基于八路智能数显抢答器设计论文 -

标题: 基于八路智能数显抢答器设计论文 [打印本页]

作者: shenjie1108 时间: 2017-12-5 14:26
标题: 基于八路智能数显抢答器设计论文

目录

1 引言

2 电路工作原理

2.1 八路抢答器功能概述：

2.2抢答器电路设计

2.3抢答器电路设计

2.4 定时电路设计

2.5报警电路设计

2.6时序控制电路设计

3 电路原理图设计

4 电路仿真

5 电路PCB设计

6 元件选型

7 总结

参考文献

附录

郑州航空工业管理学院电子通信工程学院 151308330 武英杰

摘要：本系统是基于74系列芯片功能设计的一款八路智能抢答器，该设计利用74LS148和74LS74对抢答信号的优先编码、锁存，通过74LS48驱动数码显示管，以及借助74LS192的同步加减计数器，利用Proteus软件仿真结果表明，该设计功能实现准确无误，基于Altium DXP对电路原理图、PCB图进行设计，本设计可以作为八路智能抢答器也可通过扩展实现抢答、定时等功能。

1 引言

随着科学技术的不断发展，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样。抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，因此抢答器是机关学校、电视台等单位开展智力竞赛活动必不可少的设备，通过抢答者的按键、数码显示等能准确、公正、直观地判断出优先抢答者。本次课程设计主要使用74系列常用集成电路，设计八路抢答器的电路组成，使抢答器除具有抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。同时结合理论知识，利用Altium DXP设计功能完善的电路原理图，并借助Protues软件进行仿真验证。

2 电路工作原理2.1 八路抢答器功能概述：

抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。另外设置系统清除开关一个，该开关由主持人控制。抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在七段数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

当主持人按下清除键后，参赛选手可以进行抢答，同时倒计时电路开始倒计时，抢答有效时，红灯亮，倒计时停止，显示器上显示选的编号，并保持到主持人将系统清零为止。

如图2-1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人按下清零状态开关，同时宣布"开始"，编号显示器显示“空值”，开始倒计时，抢答器工作。选手开始抢答，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，禁止二次抢答。如果再次抢答必须由主持人再次操作清零状态开关。

图 2-1数字抢答器总体方框图

2.2抢答器电路设计

设计电源电路如图2-2

图2-2电源电路

2.3抢答器电路设计

抢答电路的功能有两个：一是分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按按钮操作无效。选用优先编码器74LS148和D触发器可以完成上述功能，其电路组成如图2-3所示。

图2-3抢答器电路

工作原理是：当主持人控制开关按下时，RS触发器的端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。于是74LS148的/=0,显示器灭灯：74LS148的选通输入端=0,74LS148处于工作状态。当主持人开关松开后优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端7 ~ 0 输入信号，当有选手将按钮按下时（按下S5）,74LS148的输出210 =010, GS =0,经RS锁存器后，CTR=1，/=1，74LS74处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经74LS48译码后，显示器上显示出“5”。此外，CTR=1, 使74LS148的为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁其他按钮的输入。当选手按下的按钮松开后，74LS148上的GS 为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他按钮的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完为题后，主持人只需再次按下清除按钮，便可以进行下轮抢答。

2.4 定时电路设计

节目主持人跟据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。具体电路如图2-4所示：

图2-4定时电路

2.5报警电路设计

电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图2-5所示。其中，555构成多谐振荡器，振荡频率为：

fo =

其输出信号经三极管推动扬声器。RST为控制信号，当RST为高电平时，多谐振荡器工作；反之，电路停振。

图2-5报警电路

2.6时序控制电路设计

时序控制电路是抢答器设计的关键，他要完成以下三项功能。

（1）主持人按下控制开关后，扬声器发声，抢答器和定时电路进入正常工作抢答状态。

（2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发生，抢答电路和定时电路停止工作。

（3）当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发生，同时抢答电路和定时电路停止工作。

设计的时序控制电路如图2-6a和图2-6b所示。图中，门G1,G2的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G3的作用是控制74LS148的输入使能端。图2-4a所示电路的工作原理是：主持人控制开关按下时，来自于图2-2所示的74LS74的输出CTR=0，经G4 反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，来自于图2-3所示的借位输出端=1,门G3的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能（1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答按钮时，CTR=1经G4反相A=0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G3的输出=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能（2）的要求。到定时时间到时，来自74LS192的=0，=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答，同时G1处于关门状态，封锁CP信号，是定时电路保持00状态不变，从而实现功能（3）的要求。图2-6b所示电路用于控制报警电路。

图2-6a时序控制电路1 图2-6b时序控制电路2

3 电路原理图设计

绘制原理图，打开Protel DXP 2004软件。

首先安装所需要的元件库，在常用元件库中选取TTL74系列、555定时系列等。在菜单栏文件下创建PCB项目、原理图文件、PCB文件，并保存。在TTL74系列、Miscellaneous Devices等元件库中选取所需要的元件，74LS148、74LS48、74LS74、74LS00、74LS08、74LS00、74LS192、NE555、数码显示管、蜂鸣器、发光二极管、以及电阻、电容等添加到原理图，并选取合适的封装。根据电路原理开始绘制原理图。（绘制过程中需用到的工具栏的VCC电源端口、GND端口以及放置导线、总线、网络标签；以及需要用到菜单编辑中的删除进行删改。）绘制原理图后，使用项目管理菜单中的Complie PCB Project进行电气规则检测无误。如图3-2

