四人智力抢答器课程设计报告.doc
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数字电子技术课程设计报告 设计课题: 四人智力竞赛抢答器 学 院: 专 业: 电子信息工程 班 级: 2010级电信(1)班 姓 名: 学 号: 日 期 2012年 12月9日——2012年12月23日 指导教师: 摘 要 在各种智力竞赛场合,抢答器是必不可少的最公正的用具。 通过本学年的《数字电路技术》的学习我们知道了它的原理其实是比较简单的,主要就是通过四D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统控制选手的抢答情况,再通过逻辑电路将输入开关、脉冲及输出LED灯、数码管和扬声器连接起来即可。 电路由主体电路和扩展电路两部分组成,主体电路主要由74LS175,即4D触发器来构成抢答锁存器,由主持人来控制74LS175的清零端。当清零端为高电平“1”时,选手开始抢答,最先按键的选手相应的LED发光二极管发光,并且扬声器发出声音,同时,由4个Q及门电路组成的锁存电路来控制其他选手再按键时不再起作用。 扩展电路主要包括秒脉冲发生电路和定时电路,并且在设计中加入了报警电路,以提示选手和观众。 经Proteus仿真软件验证抢答器原理图无误,可实现设计所要求功能。 关键词:四人智力竞赛抢答器、74LS175、脉冲、锁存器 目 录 1 设计任务及要求 ..................................................................................1 2 比较和选定设计的系统方案、画出系统框图 ..................................1 2.1 方案比较 .....................................................................................1 2.2 系统框图 .....................................................................................3 3单元电路设计、参数计算和器件选择 ...............................................3 3.1抢答电路设 .................................................................................3 3.2 定时电路设计 ............................................................................6 3.3报警电路设计 .............................................................................9 4完整的电路图及电路的工作原理 ......................................................10 4.1完整电路图 ................................................................................10 4.2 工作原理..............................................................................11 5经验体会 ..............................................................................................12 参考文献 ..........................................................................................12 附录A:系统电路原理图......................................................................13 附录B:元器件清单 ............................................................................14 四人智力竞赛抢答器 1 设计任务及要求 (1)设计一个供四人参赛的抢答器,能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者,稍后的其他人按下开关则无效。抢答器具有显示功能,即选手按动按钮,相应的LED发光二极管发光,同时扬声器发出声音。 (2)主持人没有宣布抢答开始时,抢答不起作用。