数电课设八路抢答器兰理工综合版.docx

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数电课设八路抢答器兰理工综合版

电子技术综合训练

设计报告

题目：

简易抢答器制作

姓名：

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班级:

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指导教师：

制作日期：

摘要

本文讲述的简易抢答器的主要是由抢答电路、计时电路、报警电路、主持人控制电路组成。

当主持人按下主控制开关，抢答开始，计时也开始，如果有人抢答，计时停止，主持人打开主控制开关，抢搭清零，当开关再次闭合时，新一轮抢答开始；如果三十秒后无人抢答，则报警电路动作，开始报警，一秒后自动解除，主持人打开开关，当开关再次闭合时，新一轮抢答开始。

关键词：

抢答器，计时电路

目录

1设计任务和要求…………………………………………………………?

1.1设计任务……………………………………………………………?

1.2设计要求…………………………………………………………….?

2系统设计…………………………………………………………………?

2.1系统要求…………………………………………………………….?

2.2方案设计……………………………………………………………?

2.3系统工作原理……………………………………………………….?

3单元电路设计……………………………………………………………?

3.1单元电路A（单元电路的名称）……………………………………?

3.1.1电路结构及工作原理……………………………………………?

3.1.2电路仿真…………………………………………………………?

3.1.3元器件的选择及参数确定……………………………………?

3.2单元电路B（单元电路的名称）……………………………………?

3.2.1电路结构及工作原理…………………………………………?

3.2.2电路仿真…………………………………………………………?

3.2.3元器件的选择及参数确定…………………………………………….?

4电路仿真……………………………………………………………………?

.

5电路安装、调试与测试……………………………………………………?

5.1电路安装………………………………………………………………?

5.2电路调试………………………………………………………………?

5.3系统功能及性能测试…………………………………………………?

5.3.1测试方法设计………………………………………………………?

5.3.2测试结果及分析……………………………………………………?

6结论…………………………………………………………………………?

7参考文献……………………………………………………………………?

8总结、体会和建议

附录：

电路原理图

元器件清单

其它

1设计任务及要求

设计任务

（1）设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参赛，他们的选号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号对应分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7.

（2）给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答器的开始。

（3）抢答器具有数据锁存和显示的功能。

抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。

此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。

优先抢答选手的编号一直保持主持人将系统清零为止。

二、设计要求

1、接通电源后，主持人将开关拨到“清除”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。

2、主持人将开关置于“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作，定时器倒计时，扬声器给出声响提示。

3、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。

4、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。

5、设计一个计分器，实现选手得分，由主持人控制加减，设置清除功能。

2系统设计

1.1技术要求

基本要求：

1、抢答组数分为八组，序号分别为S0，S1,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、数字抢答器定时为30S，启动开建后，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。

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/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。

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（P1.0～P1.7）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，P1.0～P1.7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

兰州理工大学《数字电子技术》课程设计说明书

-6-

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3×3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。

3、单元电路设计

3.1抢答电路

3.11电路结构

当主持人按下主控制开关，锁存器清零状态，由于ST=0时，编码器使能，且发光二极管亮，计数器开始计时，抢答开始。

在这期间，只要按动任意抢答键，编码器输出经RS锁存器锁存，由显示器显示组号：

与此同时，由于有有效输入信号输入，Yex由1反转为0，4Q端输出为1，即ST=1,编码器禁止输入，停止编码，封锁其他组的输入信号，LED显示最先按动按键的那个组对应的组号，实现优先抢答的功能。

