《八路搶答器》課程設(shè)計報告

1、<p><b>　　《八路搶答器》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　任務(wù)分工： 李啟航：設(shè)計電路、購買器件、焊接及測試電路 </p><p>　　邢芳芳：查閱搜集相關(guān)資料及各個器件原理及引腳連接

2、 </p><p>　　張申： 焊接電路、參與電路設(shè)計、畫實物電路引腳圖</p><p>　　張旋：模擬電路及撰寫課程設(shè)計報告 </p><p>　　設(shè)計時間： 2012年0

3、5月14 日 —— 20102年 05月18日 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、課程設(shè)計的目的與要求………………………………3</p><p>　　二、方案論證選擇…………………………………………3 </p><p>　　三、原理

4、設(shè)計………………………………………………4</p><p>　　四、方案實現(xiàn)與測試………………………………………12</p><p>　　五、原件清單………………………………………………18</p><p>　　六、收獲體會和建議………………………………………19</p><p>　　七、主要參考文獻(xiàn)…………………………………………20&l

5、t;/p><p>　　八、附錄一…………………………………………………21</p><p>　　九、附錄二…………………………………………………21</p><p>　　一、課程設(shè)計的目的與要求</p><p>　　通過八路數(shù)字搶答器的設(shè)計實驗，要求學(xué)生回顧所學(xué)數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)實驗，掌握組合電路、時序電路、編程器件和任意集成電路的綜合

6、使用及設(shè)計方法，熟悉掌握優(yōu)先編碼器、觸發(fā)器、計數(shù)器、單脈沖觸發(fā)器、555電路、譯碼/驅(qū)動電路的應(yīng)用方法，熟悉掌握時序電路的設(shè)計方法。達(dá)到數(shù)字實驗課程大綱所要求掌握的基本內(nèi)容。</p><p>　　在許多比賽活動中，為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，通常設(shè)置一臺搶答器，通過數(shù)顯、燈光或音響等多種手段指示出第一搶答者。</p><p>　?。?）設(shè)計制作一個可容納8組參賽的數(shù)字式搶答器，

7、每組設(shè)置一個搶答按鈕供搶答者使用。</p><p>　?。?）電路具有第一搶答信號的鑒別和鎖存功能。在主持人系統(tǒng)發(fā)出搶答指令后，若參賽者按搶答開關(guān)，則該組指示燈亮并用組別顯示電路顯示出搶答者的組別，同時指示燈(發(fā)光二極管)亮。此時，電路應(yīng)具備自鎖存功能，使別組的搶答開關(guān)不起作用。</p><p>　　（3）若超時仍無人搶答，則報警指示燈熄滅。</p><p><

8、;b>　　二、方案論證選擇</b></p><p>　　方案一：搶答器各部分采用中小規(guī)模集成數(shù)字電路，用機(jī)械開關(guān)按鈕作為控制開關(guān)，完成搶答輸入信號的觸發(fā)。該方案的特點是中小規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)成熟，性能可靠，能方便地完成選手搶答的基本功能。它由主體電路和擴(kuò)展電路組成。主體電路完成基本搶答功能，即開始搶答后，當(dāng)選手按動搶答鍵時，能顯示選手編號，同時封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成定時搶

9、答功能，報警功能等。</p><p>　　方案二：采用STC89C52單片機(jī)作為控制中心，搶答器可以完成運算控制、信號識別以及顯示功能的實現(xiàn)。</p><p>　　當(dāng)主持人宣布搶答開始的時候，按下開始按鈕，此時電路進(jìn)入搶答狀態(tài)，選手的輸入采用了掃描式的輸入，之后把對應(yīng)的信息送往單片機(jī)，再由單片機(jī)輸出到顯示輸出電路中，此時有人第一按下相應(yīng)的搶答按鈕，經(jīng)過單片機(jī)的按鈕選擇，在八段顯示器上顯示相

10、應(yīng)的號碼，并鎖存，并禁止其他按鈕的輸入。</p><p><b>　　方案選擇：</b></p><p>　　雖然單片機(jī)具有很靈活的編程性，但由于我們還沒開設(shè)單片機(jī)的學(xué)習(xí)，我們對其不能熟練操作，而且數(shù)字電路的制作方案比較容易實現(xiàn)并且原理方面比較簡單，所以我們選擇了方案一，運用所學(xué)數(shù)電及其相關(guān)知識解決相關(guān)問題。</p><p><b>

