四人智力抢答器课程设计报告文档格式.docx
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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..............................................................................115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:
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
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274LS175的引脚图
表174LS175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474LS192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274LS192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)×
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
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。
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。
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、杨颂华编着
【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》,孙梅生等编着,高等教育出版社
【4】抢答器网
【5】XX文库
系统电路原理图
元器件清单
元器件名称
数量:
(个)
共阴数码管
4
74LS48
74LS175
1
74LS192
74LS20
74LS11
74LS04
2
74LS08
7432
555
3
蜂鸣器
LED发光二极管
拨码开关DIPSWC_4
排阻RESPACK-8
电阻
1K
5
15K
47K
68K
91K
200K
电容
100nF
10uF
0.1uF
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