3.12仿真图

3.13元器件及参数

本电路由抢答按钮、8线—3线优先编码器，RS锁存器，驱动译码器，LED等组成。

（1）8线—3线优先编码器

简要说明：

148为8线－3线优先编码器，共有54/74148和54/74LS148两种线路结构型式。

管脚图：

引出端符号：

0－7编码输入端（低电平有效）

EI选通输入端（低电平有效）

A0、A1、A2编码输出端（低电平有效）

GS宽展端（低电平有效）EO选通输出端

功能表：

说明：

H－高电平

L－低电平

X－任意

极限值

电源电压------------------------------------------------7V

输入电压

54/74LS148--------------------------------------7V

发射极间电压

54/74148的两编码输入----------------------------5.5V

工作环境温度

74LS148------------------------------------0～70℃

贮存温度--------------------------------------－65～150℃

（2）RS锁存器

74LS74内部结构引脚图管脚逻辑图（双D触发器）

在TTL电路中，比较典型的d触发器电路有74ls74。

74ls74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发d触发器电路。

74LS内部结构

引脚图及符号

（3）驱动译码器

简要说明：

cd4511为有外部上拉电阻的BCD－七段译码器。

输出端（Ya－Yg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。

当要求输出0－15时，消隐输入（

）应为高电平或开路对于输出为0时还要求脉冲消隐输入（

）为高电平或者开路。

当

为低电平时，不管其它输入端状态如何，Ya－Yg均为低电平。

当RBI和地址端（A0－A3）均为低电平，并且灯测试输入端（

）为高电平时，Ya－Yg为低电平，脉冲消隐输出（

）也变为低电平。

当

为高电平或开路时，

为低电平可使Ya－Yg均为高电平。

48与248的引出端排列、功能和电特性均相同，差别仅在显示6和9,248所显示的6和9比48多出上杠和下杠。

管脚图：

引出端符号:

A0－A3译码地址输入端

/

消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效）

灯测试输入端（低电平有效）

脉冲消隐输入端（低电平有效）

Ya－Yg段输出

功能表：

（4）LED

常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管如下图所示，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。

根据管脚资料，您可以判断使用的是何总接口类型.

LED数码管引脚图：

LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。

在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。

由于常规的数码管起辉电流只有1～2mA，最大极限电流也只有10～30mA，所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平（3.5V）的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。

3.2计数电路

3.21电路结构

30s计时由两片74ls192、NE555,74LS00，74ls08及其附属电路组成，当主持人开关处于打开状态时，计数器清零，当开关合上时，计数开始，为30s顺计时，经LED显示。

3.22仿真图

3.23元器件及其参数

74LS192引脚图管脚及功能表

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：

图5-474LS192的引脚排列及逻辑符号

（a）引脚排列（b）逻辑符号

图中：

为置数端，

为加计数端，

为减计数端，

为非同步进位输出端，

为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，

为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

其功能表如下：

（2）NE555

NE555引脚功能及应用

NE555为8脚时基集成电路，各脚主要功能

1地GND

2触发

3输出

4复位

5控制电压

6门限（阈值）

7放电

8电源电压Vcc

应用十分广泛，可装如下几种电路：

1、单稳类-----作用：

定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。

2、双稳类-----作用：

比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。

3、无稳类-----作用：

方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时

等。

单稳类电路:

单稳工作方式，它可分为3种。

第1种（图1）是人工启动单稳，又因为定时电阻定时电容位置不同而分为2个

不同的单元，并分别以1.1.1和1.1.2为代号。

他们的输入端的形式，也就是电

路的结构特点是：

“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。

第二种（见图2）是间接反馈型，振荡电阻是连在电源VCC上的。

其中第1

个单元电路（3.2.1）是应用最广的。

第2个单元电路（3.2.2）是方波振荡电路。

第3、4个单元电路都是占空比可调的脉冲振荡电路，功能相同而电路结构略有

不同，因此分别以3.2.3a和3.2.3b的代号

（3）74LS00

简要说明：

74LS00为四组2输入端与非门（正逻辑），共有54/7400、54/74H00、54/74S00、54/74LS00四种线路结构形式

引出端符号：

1A－4A，1B－4B输入端1Y－4Y输出端

逻辑图：

功能表：

（3）74LS08

简要说明：

74LS08为四组2输入端与非门（正逻辑）。

引出端符号：

1A－4A，1B－4B输入端1Y－4Y输出端

3.4直流稳压电源的设计

3.41电路工作原理 

从图上看,变压器输入端经过一个保险连接电源插头,如果变压器或后面的电路发生短路，保险内的金属细丝就会因大电流引发的高温溶化后断开。

变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，所以在这里接一个330uF/25V的电解电容。

变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波，在电容C1两端大约会有11V多一点的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使C1两端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三端稳压器的元件。