11、　　三、原理設(shè)計</b></p><p>　　3.1 總體方案設(shè)計</p><p>　　3.1.1 設(shè)計思路</p><p>　　本題的根本任務(wù)是準(zhǔn)確判斷出第一搶答者的信號并將其鎖存。實現(xiàn)這一功能可選擇使用觸發(fā)器或鎖存器等。在得到第一信號之后應(yīng)立即將電路的輸入封鎖，即使其他組的搶答信號無效。同時還必須注意，第一搶答信號應(yīng)該在主持人發(fā)出搶答命令之后才有效。

12、</p><p>　　當(dāng)電路形成第一搶答信號之后，用編碼、譯碼及數(shù)碼顯示電路顯示出搶答者的組別，也可以用發(fā)光二極管直接指示出組別。</p><p>　　在主持人沒有按下開始搶答按鈕前，參賽者的搶答開關(guān)無效；當(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后，開始進(jìn)行8秒倒計時，此時，若有組別搶答，顯示該組別并使搶答指示燈亮表示“已有人搶答”；當(dāng)計時時間到，仍無組別搶答，則計時指示燈滅表示“時間已到”，主持人清零后

13、開始新一輪搶答。</p><p>　　3.1.2 總電路框圖</p><p>　　圖 3-1總電路框圖</p><p>　　3.2 各模塊設(shè)計方案及原理說明</p><p>　　3.2.1 搶答電路</p><p>　　此部分電路主要完成的功能是實現(xiàn)8路選手搶答并進(jìn)行鎖存，同時有相應(yīng)發(fā)光二極管點亮和數(shù)碼顯示。</

14、p><p>　　使用優(yōu)先編碼器 74LS148 和鎖存器 74LS297 來完成。該電路主要完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號（顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管）；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：開關(guān)S 置于"清除"端時，RS 觸發(fā)器的 R、S 端均為0，4 個觸發(fā)器輸出置0，使74LS148 的優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端＝ 0，使之處于

15、工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S 置于"開始"時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將搶答按鍵按下時（如按下S5），74LS148 的輸出經(jīng)RS 鎖存后，CTR=1,RBO =1, 七段顯示電路74LS48 處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101,經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外，CTR ＝1，使74LS148 優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端＝１，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時，74LS148 的 此時由于仍為CTR＝1，使優(yōu)先編碼工

16、作標(biāo)志端＝1， 5 所以74LS148 仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。只要有一組選手先按下?lián)尨鹌?，就會將編碼器鎖死，不再對其他組進(jìn)行編碼。通過74LS48譯碼</p><p><b>　　原理圖如下：</b></p><p>　　圖 3-2 搶答模塊原理圖</p><p><b>　　RS觸發(fā)器：

17、</b></p><p>　　1. 保持狀態(tài)。當(dāng)輸入端接入==1的電平時，如果基本SR觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)=1、=0，則觸發(fā)器次態(tài)=1、=0；若基本SR觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)=0、=1，則觸發(fā)器次態(tài)=0、=1。即==1時，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。</p><p>　　2. 置0狀態(tài)。當(dāng)=1，=0時，如果基本SR觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=1、=0，因=0，會使=1，而=1與=1共同作用使端翻轉(zhuǎn)為0；如果基本SR觸

18、發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=0、=1，同理會使=0，=1。只要輸入信號=1，=0，無論基本SR觸發(fā)器的輸出現(xiàn)態(tài)如何，均會使輸出次態(tài)置為0態(tài)。</p><p>　　3. 置1狀態(tài)。當(dāng)=0、=1時，如果觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為=0、=1，因=0，會使G1的輸出端次態(tài)翻轉(zhuǎn)為1，而=1和=1共同使G2的輸出端=0；同理當(dāng)=1、=0，也會使觸發(fā)器的次態(tài)輸出為=1、=0；只要=0、=1，無論觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)如何，均會將觸發(fā)器置1。</p>&l

19、t;p>　　4. 不定狀態(tài)。當(dāng)==0時，無論觸發(fā)器的原狀態(tài)如何，均會使=1，=1。當(dāng)脈沖去掉后，和同時恢復(fù)高電平后，觸發(fā)器的新狀態(tài)要看G1 和G2兩個門翻轉(zhuǎn)速度快慢，所以稱==0是不定狀態(tài)，在實際電路中要避免此狀態(tài)出現(xiàn)?；綬S觸發(fā)器的邏輯圖、邏輯符號和波形圖如圖1-7所示。</p><p>　?。╝）邏輯圖 (b) 邏輯符號 (c) 波形圖<

