智力竞赛抢答器设计--课程设计.doc

一、课程设计名称 智力竞赛抢答器二、内容摘要 用74ls系列常用集成电路设计的智力竞赛抢答器，并详细分析电路工作原理。抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器存在分立元件使用较多，造成每路的成本偏高，而现代电子技术的发展要求电子电路朝数字化、集成化方向发展，因此设计出数字化全集成电路的多路抢答器是现代电子技术发展的要求。按照这一要求，并根据74ls373八路锁存器的功能特点，用74ls373和其它几块常用的74ls系列数字集成电路设计出了一数码显示八路抢答器电路，该电路具有成本低、元器件容易得到、路数多、数码直观显示、性能稳定等诸多优点。三、设计内容及要求a、设计内容：设计一个8路智力竞赛抢答器。我初步将系统分为3大功能模块：抢答电路即主电路、倒计时电路、报警电路。可将倒计时电路分为一个十进制（实现十个数以内的倒计时）计数、译码、数码管显示电路；抢答电路（获得优先抢答选手的编号）分为8路抢答开关、数据锁存器、优先编码器、4511译码器、数码管显示电路；整个电路分为锁存控制、倒记时控制、报警控制。数字抢答器总体方框图如图3-1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关置“开始”状态，抢答器工作，定时器倒计时。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。七段数码管显示4511译码器编码器锁存器抢答开关报警电路主持人控制开关时序控制电路定时显示脉冲产生电路图3-1 抢答器的原理框图b、要求：1、给节目支持人设置一个控制开关，用来控制系统清零及抢答的开始。2、抢答开始后当有某一选手首先按下抢答按钮时，选手编号立即被锁存，编号数码管显示选手编号并发出报警声响，此时抢答器不再接收其他的输入信号，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。3、抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答时间由节目主持人设定。当节目主持人启动开始键后，要求定时器进行倒计时，并数码显示，同时扬声器发出短暂的声响，持续的时间为0.5秒左右。4、选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作。如抢答时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，系统进行短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时抢答定时显示0。四、原理电路的设计，包括：1、画出考虑过的方案图，说明各自的优缺点，经过比较后，你选择了哪个方案。 a 图4-1 图4-1是第一次设计出来的图，缺点在于报警电路不是短暂性的发光，而是长时间的发光，只有当主持人关闭开关方可熄灭；其次由于对一些芯片了解不够深入，走了不少弯路，导致采用的门电路太多了，整个电路看起来很复杂。例如，74ls20两个与非门的功能可以使用74ls148芯片的14号管脚特殊功能方可，这样可以省去很多门电路，使得整个电路简单清晰。此图的亮点在于555定时器，利用整个电路的性质，合理的控制了555的工作状态，在抢答的过程中，一经抢答，通过观察电路，74ls190的13号管脚的性质，关闭了定时器，这样可以很大程度的延长芯片的寿命，并且节能。但是经老师提醒后，这只是理想状态下能够实现，但是实际上却不能完全控制，所以不可取。其次，在主持人没有按下开关之前，此电路的8个开关任一一个按下，数码管都有显示，这样可以在抢答前检查是否通路，排除不必要的故障。b 图4-2图4-2是经过改进后的电路图，首先，改善了发光二极管的持续发光的缺点，得到了短暂性发光报警，利用了电容的充放电的特性，但是由于此电路所需的电压略小，所以不足以对电容充电，所以利用三极管的放大作用改善后，得到了效果，并解决了这个问题。其次，改善了原来不成熟的想法（控制555定时器的开闭状态），加以高电平，按照原有的思路设计该图。第三，利用74ls148芯片的14号管脚特殊功能，大刀阔斧的去掉了74ls20的两个门电路，大大简化了电路图。但是改图仍然没有解决，当抢答的时候，发光二极管持续发光而不是短暂性的发光的缺点。