三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。

因为我们要输出5V的电压，所以选用7805，7805前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。

LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏，当然如果时间很长就不好说了，这跟散热条件有很大的关系。

三端稳压器后面接一个105的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。

最后在C2两端接一个输出电源的插针，可用于与其它用电器连接,比如MP3等。

虽然7805最大电流是一安培，但实际使用一般不要超过500mA,否则会发热很大，容易烧坏。

一般负载电有200mA以上时需要散热片。

3.42仿真图

4、系统仿真

有人抢答时，计数停止

无人抢答时，电路报警

5、电路安装、调试与测试

5.1、电路安装

在组装过程中我们遇到了很多的问题，首先是对软件不熟悉，这是我第一次接触multisim软件，熟练以后十分顺手。

其次由于面包板的问题，电源正负极没有接好，使整个电路无法工作。

第三是整体电路的布局问题，由于整个面包板面积有限，而本次设计所用的芯片比较多，占用的面积比较大，而且芯片所接的线比较多，必须考虑怎样放置芯片才能使版面整体看上去比较有空间布线，然后芯片的管脚也必须注意，不能接错了管脚，在插拔芯片的时候尤其要注意不能把管脚给弄坏了。

安装电路之前，首先要去买器件，要经济实惠，并且应合理设计排板，要方便走线，外观整齐。

在焊接时，首先要注意安全，其次要注意接线注意不可将线路短接，也不可断路。

将芯片插入底座时，要注意不可将芯片引脚折断，更要注意芯片极性，及管脚图。

通过实验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊接工艺的重要性：

各个芯片的引脚功能不能混淆，必须了解各个芯片的使用方法，内部结构以及使用时的注意事项，该接电源的一定要接电源，该接地的一定要接地，且不能有悬空。

同时在电路板上要预先确定电源的正负端，便于区分及焊接。

正确焊接各芯片个管脚连接必须查阅各种资料并记录，以确保在焊接过程和调试过程中芯片不被烧坏，同时确保整个电路的正确性。

在焊接完后每块芯片都用万用表检测，看是否有短接等，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路。

5.2电路调试

（1）显示电路不稳定问题在完成电路的焊接进入调试阶段时发现抢答器数码管显示选手编号不稳定。

主要表现在单选手按下抢答键后数码管显示的不是选手当前号码。

因此着手对电路进食检查，首先检查数码管看是否是关节焊接错误，后又检查电路各个芯片管脚接错均未发现问题，最后发现当触动某按键连线时显示正常由此判断可能是因为出现了虚焊，遂将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。

（2）控制开关无法控制电路在调试是发现当按下主持人开关时电路断电，当松开后数码管显示始终为7，经过一个多小时对电路用万用表逐个检查，发现是开关已损坏，更换开关。

故障排除

首先按照抢答器的功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障。

若某些功能不能实现，就要设法查找并排出故障，排出故障可按照信息流程的正向（由输入到输出）查找，也可以按信息流程逆向（右输出到输入）查找。

（1）显示电路的调试：

显示电路主要是由一块74148和一块7448芯片以一个七段LED数码显示器组成的.在调试时,可以在编码器的各输入端接上开关,当接上电源后,用各开关打开或断开来判断七段LED数码显示器是否显示正常.

（2）锁存电路的调试：

在调试锁存电路时,我们可以在各触发器的Q端接各接上一个发光二极管,接上电源,主持人开关打开,任意按下一路抢答开关,看其对应的发光二极管是否亮,然后再按其它开关,这时其它的二极管应该不发亮才算正常.

