数字电路设计简易八路抢答器制作.doc

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1、兰州理工大学数字电子技术课程设计说明书电子技术综合训练设计报告题目： 简易抢答器制作 姓名： 学号： 班级： 同组成员： 指导教师： 日期： 兰州理工大学数字电子技术课程设计说明书电子技术综合训练任务书2 2011 年 春 季学期学 生 姓 名学 号5专 业 方 向班 级题 目 名 称简易抢答器制作一、设计内容及技术要求：设计并制作一个简易数字抢答器，基本要求：1、抢答组数分为八组，序号分别为S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，优先抢答者按动本组按键，组号立即在LED显示器上显示，同时封锁其它组的按键信号。2、系统设置外部清除键，按动清除键，LED显示器自动清零灭灯。3、数字抢答器

2、定时为30S，启动开始键后，要求30S定时器开始工作，发光二极管点亮。4、抢答者在30S内进行抢答，抢答有效，如果30S定时到时，无抢答者，则本次抢答无效，系统短暂报警。5、电源：220V/50HZ的工频交流电供电； （注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。发挥部分：自行设计二、提交成果：1、设计报告2、作品3、电路原理图：要求提交两份，一份为CAD

3、/EDA软件绘制，另一份为手工绘制，图纸大小自定，但要符合标准，电路图绘制要规范。三、设计进度：1、时间：三周 2、进度安排：（1）第一周 选题，熟悉题目，分析要求，查找资料，选择方案，优化方案，确定原理方框图，单元电路设计，选择元器件；（2）第二周 进行电路仿真，确定电路原理图，画出电路原理图，购买元器件，焊接电路；（3）第三周 电路调试，电路测试，绘制电路原理图，完成设计报告，答辩。指导教师签字：- 23 -摘 要 八路数显抢答器的电路主要由五部分组成：数字抢答电路、译码显示电路、可预置时间的定时电路、报警电路以及秒脉冲产生电路。其中数字抢答电路包括了编码电路和锁存电路，实现了对信号编码和

4、锁存的功能，防止二次抢答；译码显示电路能将抢答到的选手编号直观地显示出来；在定时电路中，主持人可通过时间预设开关预设供抢答的时间，且系统将完成自动倒计时；报警电路则起到声报警功能，当在规定的时间内无人抢答时，系统中的蜂鸣器将发出警报声，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能；秒脉冲产生电路用于为定时电路提供一个频率为1Hz的标准时钟信号。该抢答器不仅具有智能化的特点，同时采用数字式显示很直观。 关键词：抢答器 编码 锁存目 录一、 设计任务与要求4 二、 方案设计选择5三、 部分电路工作原理6四、 总体电路设计71. 抢答器电路72. 定时电路103. 报警电路114. 时序控制电路11五、 实

5、验器材清单12六、 总电路原理图13七、 课程设计总结14八、 参考文献15一、设计任务与要求 1. 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0S7表示。2. 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3. 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。4. 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。5. 参赛选手在设

6、定的时间内进行抢答，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除为止。6. 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。二 方案设计选择 2.1 基于单片机AT89S52的抢答器硬件设计2.1.1硬件部分设计原理AT89S52的各引脚功能情况为：P1口(P1.0P1.7)8个引脚，P1.7为最高位， P1.0为最低位。在AT89S52不带片外存储器时，P1口可作为通用I /O口使用， P1.0P1.7用于传送CPU的输入/输出数据。这时输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器。输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入

7、的可靠性；P37引脚外接电阻、放大管以及扬声器；RST复位线，外接电容、电阻。使AT89S52处于复位工作状态；TXD：串行口数据发送；RXD：串行口数据接收；XMT1和XMT2外接石英晶体和微调电容，为片内振荡电路输入线，用来连接AT89S52片内OSC的定时反馈网络；INT0/INT1：外部中断0 /1输入；T/C1、T/C0 :定时器/计数器I /O的外部输入。2.1.2 软件部分设计原理根据本文的电路求出要显示不同路数的数字所需的编码，将它们存在一个表中待用时取出。8路抢答输入信号由8个按键控制，程序一直判断是否有按键按下，若没有按键按下则循环判断；直到有按键按下后，立即把通过按键输入

8、的信号储存起来然后对8路输入信号进行逐位扫描判断，最后根据扫描结果转入查表程序取数并通过数码管显示输出结果，同时发光二极管亮起,表示抢答成功。2.1.3 优缺点使用单片机设计抢答器，成本低，易控制，但硬件设计和软件编程比较复杂，我们尚不具备此项技能。2.2基于FPGA的抢答器硬件设计2.2.1设计原理抢答器结构简图如图1所示：1、FPGA 最小系统电路：FPGA 正常工作时的基本电路，由时钟和复位电路组成。2、键盘输入电路：用33 矩阵键盘组成3 个组共9 个人的抢答按钮。同时包括Start, Add, Sub 三个由主持人控制的单独按钮。3、显示模块：用移位寄存器74HC164 驱动4 位共