c 图4-3图4-3是本次课程设计的最终设计图，也是目前采用的图，该图实现了本课题的所有要求，也是比较完美的图，但是整个电路还是较为复杂，可能是对各个芯片不够了解，也许可以利用一些芯片的特殊功能，又可以省去一些门电路。综上所述，我们采用了c图。2、单元电路设计、参数计算和期间选择，列出系统需要的元器件清单。 抢答电路设计 图4-4设计电路如图4-4所示。电路选用74ls373锁存器、74ls148优先编码器和4511译码器来完成。该电路主要完成两个功能：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（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关s置于清除端时，锁存器的le端输入为“1”，停止工作。当开关s置于开始时，抢答器处于等待工作状态，74ls373的le端为“0”，当有选手将抢答按键按下时（如按下s5），le端变为“1”将数据锁存。在经过优先编码器和4511译码器将数据输入数码管显示。如有再次抢答需由主持人将s开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。倒计时电路设计 图4-5该部分主要由555定时器构成多谐振荡器秒脉冲产生电路、加减计数器74ls190减法计数电路和一个七段数码管即相关电路组成。具体电路如图4-5所示。74ls190实现减法计数，然后显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。当主持人拨到“开始”时，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时到“0”时，输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警即发光二极管发光，同时以后选手抢答无效。555的第3号管脚输出的脉冲的频率为 ，结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为r1=15k，r2=68k，c=10uf，代入到上式中即得 。报警电路设计 图4-6 该部分电路实现的是一个报警功能，当抢答开始时，选手按下开关后，按照要求要出现短暂的报警，以及当倒计时到“0”时要出现短暂性的报警，考虑都成本和电路的稳定性以及简化性，我们采用发光二极管发光来作为报警讯号。所以结合倒计时电路和724ls190的第12号管脚的特殊性质，合理的设计出了图4-6的报警电路，因为是短暂性的报警，所以利用了三极管和电容，接法如图，当倒计时过程中，第12号管脚一直处于低电平，当倒计时到“0”后，瞬间转变为高电平，期间，电流经三极管放大，对电容充电，当转变的瞬间，三极管反偏截止，电容反过来放电，由于电容较小，放电时间短，所以实现了该功能。元器件选择及清单：整个电路的电子器件有：555定时器，74ls190，74ls148，74ls373，74ls08，74ls04、74ls32以及若干电容和电阻。详细介绍一下这两个电路中所用到的重要器件（555定时器和 74ls373）：1555定时器 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如下图2：图2 555定时器的内部电路框图和外引脚排列图它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 rs 触发器，一个放电管 t 及功率输出级。它提供两个基准电压vcc /3 和 2vcc /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 rs 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 a1 的反相输入端的电压为 2vcc /3，a2 的同相输入端的电压为vcc /3。若触发输入端 tr 的电压小于vcc /3，则比较器 a2 的输出为 1，可使 rs 触发器置 1，使输出端 out=1。如果阈值输入端 th 的电压大于 2vcc/3，同时 tr 端的电压大于vcc /3，则 a1 的输出为 1，a2 的输出为 0，可将 rs 触发器置 0，使输出为 0 电平。274ls37374373八d锁存器为三态输出的8 d透明锁存器, 373的输出端o0-o7可直接与总线相连。