起的，也有些是因為焊接問題引起的等因此排查過程需要特別有耐心，通過對芯片功能的檢驗，當最后解決問題時，電路的正確是非常振奮，也很

37、有成就感和滿足感。</p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　1、閻石.數(shù)字電子技術基礎.北京：高等教育出版社，1989</p><p>　　2、張乃國.電子測量.北京：人民郵電出版社，1985</p><p>　　3、彭介華.電子技術課程設計指導.北京：高等教育出版社，1997</p&g