9、阴数码管显示；数码管要显示的数据通过74HC164 串行数据端口输入。4、报警及相关信息显示：蜂鸣器电路和LED 灯显示相关状态信息指示电路。2.2.2优缺点使用FPGA设计抢答器使电路高度集成，运行速度快。但成本较高，编程复杂。2.3 基于74系列集成电路的抢答器设计2.3.1设计原理总体方框图如图2所示：图2 抢答器原理框图电路分为主体电路和拓展电路。主体电路完成基本强大功能，即开始抢答当选手按抢答按钮时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路。拓展电路完成定时抢答功能。2.3.2优缺点该电路设计较为复杂，但原理简单，思路明确，而且价格便宜。其中所用的元件正好是我们在本学期学过的，可以让我们

10、进一步熟悉其功能。经过综合分析，我决定使用第三种方案作为我的设计方案。三、部分电路工作原理1.开关阵列电路 该电路由多路开关所组成，供抢答着使用，每一抢答者与一个开关相对应（开关S0S7的代号分别是8、1、2、6、7，即抢答着的组号，便于主持人看到显示器上的数字后，能准确宣布谁是优先抢答者）。开关应为常开型，当按下开关时，开关闭合；当松开开关时，开关自动弹出断开。2触发锁存电路当某一开关被按下时，触发锁存的电路被触发，在输出端产生相应的开关电平信息。同时为了防止其它开关随后触发而产生紊乱，让最先产生的输出电平返回来将触发锁存器的电路锁定。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题

11、，结果只能是它们中的任一个产生有效输出，任然达到了优先判断的效果。3数码显示器数码管通常有发光二极管（ LED ）数码管和液晶（ LCD ）数码管。本设计提供的为 LED 数码管，如图4所示。它显示最先抢答者的相应的代号，方便主持人宣布最先抢答者。 LED显示器四、总体电路设计1.抢答器电路抢答器电路如图所示。该电路完成两个功能：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；二是禁止其他选手按键操作无效。工作过程：开关S置于“清除”端时，RS触发器的端均为0，5个触发器输出置0，使74LS148的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

12、，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出,经RS锁存后,2Q=1,74LS48处于工作状态，5Q4Q3Q=101，且1Q=0，则经译码显示为“5”。此外，2Q，使74LS148的，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的此时由于仍有2Q，使，所以74LS148仍处于禁止状态，确保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开关重新置于“清除”然后再进行下一轮抢答。若按下S0，经RS锁存器后，1Q=1，74LS148的输出,经RS锁存后,2Q=1,74LS48处于工作状态，5Q4Q3Q=000，且1Q=1,所以经译码显示

13、为“8”。保证抢答者的优先性与上述类似。优先判决器优先判决器主要是由74LS148集成优先编码器等组成。该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端，选通输入端，选通输出端和扩展端。其功能表如表2所示。从功能表中可以看出当“0”时，编码器工作，而当“1”时，则不论8个输入端为何种状态，输出端均为“1”，且端和端为“1”，编码器处于非工作状态,这种情况被称为输入低电平有效。优先编码器74LS148功能表锁存器SR锁存器是该设计中保证多个开关先后触发而不发生紊乱的重要部分。用与非门组成的SR锁存器的特性表 Q11001111010101111001101100010011译码器设计中选用的译码器型

14、号是74LS48（共阴），其引脚排列如图所示，其中、 BCD码输入端，、 译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。 测灯输入端，“0”时，译码输出全为“1”，数码管七段同时电亮，以检查数码管各段能否正常发光。 灭灯输入端，“0”时，译码输出全为“0”。 作为输出端使用时，称灭“0”输出端，在A=B=C=D=0时，而且 =0时，才会输出低电平，表示译码器把不希望显示的零熄灭了。熄零输入端。用来熄灭不希望显示的零。74LS48的引脚排列图数码显示器LED数码管是目前最常用的数字显示器，它分为共阴管和共阳管。在此只对共阴管作介绍，其电路和出线形式的引出脚如图7所示。一个LED数码管可

15、用来显示一位09十进制数和一个小数点。小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为22.5V，每个发光二极管的点亮电流在510mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。 LED数码管2.定时电路由节目主持人根据抢答题的难易程度，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。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计。 3.报警电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图所示

16、。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo143（RI2R2）C，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，电路停振。 4.时序控制电路时序控制电路功能： 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抢答工作状态。 当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。 当设定的抢答时间到，无人抢答，扬声器发声，同时抢答器和定时电路停止工作。1.4.5直流电源设计5V1.5整体电路设计及工作原理整体电路如图7所示图7 整体电路图各单元电路的工作原理以在前文讲过，此处不再赘述。整体电路分为抢答电路，定时电路，报警电