当三态允许控制端oe为低电平时，o0-o7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当oe为高电平时，o0-o7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端le为高电平时，o随数据d而变。当le为低电平时，o被锁存在已建立的数据电平。当le端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mv。 373引出端符号： d0d7-数据输入端oe-三态允许控制端 le-锁存允许端 o0-o7-输出端 74ls373外部管腿图、真值表、逻辑图，如下图3所示：图3 74ls373外部管腿图、真值表、逻辑图真值表中：l低电平； h高电平； x不定态； q0建立稳态前q的电平； g输入端，与8031ale连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中oe使能端，接地。当g=“1”时，74ls373输出端1q8q与输入端1d8d相同；当g为下降沿时，将输入数据锁存。元器件清单元件型号数量备注s1-s78弹片开关r1-r88电阻1k74ls3731锁存器74ls1481优先编码器45112译码器（带驱动）74ls041反向器74ls081与门7seg-digital2七段数码显示管74ls321或门74ls1901计数器5551多谐触发器sw-spdt1单刀双置开关r11-r2414电阻330欧姆r91电阻68kr101电阻14kr251电阻330欧姆c11电容10c21电容0.1c31电容100npn1三极管led-red1发光二极管3、画出完整的电路图，并说明电路的工作原理。 图4-6 智能竞赛抢答器电路图 电路选用优先编码器 74ls148 、锁存器 74ls373 、4511译码器和一个七段数码管显示组成抢答显示电路；定时显示主要由555定时器秒脉冲产生电路、减计数器74ls190减法计数电路、4511译码器和一个七段数码管即相关电路组成；由三极管、电容、发光二极管以及74ls190第12号管脚的特殊性质构成的报警电路。接通电源后，主持人将开关拨到清零状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间即为9；主持人将开关置开始状态，宣布开始，抢答器工作。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、报警提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示0。如果再次抢答必须由主持人再次操作清除和开始状态开关。设计原理框图所示，锁存器输入信号均为同一电平时，控制电路输出控制信号使锁存器打开，这时锁存器输入端的电平送往相应的输出端，当有一输入端电平发生跳变时，其对应输出端电平也随着变，此变化的输出电平送入控制电路，控制电路产生使锁存器锁存的控制信号，锁存器一旦进入锁存工作状态，无论哪个输入端电平发生变化，各输出端电平均保持不变，与其它输出端电平不同的那个输出端的电平经编码器编码后送入数码显示译码器，控制驱动器驱动七段数码管进行数码显示。五、仿真情况，分析是否满足要求。初始状态此图是清零状态，且主持人未按下开关前的状态，倒计时显示“0”，满足要求，仿真成功！抢答3号选手在第倒计时到第七秒的时候抢答，d1即发光二极管在抢答的瞬间有短暂性的报警，其他选手抢答依然顺利完成！注：只是由于时间较短，所以此图无法显示发光二极管的发光效果。满足要求，仿真成功！无人抢答此图是无人抢答的仿真图，倒计时期间由于没有选手抢答，本轮抢答无效，倒计时显示“0”发光二极管短暂性报警，如图所示。满足要求，仿真成功！六、收获、体会和建议。经过一个星期的设计，终于完成电路图，并且满足所有要求，接下来要做的就是焊接和调试，针对这次焊接，感慨颇多。因为之前的两个星期，我们专业做的电子技术工艺实习，也是要求我们焊接，并且是以焊接为主的实习，在此基础上，我们这次焊接，走了很少的弯路，很自然的进行，焊接的许多技术，都基本掌握，通过这次课程设计的焊接，更是让我们的焊接知识牢固了。a、焊接步骤： 1、准备焊接：准备焊锡丝和烙铁。 2、加热焊件：烙铁接触焊接点，使焊件均匀受热。 3、熔化焊料：当焊件加热到能熔化焊料的温度后将焊丝至于焊点，焊料开始熔化并湿润焊点。 