4 电路仿真

借助Proteus软件进行仿真验证。

在Proteus中绘制原理图后，进行调试。Proteus仿真图如图4-1（附录）

（1）上电，检测电路各级直流状态，排除故障后，并记录特殊节点的电位数值；在电路图中观测以下特殊节点的电平变化情况：

节点	(U8)	CLR	(U8)	RST(U1)	DWN(U9)
按S8前	H	H	H	L	L
按下S8	L	L	L	H	H
S8松开后	L	L	L	L	H
规定时间内按下抢答键	H	H	H	L	L
倒计时结束	H	H	H	H	L

图4-1特殊点电平变化图

电路接+5V电压，观测U1,U10的3（OUT）输出电平波形；

图4-2 U1的输出波形

图4-3 U2的输出波形

（2）动态调试，接上5V直流电源，将系统清除按键按下。74LS192的四个RS触发器的置0端均为0，使四个触发器均被置0。1Q为0，使74LS148的使能端=0，74LS148处于允许编码状态，同时1Q为0，使74LS48的灭灯输入端=0，数码管无显示。这时抢答器处于准备抢答状态。

当将系统清除按键放开时，抢答器处于等待状态。当有选手将按键开关按下时，抢答器将接受并显示抢答结果，假设按下的是S4，则74LS148的编码输出为011，此代码送入74LS279锁存后，使4Q3Q2Q=100，亦即74LS148的输入为0100；又74LS148的优先编码标志输出

为0，使1Q=1，即

=1，74LS48处于译码状态，译码的结果显示为“4”。同时1Q=1，使74LS148的

=1，74LS148处于禁止状态，从而封锁了其他按键的输入。此外，当优先抢答者的按键松开再按下时，由于仍为1Q=1，使

=1，74LS148仍处于禁止状态，确保不会接受二次按键时的输入信号，保证了抢答者的优先性。

5 电路PCB设计

(1)新建设计文件夹 CAD八路抢答器系统。

(2)创建项目文件八路抢答器系统.PRJPCB并保存到文件夹下

(3)创建原理图Sheet1.SCHDOC并保存。

(4)从元件库搜索相应的元件放置并连线。

(5)元件注释，选择工具/注释/更新变化表/建立ECO/执行变化。

仿真。（注意添加仿真源）

(6)ERC电器规则检测。

(7)封装添加，注意对应元器件引脚。

(8)创建PCB文件八路抢答器.PCBDOC并保存。然后选择设计/Import Changes from 八路抢答器.PRJPCB.使变化生效，再执行变化。

(9)进行元器件的排布，裁剪边框，设计布线规则及优先级(图5-1、5-2所示），完成布线制成PCB板(附录图5-3所示）

图5-1布线规则

图5-2优先级

(10)输出制造文件Gerber Files (附录图5-4所示）和NC Dril Files （附录图5-5 所示）。

6 元件选型

选取合适的元件如图6

元件	参数	个数
74LS148		1
74LS48		3
74LS74		4
74LS192		2
74LS00		3
74LS08		3
NE555		2
蜂鸣器		1
8位数码显示管		3
按键开关		9
发光二极管		2
电阻R8-R15 R3	10K	9
电阻	1K	R1 R7
电阻	20K	R2 R4
电阻	60K	R5
电容	0.1uF	C6 C8
电容	10uF	C5 C7
电阻	510	R6

图 6 元件清单

7 总结

课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面是我对本次CAD课程设计过程做的简单总结。

第一，接到陈宇老师的课设任务后，我进行了选题，选择了最感兴趣的八路抢答器。这是课程设计的开端。

第二，题目确定后就是找资料了。查资料是我课程设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆借阅相关书籍、上网查找资料。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，一一记录下来以备后用。（在此过程中我学习并掌握了8路数显抢答器74系列8-3优先编码器74LS148、BCD7段译码器74LS48、NE555定时器、双时钟4位十进制加减同步计数器74LS192、以及具有锁存功能的74LS等的原理和功能，初步了解电路原理）

第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，在这样一个基础上，综合已有的资料更透彻的分析了八路抢答器的原理图。

第四，有了研究方向，就应该动手实现了。其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。

通过这次设计，我对电子线路CAD进行了再次的学习，知识得到了加深和巩固，同时也更熟练地掌握了对Altium DXP的使用。在设计电路过程中也对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新嘛，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

在此要感谢我的指导陈宇老师，感谢老师给我们这样的机会锻炼。在整个设计过程中有许多不懂得知识，陈宇老师都帮助我们解决。我懂得了许多东西，也培养了独立工作的能力，树立了对自己学习能力的信心，相信会对今后的学习生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次CAD课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。

参考文献

【1】阎石. 数字电子电路. 北京：高等教育出版社. 2007

【2】康华光. 电子技术基础（数字部分）. 北京：高等教育出版社. 2006

【3】任为民. 数字电子电路学习和实验指导. 北京：广播电视大学出版社.1992

附录