主持人宣布抢答开始时,按“开始”键,抢答开始,同时启动计时器计时; (3)计时器计时采用倒计数的方式,以加强现场气氛,增加紧迫感。若预定时间内无人抢答,自动给出信号停止抢答,以免冷场。倒计数 定时器的时间可以随意预置;电路具有回答问题时间控制功能,要求回答时间小于等于100秒(显示为99到0),当达到限定时间时,发出声响以示警告。 2 比较和选定设计的系统方案、画出系统框图 2.1 方案比较 方案一:电路大致可以由四个功能模块组成:以锁存器为中心的编码显示电路部分,脉冲产生电路部分,倒计时显示电路部分,音响电路部分。在锁存器为中心的编码显示电路部分中,由锁存器74LS373,四选一数据选择器74LS153,显示器,LED发光二极管和门电路组成。使用74LS373作为锁存电路,当有人抢答时, 利用锁存器的输出信号号将时钟脉冲置零,74LS373立即被锁存,同时蜂鸣器鸣叫0.5s,这时抢答无效,使用74LS153作为数据选择器,对输入的型号进行选择,使选手对应的LED发光二极管发光,同时扬声器发出声音;在脉冲产生电路部分中,用石英晶体振荡器予以实现,由于石英晶体的稳定性和精确性比较高,所以用其产生的脉冲信号更加稳定,同时在显示更能接近预定的值,受外界环境的干扰较少;在倒计时显示电路部分中,由计数器74LS190,显示器组成。利用74LS190计数器作为倒计时的芯片,当主持人按下抢答按钮时,74LS190被置九,同时将显示上次抢到题目的选手的LED灯灭掉,并开始倒计时,并通过74LS48编码器将即时时间进行编码,并送到数码管,显示此时的时间。假如在9秒内有人抢答,则计数器停止倒计时,将锁存器锁存,禁止选手抢答,蜂鸣器鸣叫一秒,停止倒计时。在音响电路部分中,由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器,产生所需要的脉冲,然后接入蜂鸣器构成。 方案二:电路大致可以由四个功能模块组成:以四D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统电路部分,脉冲产生电路部分,倒计时显示电路部分,报警电路部分。在4D触发器构成的抢答锁存器中,由主持人来控制74LS175的清零端。当清零端为高电平“1”时,选手开始抢答,最先按键的选手相应的LED发光二极管发光,并且扬声器发出声音,同时,由4个非Q及门电路组成的锁存电路来控制其他选手再按键时不再起作用,这时抢答无效。 在脉冲产生电路部分中,用555定时器予以实现,通过调节电阻的阻值最后得到符合要求的脉冲,因为可以通过改变电阻电容微调频率,取代了用分频器对高频信号进行分频,从而使电路简单了。 在倒计时显示电路部分中,由计数器74LS192,数码管显示器组成。利用74LS192计数器作为倒计时的芯片,当主持人按下抢答按钮时,74LS192被置初始值,抢搭时间开始倒计时,并通过74LS48编码器将即时时间进行编码,并送到数码管,显示此时的时间。假如在规定时间内无人抢答,即抢答时间为0时,则计数器停止倒计时,将锁存器锁存,禁止选手抢答,抢答时间数码管显示为0,蜂鸣器鸣叫一秒;假如在规定时间内有人抢答,则计数器停止倒计时,将锁存器锁存,禁止选手抢答,抢答时间停止倒计时,蜂鸣器鸣叫0.5秒,与此同时,回答时间开始倒计时,并通过74LS48编码器将即时时间进行编码,并送到数码管,显示此时的时间,若规定时间内选手没有回答完,则计数器停止倒计时,回答时间数码管显示为0,蜂鸣器鸣叫一秒。 在报警电路部分中,由555定时器和电阻电容接合成单稳态电路,产生所需要的脉冲,然后接入蜂鸣器构成。 选择结果:方案二。原因:虽然用555定时器构成的多谐振荡器的稳定性和精确性没有石英晶体振荡器高,但由于后者设计方便,操作简单,成为了设计时的首选。 2.2 系统框图 抢答按钮 LED显示电路 抢答控制电路 主持人控制开关 秒脉冲产生电路 计时控制电路 报警电路 数码管显示时间 图1 四人智力抢答器方案二设计框图 3单元电路设计、参数计算和器件选择 3.1 抢答电路设计 抢答电路的功能有两个:一是能分辨出选手按按钮的先后,并锁存优先抢答者的编号,用LED发光二级管显示表示;二是要使其他选手的按钮操作无效。因此,选用四D触发器74LS175、四输入端与非门74LS20和六组反相器74LS04以及LED灯显示电路完成上述功能。 74LS175是常用的四上升沿D触发器集成电路,里面含有4组d触发器,可以用来构成寄存器,抢答器等功能部件。当清除端MR为低电平时,输出端Q为低电平。在时钟CP上升沿作用下,Q与数据端D相一致。当CP为高电平或低电平时,D对Q没影响。其引脚图及真值表如下图所示。 图2 74LS175的引脚图 表1 74LS175真值表 根据各芯片功能及抢答器的功能要求,抢答器电路如下所示 ① ② ③ ④ 图3 抢答器电路 工作原理:图三四个按钮为四位选手的抢答开关,单刀开关为主持人控制开关。