4、移开焊锡：当熔化一定量的焊锡后将焊锡丝移开。 5、移开烙铁：当焊锡完全湿润焊点后移开烙铁。要点：1、焊件表面处理：手工烙铁焊接中遇到的焊件往往都需要进行表面清理工作，去除焊接面上的锈迹、油污、灰尘等影响焊接质量的杂质。手工操作中常用机械刮磨和酒精文章来日中国报告网、丙酮来擦洗等简单易行的方法。 2、预焊：将要锡焊的元件引线的焊接部位预先用焊锡湿润，是不可缺少的操作。 3、不要用过量的焊剂：合适的焊接剂应该是松香水仅能浸湿的将要形成的焊点，不要让松香水透过印刷版流到元件面或插孔里。使用松香焊锡时不需要再涂焊剂。 4、保持烙铁头清洁：烙铁头表面氧化的一层黑色杂质形成隔热层，使烙铁头失去加热作用。要随时再烙铁架上蹭去杂质，或者用一块湿布或使海绵随时擦烙铁头。5、焊锡量要合适。 6、焊件要固定。7、烙铁撤离有讲究：撤烙铁头时轻轻旋转一下，可保持焊点适量的焊料。 体会： 1、掌握好加热时间，在保证焊料湿润焊件的前提下时间越短越好。 2、保持合适的温度，保持熔铁头在合理的温度范围。一般经验是烙铁头温度比焊料温度高50摄氏度为宜。 3、用烙铁头对焊点施力是有害的。 用手工焊的方法完成了元器件以及元器件的底座的焊接，导线的焊接等，掌握了手工焊的基本操作方法。调试：焊接完成后，接下来进行调试，第一次调试，倒计时电路显示，但不能正确，其中“5”、“4”显示倒置，即9、8、7、6、4、5、3、2、1，初步分析是线路出现故障，可能出现错接，详细检查了线路，没有发现类似错误，进而检查了数码管的接线正常，第三检查是否虚焊，完成了这些检查之后，在此进行调试，仍然不正常，暂时未得到正确的结果；其次是抢答电路不能实现，按下开关，不显示，检查了一切线路没有错了情况下，进而检查是否虚焊，这两项仔细检查完毕之后，第二次进行调试，抢答电路正常；第三，发光二极管显示不正常，始终亮着，所以仍需改进，第一和第三个故障第一天未得到解决，回到宿舍继续研究这个问题，修改了一下二极管的接法。到第二天，第三次调试，发光二极管发光正常，但是电路板竟然连昨天的功能都无法实现，只能进行抢答、倒计时，但是倒计时只显示“9”然后倒计时到“0”中间的数字均不能显示，然后二极管发光正常。之后一直在寻找原因，可是始终没有找到，一直到老师宣布本次课程设计结束，所以，最终无法实现所有功能。实在是一大遗憾啊！心得体会：经过两个星期的共同努力，我们终于完成了电子技术课程设计。虽然时间不长，但是在这个过程中我得到了很多东西。因为以前没有做过这一方面的课设，所以，一开始看到这个题目的时候感觉有点不知所措，不知道要从什么地方开始做。在设计之前，参考了许多相关的资料。在设计中又参考了以前讲过的四路抢答器的原理图，有了基本的思路。但着手设计时，又出现了许多未预料到的问题，例如元件的选择：在选择编码器时，是采用普通编码器还是优先编码器。普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。所以选择了优先编码器。但是74ls系列中众多不同管脚的类型，选择哪个作编码器。经过查找，选择了74ls190，因为想用数字的形式显示抢答者的编号，所以选择了数码显示管，但数码显示管不能直接，数码显示管需要由ttl或cmos集成电路驱动，所以在ttl还是cmos集成电路上又进行了比较和选择。最后选择了数显译码器，用它将输出的二进制代码译成相对应的高、低信号，用其作为数码显示管的驱动信号，数码显示管显示出相对应的选手编号。在报警电路中，根据设计需要选择了555定时器。在一些设计原理上也遇到了许多新问题。发现当电源接通后，倒计时电路始终工作，当到“0”时不停止，仍然继续进行倒计时，经同学以及老师的指证，发现原因，并及时的改正，但是在之后的运行中，又出现了发光二极管不是短暂性的报警时，成为了瓶颈状态，一直没有突破，始终没有弄清楚短暂报警的原理，后静下来想，既然要短暂性，那么就是说，通电后立刻断电，跟着这条思路下去，又回忆起以前老师曾讲过，电容的充放电特性和电感的电磁感应，但是因为我们电路使用的是直流，所以排除了电感，只能选择电容进行试验，但是因为不知道如何接入已经做好的电路中，所以还是失败而告终，后经指导老师的细心的指导，终于解决了这个让我们苦思的问题。终于我们的电路完全实现了所有要求，并且调试成功。通过这次智能竞赛抢答器的设计，我发现了以往学习中的许多不足，也让我掌握了以往许多掌握的不太牢的知识，感觉学到了很多东西。两周的课程设计，留给我印象最深