（3）清零电路调试：

清零是由主持人控制的.这个电路比较简单,只有一个指示灯,当主持人开关断开时,指示灯通过接地连接到各触发器的清零端,这时七段LED数码显示器应显示为0,如果不为零则电路不正常

5.3电路的测试

测试分三步进行，首先要测试主控开关是否能是电路清零；其次要测试，是否开始倒计时，当主控开关合上后；然后测试是否可以抢答，并观察抢答后计时是否停止；最后测试报警电路是否可以报警。

1、在给电路连通电源时一定要先用外用表测试已经焊接的电路当中是否存在短路现象，若存在，应先排除再接电源，避免损坏电源和已经焊接的电路。

2、在调试之前，连通电源以后若出现异常情况，比如冒烟，有异味，应立即切断电源。

3、在确定电路没有异常情况时，接通电源，对电路的每一部分逐个进行调试，认真思考，大胆尝试，解决每一个可能引起电路不按设计工作的问题。

1、在给电路连通电源时一定要先用外用表测试已经焊接的电路当中是否存在短路现象，若存在，应先排除再接电源，避免损坏电源和已经焊接的电路。

2、在调试之前，连通电源以后若出现异常情况，比如冒烟，有异味，应立即切断电源。

3、在确定电路没有异常情况时，接通电源，对电路的每一部分逐个进行调试，认真思考，大胆尝试，解决每一个可能引起电路不按设计工作的问题。

1、选手抢答电路部分，8位选手分别对应相应的抢答按钮。

2、秒倒计时电路，发光二极管将显示30秒倒计时。

3、总电路板如下，包含报警电路，选手抢答电路，脉冲发生电路等部分。

结论

按照设计时的思路，把电路图连接好。

经过改错，编译，分配管脚，然后就可以看到实验结果。

我的管脚分配为：

SW0到SW7为选手的编号，分别为1到8。

SW8到SW11为设定抢答时间的个位，SW12到SW15是设定抢答时间的十位。

SW16为设定抢答时间的置位端。

SW17为开始键。

实验结果为：

主持人先按下置位端，就可以设定抢答时间，按照个位和十位的拨动开关设定，在对应的数码管上可以看到相应的抢答时间。

然后主持人就可以按下开关让选手抢答，这时候抢答时间开始自减，在这个时间内，如果有选手抢答，数码管上会显示相应的选手号，在这个时候，如果有其他的选手也按下了抢答按钮，显示器不会显示。

如果在抢答时间内没有人抢答，显示抢答时间的数码管就会显示00，而且有报警灯闪。

当主持人要进行下一轮的抢答，可以拨动开关SW16作为清零，重新开始抢答。

综上所述，实验结果符合实验任务的要求。

参考文献

《电子技术试验与课程设计》毕满清主编

《数字逻辑电路》杨文霞、孙青林编著

《数字电子技术基础》范文兵清华大学出版社2007

《数字电路逻辑设计（第三版）》王毓银高等教育出版社2005

《数字电路实验基础》崔葛瑾同济大学出版社2005

《数字电路实验与课程设计》吕思忠、施齐云哈尔滨工程大学出版社2001

《电子线路设计实验测试（第三版）》谢自美华中科技大学出版社2006

《Multsim9在电工电子技术中的应用》董玉冰清华大学出版社2008

《数字电路及制作实例》陈振官国防工业出版社2006

总结、体会和建议

总结：

课设结束了，看着自己的板子按照自已希望的方式运行着，这种快乐是别人无法体会到的。

通过这次课设，我已经完全明白并掌握了我们在这次课设中用到的所有元器件，也明白了这个电路的工作原理。

并且掌握了如何对问题电路进行调试，并将其完善。

体会：

在课设中收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。

最让我难以忘怀的是最后的调试，我们最大