当主持人控制开关置于清零状态,即闭合时,清除端MR为低电平,输出端Q为低电平,于是LED灯灭,此时抢答电路不工作。当主持人控制开关置于开始状态,MR为高电平,74LS175的Q经四输入与非门(U3:A)输出接入到抢答按钮左边的公共端,按钮右边经反相器接到74LS175的输入端D,并且同时接到四输入与非门(U3:B),再经两个反相器延时接到74LS175的时钟CLK端,抢答器处于等待工作状态。 若有选手(假设为1号选手)按动抢答开关(即按下按钮①瞬间),此时74LS175的输入端D0为高电平,74LS175的时钟CLK由低电平变为高电平,在上升沿的作用下,输出端Q0与输入端D0一致,即为高电平,1号对应的LED灯亮。同时,由于Q0为低电平,与非门(U3:A)输出为高电平,将按钮的公共端变为高电平,若此时按钮①还处于闭合状态,则与非门(U3:B)输出为低电平,使CLK变为低电平,此时74LS175处于禁止工作状态,其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。答题结束后,主持人开关置于清零状态,LED灯灭,一但恢复初始状态,以便进入下一轮抢答环节。 3.2 定时电路设计 设计要求抢答器具有定时功能,且节目主持人根据抢答题的难易程度,可设定一次抢答的时间(设为10s)和回答的时间(设为60秒)。设计中选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计,74LS192是具有置数和清零功能,其引脚图和逻辑图如图4所示,功能表如表2所示。 图4 74LS192引脚图和逻辑图 P0、P1、P2、P3——置数并行数据输入; Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出; MR————————清零端; PL————————置数端; CPu ———————加法计数CP输入; CPd ———————减法计数CP输入; TCu ———————进位输出端; TCd ———————借位输出端。 表2 74LS192功能表 根据设计要求,需要两片74LS192构成100进制减计数器。由功能真值表可知,只需将个位74LS192的借位输出端TCd与十位74LS192的CPd即可实现100进制减计数。值得注意的是,要使其实现减计数,CPu端口必须接高电平。本课程设计采用四片74LS192,其中两片控制抢答时间,另外两片控制回答时间。 计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。秒脉冲电路由555构成的多谐振荡器构成,如图5所示。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形波输出。 矩形波输出 图5 多谐振荡器 因为周期为一秒,所以频率是1赫兹。图中电容的充放电时间分别是: t1=R7×C2×ln2≈0.7(R7×C2) t2=(R6+R7)×C2×ln2≈0.7(R6+R7)C2 所以555的3端输出的频率为: f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2R6+R7)C2] 我们采用的电阻和电容值分别是:R6=15KΩ,R7=68KΩ,C2=10uf,满足上式,即得到的是秒脉冲。 由以上集成芯片设计的定时电路如图6所示。 图6 定时电路 工作原理:首先主持人根据题的难易程度改变拨码开关DSW1-4的状态,从而改变74LS192的输入端D3D2D1D0的电平来确定抢答时间(假定为10秒)和回答时间(假定为60秒),555构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。抢答开始前主持人闭合开关,74LS192的置数端PL为低电平有效,处于置数状态,数码管显示定时时间。抢答开始,主持人打开开关,抢答计数器处于计数状态,555产生的秒脉冲与十位74LS192借位输出端(其初始状态为高电平)以及抢答按钮公共端的反相信号相与。计数器递减计数至00,十位74LS192借位输出端为低电平,计数器停止工作,产生报警。计时期间有人抢答,抢答减计数器停止计时,抢答显示器上显示此刻时间,同时,回答计数器开始计数,当计数器递减计数至00,计数器停止工作,产生报警。 3.3报警电路设计 由555定时器和电阻电容构成的报警电路如图7所示。图中555定时器用来构成单稳态电路。 图7 具有微分环节的555单稳态电路 工作原理:由于外界触发脉冲ui加了进来,电路uo由低电平变为高电平到再次变为低电平这段时间就是暂稳态时间。暂稳态时间Tw计算如下: 显然,改变定时元件R或C即可改变延时时间Tw。我们采用的电阻和电容值分别是:R=91KΩ,C=10uf, 满足上式,来产生1秒的延时时间;和R=47KΩ,C=10uf,来产生0.5秒的延时时间。3端的输出信号接扬声器,发出报警信号,当计数器为0时,扬声器发出1秒的声音;当有选手抢答时,扬声器发出0.5秒的声音。 