20、/p><p>　　圖 3-3 基本SR觸發(fā)器</p><p>　　表 3-1 74LS148真值表</p><p>　　4LS148的輸入端和輸出端低電平有效。~是輸入信號，~為三位二進(jìn)制編碼輸出信號，＝1時，編碼器禁止編碼，當(dāng)＝0時，允許編碼。是技能輸出端，只有在＝0，而~均無編碼輸入信號時為0。為優(yōu)先編碼輸出端，在＝0而~的其中之一有信號時，＝0。~各輸入端的優(yōu)先

21、順序為：級別最高，級別最低。如果＝0（有信號），則其它輸入端即使有輸入信號，均不起作用，此時輸出只按編碼，＝000。優(yōu)先編碼被廣泛用于計算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)有多個外設(shè)申請中斷時，優(yōu)先編碼器總是給優(yōu)先級別高的設(shè)備先編碼</p><p>　　二進(jìn)制譯碼器是將輸入的二進(jìn)制代碼的各種狀態(tài)按特定含義翻譯成對應(yīng)輸出信號的電路。也稱為變量譯碼器。若輸入端有n位，代碼組合就有2n個，當(dāng)然可譯出2n個輸出信號。</p>

22、<p>　　顯示譯碼器由譯碼輸出和顯示器配合使用，最常用的是BCD七段譯碼器。其輸出是驅(qū)動七段字形的七個信號，常見產(chǎn)品型號有74LS48、74LS47等。</p><p>　　字符顯示器：分段式顯示是將字符由分布在同一平面上的若干段發(fā)光筆劃組成。電子計算器，數(shù)字萬用表等顯示器都是顯示分段式數(shù)字。而LED數(shù)碼顯示器是最常見的。通常有紅、綠、黃等顏色。LED的死區(qū)電壓較高，工作電壓大約1.5~3V，驅(qū)動電

23、流為幾十毫安。74LS47譯碼驅(qū)動器輸出是低電平有效，所以配接的數(shù)碼管須采用共陽極接法；而74LS48譯碼驅(qū)動器輸出是高電平有效，所以，配接的數(shù)碼管須采用共陰極接法。數(shù)碼管常用型號有BS201、BS202等。，使用時，公陰極接地，7個陽極a~g由相應(yīng)的BCD七段譯碼器來驅(qū)動。 </p><p>　　3.2.2 倒計時電路</p><p><b>　　原理圖如下：</b>

24、;</p><p>　　圖 3-5 倒計時模塊原理圖</p><p>　　該部分主要由555 定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計數(shù)器74LS192 減法計數(shù)電路、74LS48 譯碼電路和 2 個 7 段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。完成的功能是當(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后，進(jìn)行30s倒計時，到0s時倒計時指示燈亮。當(dāng)有人搶答時，計時停止。兩塊74LS192 實現(xiàn)減法計數(shù)，通過譯碼電路 74LS4

25、8 顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。74LS192 的預(yù)置數(shù)控制端實現(xiàn)預(yù)置數(shù)30s，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數(shù)器開始減法計數(shù)工作，并將時間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管上，當(dāng)有人搶答時，停止計數(shù)并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，且倒計時時間到時， 輸出低電平到時序控制電路，控制報警電路報警，同時以后選手搶答無效。 </p><p>　　由555定時器和三極管構(gòu)成報警電路。其

26、中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率fo＝ 1.43／［（RI＋2R2）C］，其輸出信號經(jīng)三極管推動揚(yáng)聲器。PR為控制信號，當(dāng)PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。</p><p>　　控制輸入信號為經(jīng)過編碼的搶答選手的信號，當(dāng)有人在有效時間內(nèi)搶答時，定時時間到時無人搶答時，輸入信號為高電平，報警電路發(fā)出報警信號；反之，輸入信號為低電平時，報警器不工作。</p><p>　　將連接好

27、的555定時器的輸出端接在示波器上，呈現(xiàn)如下符合要求的方波。</p><p>　　圖3 -7 555定時器輸出波形</p><p><b>　　方案實現(xiàn)與測試</b></p><p><b>　　4.1搶答電路</b></p><p>　　第2路搶答器搶答后的顯示，同時發(fā)光二極管指示燈發(fā)光，如下圖