17、路，脉冲发生电路。抢答电路完成基本的抢答功能，采用74ls148进行编码，74ls279进行锁存。定时电路采用74ls192，接成减数计数。报警电路用555芯片接成多谐振荡器，它的控制信号为定时电路高位片的借位信号。脉冲发生电路也用555芯片接成多谐振荡器，频率为1HZ。1.6主要参数计算脉冲发生电路： （公式1） 取：K K 得：10报警电路: 取：K K得：101.71Hz发生器2电路的仿真2.1 抢答电路的仿真抢答电路的仿真如图8所示：图8 抢答电路仿真图此电路在仿真过程中需要注意在七段数码管和7448之间加上拉电阻，否则七段数码管无法显示。其他功能满足要求。开关接地时灭灯，开关打开时开

18、始抢答。当有一队抢答后，其他队伍抢答无效，满足设计要求。2.2 定时电路的仿真定时电路仿真图如图9所示：图9 定时电路仿真图开关闭合时置数30，开关打开时开始倒数计时，到00后停止，满足设计要求。电路中加入了一个非门，是为了让抢答后，计数立即停止，不会因为脉冲多计一个数。2.3 脉冲发生电路的仿真脉冲发生电路仿真图如图10所示：图10 脉冲发生电路仿真图为了便于仿真，我将电阻的参数改小，以便让仿真软件能够仿真出波形，波形图如图11所示：图11 仿真波形2.4 报警电路的仿真报警电路的仿真如图12所示：图12 报警电路仿真图图中4号端可以控制报警电路的开关，条形管显示报警声的大小。3性能测试数据

19、3.1 抢答电路主持人开关接地时灭灯，开关打开时可以抢答。第一个队伍抢答后，其余队伍抢答无效。3.2 定时电路开关闭合时置数30，开关打开时开始倒数计时，到00后停止。3.3 脉冲发生电路能产生频率为1HZ的方波。3.4 报警电路当计时停止时，能产生频率为4KHZ的报警声，并能被主持人的开关控制。3.5 综合分析电路基本上能满足要求，此次设计成功。但此电路只是在仿真上成功，在实际制作时可能还会遇到其他问题，需要进一步解决。4、电路安装、调试与测试4.1电路安装在整体电路进行和单元电路仿真充分验证后，列出元件清单，购买元器件开始安装。该设计是在万能试验板上进行安装的，根据元器件的布局，首先对器件

20、的整体布局做了一个策划，基本根据两个原则，纵向按照相同功能模块归类的方法将电路划分为几个板块，横向是按照信号的流向排布的。这样做可以使信号线的摆布更加整齐，思路更清晰，不至于焊接过程中发生漏接和重接的情况，另外使的调试也相对容易的多。 4.2电路调试及测试主要仪器： 示波器、万用表调试电路的方法和技巧：首先，断电后进行通路测试，看各高低电平连接是否正常，是不是有虚焊。接下来，对所连接电路与仿真图进行初步的对照，看是不是有链接错误。随后通电对电路进行检查，看是否正常。如果不正常，对芯片进行每根引脚的检查，检查引脚高低电平时否与逻辑正常。 电路的调试应该是整个过程中最为艰难的部分了。焊接的过程是按

21、照模块逐步完成的，每完成一个模块就对信号进行测试，在保证前面电路工作正常的基础上才进行下一个模块的焊接。五 主要芯片参数4.1 74LS192引脚排列及功能表 CRLDCPUCPD功能1xxx清零01xx置数0111加计数器0111减计数器 图4-3 74LS192引脚排列 图13 表14.2 74LS279引脚排列 图144.3 74LS48引脚排列及功能表 图15 表4-2 74LS148功能表表24.4 74LS148引脚排列及功能表 图17表34.5 555定时器引脚排列 图18六 见附录A2纸七 课程设计总结心得体会在这周我们学会了很多。特别是课堂上学不到东西。在这里我们第一次真正的

22、把学的东西转变成了电子产品。知道了团队合精神的重要性，第一次知道了手中的电烙铁，手中的导线是有生命的。 通过这次设计，我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。在这次设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。 在此要感谢我的指导老师，感谢老师给我这样的机会锻炼。在整个设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。 。呵呵，谢谢老师。八 参考文献毕满清.电子技术实验与课程设计第三版.机械工业出版社，2005 杨文霞，孙青林.数字逻辑电路.科学出版社，2007阎石.数字电子计数基础.高等教育出版社，1998孙梅生.电子技术基础课程设计.高等教育出版社，2005附录-元件清单- 29 -