4完整的电路图及电路的工作原理 4.1完整电路图 通过控制电路将抢答、定时电路进行连接后,构成了抢答器电路的整体设计,总电路图如图8所示: 图8 总电路图 4.2 工作原理 下面介绍四路智力竞赛抢答器的使用原理。 首先是各个选手分别对应的按钮编号是①、②、③、④,抢答后选手对应的LED灯被点亮,扬声器发出0.5秒的响声。 然后是主持人对整个电路系统清零,将开关置于“清零”的位置,输出低电平,分为两路:一路与抢答计数器的十位74LS192借位输出端TCd相与后接到74LS175的清除端MR,当抢答计数器递减计数至00时,十位74LS192借位输出端为低电平,计数器停止工作,此时MR端为低电平,74LS175处于禁止工作状态,即实现预定时间内无人抢答,自动给出信号停止抢答,并产生报警;另一路低电平与四个计数器74LS192的PL端相连,使74LS192的置数端PL为低电平有效,处于置数状态,数码管显示定时时间。 接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间和回答时间,此设定可以通过调节四个拨码开关,从而改变输入四片74LS192的四个输入端D3、D2、D1、D0的高低电平来进行(例如要设定抢答时间为10秒,就将抢答计数器十位的74192的D3、D2、D1、D0分别置位为0、0、0、1,而将个位的74LS192的D3、D2、D1、D0都置于0;要设定回答时间为60秒,就将回答计数器十位的74192的D3、D2、D1、D0分别置位为0、1、1、0,而将个位的74LS192的D3、D2、D1、D0都置于0)。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后,输出为高电平,此高电平有两路方向:一路输出到抢答计数器74LS192的LD端,使其处于高电平而开始减计数;还有一路与抢答计数器的十位74LS192借位输出端TCd相与后接到74LS175的清除端MR,使其处于高电平而开始工作。 当任意一个选手抢答时,假设为①号选手按动抢答开关,此时74LS175的输入端D0为高电平,74LS175的时钟CLK由低电平变为高电平,在上升沿的作用下,输出端Q0与输入端D0一致,即为高电平,1号对应的LED灯亮,同时扬声器发出0.5秒的响声,并且电路将信号锁存,74LS175处于禁止工作状态,其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。答题结束后,主持人开关置于清零状态,LED灯灭,一但恢复初始状态,以便进入下一轮抢答环节。 若到定时部分抢答计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话,则抢答计数器十位74LS192的借位输出端TCd输出为低电平,停止计数,同时抢答不起作用,报警器报警。若有人抢答,定时部分回答计数器倒计时到00还未答完的话,报警器发出1秒报警声。 综上所述,所设计的电路基本可以实现要求中的功能。 5经验体会 通过本次课程设计,不仅有效巩固了本学期所学数电的相关知识,加强了对重要知识点的记忆和理解,还学会如何运用Protues仿真进行仿真,受益匪浅,首先,加深了我对数字电路知识的了解,尤其是数字芯片的性能和使用。其次,使我对数字电路设计更感兴趣,原来它是很奥秘的,一些电子功能可以通过组合各种各样的元器件,从而产生想要实现的功能,关键在于能够设计出符合要求的电路。再次,使我对课本知识得到巩固和加强,毕竟课本知识是抽象的,只有真正在实践中利用它,做到学以致用,才能加深对它的理解,所以设计出这个题目后,我发现以前对课本有疑问的地方都随着在课程设计中豁然开朗了。最后,加强了我思考和解决问题的能力。 通过本次实践操作,也让我深刻明白:只有将课本上的理论知识,结合实践不断练习,不断总结提炼,反复思考实践中的经验教训,才能够真正消化为自己的知识。 参考文献 【1】《数字电子技术》 (第三版)江晓安、董秀峰、张军、杨颂华 编著 【2】《新型集成电路的应用——电子技术基础课程设计》梁宗善 主编,华中科技大学出版社 【3】《电子技术基础课程设计》,孙梅生等编著,高等教育出版社 【4】抢答器网 【5】百度文库 附录A:系统电路原理图 附录B:元器件清单 元器件名称 数量:(个) 共阴数码管 4 74LS48 4 74LS175 1 74LS192 4 74LS20 1 74LS11 1 74LS04 2 74LS08 1 7432 1 555 3 蜂鸣器 1 LED发光二极管 4 拨码开关DIPSWC_4 4 排阻RESPACK-8 2 电阻 1K 5 15K 1 47K 1 68K 1 91K 1 200K 2 电容 100nF 3 10uF 3 0.1uF 2- 配套讲稿:
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