28、：</p><p>　　圖 4-1 搶答電路仿真</p><p>　　CTR端的示波器波形：</p><p>　　如圖，撥動開關(guān)后，CTR上跳，有人搶答時，CTR下跳</p><p>　　圖 4-2 CTR端仿真曲線</p><p>　　圖 4-3 倒計時電路仿真</p><p>　　在B

29、O1和BO2端放置示波器，波形如圖：</p><p>　　圖 4-4 BO1端仿真曲線</p><p>　　計時器個位減到0時，BO1出現(xiàn)一個下跳；計時器十位減到0時，BO2出現(xiàn)一個下跳。</p><p><b>　　圖</b></p><p><b>　　4</b></p><

30、p>　　圖4-5 BO2端仿真曲線</p><p>　　4.2實驗結(jié)果及分析：</p><p>　　接通電源，開關(guān)打到預(yù)置端，倒計時數(shù)碼管顯示30。主持人撥動開關(guān)后，倒計時電路開始從30秒倒數(shù)，8路觸點開關(guān)處于待命狀態(tài)。</p><p>　　若有選手按下所在開關(guān)（搶答），搶答電路顯示選手所在編碼（0～7），倒計時電路停止計時。同時其他選手所在的開關(guān)被鎖定，搶答

31、無效。</p><p>　　圖 5-1 倒計時狀態(tài)</p><p>　　圖 5-2 搶答顯示</p><p>　　如果30秒倒計時結(jié)束后仍無人搶答，LED燈熄滅，倒計時電路鎖定為00，搶答不再有效。</p><p>　　這時只需主持人重新將開關(guān)打到預(yù)置段，整個電路全部回到初態(tài)。準(zhǔn)備進(jìn)行下一輪搶答。</p><p>

32、<b>　　4.3、安裝與調(diào)試</b></p><p><b>　　1、 電路的安裝</b></p><p>　　電路安裝要注意幾個原則：</p><p>　　1.先裝矮后裝高、先裝小后裝大、先裝耐焊等等；</p><p>　　2. 布線盡量使電源線和地線靠近實驗電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用；&

33、lt;/p><p>　　3. 最好分模塊安裝。此外焊接時不能出現(xiàn)虛焊、假焊、漏焊，更不能出現(xiàn)過焊，因為有些器件，不能耐高溫，比如焊接三極管時，電烙鐵絕對不能停留太久；</p><p>　　4.在安裝的時候，需要注意各個集成芯片的管腳接法。</p><p><b>　　2、電路的焊接</b></p><p>　　焊接是在設(shè)計的

34、電路原理圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行排板布線，然后進(jìn)行焊接。焊接所用到主要儀器有：</p><p><b>　　1、電烙鐵；</b></p><p><b>　　2、焊錫絲；</b></p><p>　　3、電烙鐵架和松香；</p><p><b>　　4、吸錫器；</b></

35、p><p>　　5、可變電壓源（5V）；</p><p>　　在焊接一些帶極性的元件（發(fā)光二極管LED）的時候要先用數(shù)字萬用表進(jìn)行確認(rèn)正負(fù)極。經(jīng)過測量發(fā)光二極管的兩個引腳中較長的引腳為正極，較短的引腳為負(fù)極。另外兩種阻值的電阻的測量方法也是用數(shù)字萬用表的歐姆檔進(jìn)行測量，不一一舉例</p><p><b>　　五、元器件清單</b></p&g

36、t;<p>　　5V共陰數(shù)碼管 3個</p><p>　　譯碼器74LS48 3個</p><p>　　RS觸發(fā)器 74LS2148 1個</p><p>　　可逆計數(shù)器74LS192 2個</p><p><b>　　555定時器 1個</b></p><p>　　2輸入與非門77

37、9 1個</p><p>　　優(yōu)先編碼器74LS 4LS00 1個</p><p>　　4輸入與非門74LS20 1個</p><p><b>　　10kΩ電阻 9個</b></p><p><b>　　1kΩ電阻4個</b></p><p><b>　　50kΩ電

38、阻 1個</b></p><p><b>　　15kΩ電阻 1個</b></p><p><b>　　100Ω電阻 1個</b></p><p><b>　　發(fā)光二極管 2個</b></p><p><b>　　觸點開關(guān)8個</b></p

39、><p><b>　　單刀雙擲開關(guān) 1個</b></p><p>　　10μF電解電容 1個</p><p>　　0.01μF瓷片電容 1個</p><p><b>　　導(dǎo)線 若干</b></p><p>　　六、收獲、體會和建議</p><p>　　這次

