电子抢答器——数电课程设计培训资料.doc

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 电路设计简介
1 原理电路设计：
1.1 电路总体工作框图

四路
选手
抢搭
按钮
四路
锁存抢答电路
开关计时电路
数码管显示
555定时器
主持人按钮
声音警示电路
选手积分电路

图1：课程设计的总体框图

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 硬件电路的组成
1 电路工作原理
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:

图2：电路工作原理图

2 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

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)：当1管脚置低，11管脚置高时，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。

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。

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。

图8:选手积分电路

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，如Keil C51 uVision2、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！

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。

（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。

第4章 结束语

1 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。

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

附录A 元器件清单

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

1
两输入与非门
74LS00
1
三输入与非门
74LS11
2

附录B 电路总原理图