40、課程設(shè)計的電路是比較復(fù)雜的。雖然以前在模電中接觸過一些電子電路，但在初期還是感到無從下手。這是我第一次接觸multisim軟件，感覺它比較靈活易用，熟練以后十分順手。在整個電路的設(shè)計過程中，花費時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計上，在多種方案的選擇中，我們仔細(xì)比較分析其原理以及可行的原因，最后還是在通多次對電路的改進(jìn)，上機(jī)仿真以及接線調(diào)試，終于使整個電路可穩(wěn)定工作。設(shè)計過程中，我深刻的體會到在設(shè)計過程中，需要反復(fù)實踐，其過程

41、很可能相當(dāng)煩瑣，有時花很長時間設(shè)計出來的電路還是需要重做，那時心中未免有點灰心，有時還特別想放棄，此時更加需要靜下心，查找原因。設(shè)計思路是最重要的，只要你的設(shè)計思路是成功的，那你的設(shè)計已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計前做好充分的準(zhǔn)備，像查找詳細(xì)的資料，為我們設(shè)計的成功打下堅實的基礎(chǔ)。</p><p>　　設(shè)計單元電路階段，這個階段可以說是考察數(shù)電書本知識的階段。所有的設(shè)計方法還有步驟在數(shù)電書上都有，而且還有例題

42、。這個階段遇到的主要問題就是以前的知識忘記不少，所以做設(shè)計的時候要常隨手翻閱課本，等于是做了幾道數(shù)電作業(yè)題。這個階段的難度也不是很大，一般翻課本就可以找到答案并解決問題。</p><p>　　實驗階段可以說是這次設(shè)計中最重要的部分，因為以前的只是理論而不是真正的實體。所以說它是最重要的。實驗階段我們遇到的問題有：對軟件不熟悉；對實驗過程中信號的測量知識學(xué)習(xí)很少；因為各個模塊是分開做而后又組裝到一起的，所以兼容性不

43、是很好（也就是不能融合為一個整體，部分工作能行但是接到一起就會出現(xiàn)問題）;針對以上幾個問題我們作出了以下的“對策”:軟件不熟悉，就借來參考書，一步一步的對著學(xué)，而且老師給的資料上也有軟件的使用說明，所以隨著接觸的增加軟件也就越來越熟悉，這方面的問題不是太難因為一邊理論一邊學(xué)習(xí)正好是學(xué)習(xí)的好方法，而且也學(xué)的特別快。</p><p>　　制作過程是一個考驗人耐心的過程，不能有絲毫的急躁，電路的焊接要一步一步來，焊點多

44、，走線復(fù)雜。另外就是要熟練地掌握課本上的知識，這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決。這是應(yīng)用課本知識的大好時機(jī)。</p><p>　　總之，通過這次練習(xí)我有了很多收獲。在摸索該如何設(shè)計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計思維，增強(qiáng)了動手能力。在改進(jìn)電路的過程中，同學(xué)們共同探討，最后的電路已經(jīng)比初期設(shè)計有了很大提高。在讓我體會到了設(shè)計電路的艱辛的同時，更讓我體會到成功的喜悅和快樂。</p&

45、gt;<p><b>　　七、主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》 范文兵 清華大學(xué)出版社 2007</p><p>　　《數(shù)字電路邏輯設(shè)計（第三版）》 王毓銀 高等教育出版社 2005</p><p>　　《數(shù)字電路實驗基礎(chǔ)》 崔葛瑾 同濟(jì)大學(xué)出版社 2005</p><p>　

46、　《數(shù)字電路實驗與課程設(shè)計》 呂思忠、施齊云 哈爾濱工程大學(xué)出版社 2001</p><p>　　《電子線路 設(shè)計 實驗 測試（第三版）》 謝自美 華中科技大學(xué)出版社 2006</p><p>　　《Multsim9在電工電子技術(shù)中的應(yīng)用》 董玉冰 清華大學(xué)出版社 2008</p><p>　　《數(shù)字電路及制作實例》 陳振官 國防工業(yè)出版社 2006</p&g

47、t;<p><b>　　附錄1：總電路圖</b></p><p>　　附錄2：部分芯片引腳示意圖及其真值表</p><p>　　74LS48引腳示意圖及真值表</p><p>　　74LS279引腳示意圖及真值表</p><p>　　74LS148引腳示意圖及真值表</p><p>