數(shù)電課程設(shè)計(jì)---智力競(jìng)賽電子搶答器

1、<p>　　設(shè)計(jì)題目： 智力競(jìng)賽電子搶答器</p><p>　　設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo):</p><p>　　1、搶答器電路分為搶答電路設(shè)計(jì)和必答電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　2、搶答電路設(shè)計(jì)具體要求： </p><p>　?。?）搶答組數(shù)分為四組，序號(hào)為1~4。</p><p>　　（2）優(yōu)先判斷與指示電路設(shè)

2、計(jì)。</p><p>　?。?）主持人清除上次搶答結(jié)果的電路設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）主持人給選手打分電路與選手得分累計(jì)顯示電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　3、必答電路設(shè)計(jì)具體要求：</p><p>　?。?）30秒必答倒計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）超時(shí)短暫報(bào)警。</p><p

3、>　　第 1 章 電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介</p><p>　　1 原理電路設(shè)計(jì)：</p><p>　　1.1 電路總體工作框圖</p><p>　　圖1：課程設(shè)計(jì)的總體框圖</p><p>　　整個(gè)電路框圖如上圖所示，主要可分為三個(gè)部分，第一部分為四路選手搶搭電路，這部分電路主要采用了四個(gè)74LS595來實(shí)現(xiàn)四位選手僅選可選通一路的功能實(shí)現(xiàn)，

4、并結(jié)合使用多個(gè)四路與非門(即74LS10)來實(shí)現(xiàn)其對(duì)計(jì)時(shí)電路的控制。第二部分為計(jì)時(shí)電路，其通過兩個(gè)級(jí)聯(lián)的74LS161與555定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，并通過其對(duì)于聲音警示電路控制。第三部分為選手計(jì)分電路，需用了可加可減的74LS192來實(shí)現(xiàn)對(duì)于選手的加減積分功能。整個(gè)電路在學(xué)校提供的開發(fā)板上，其中所需使用的LED燈、按鈕按照開發(fā)板作相應(yīng)的調(diào)整。</p><p>　　第 2 章 硬件電路的組成</p>

5、<p><b>　　電路工作原理</b></p><p>　　當(dāng)?shù)谝晃贿x手按下按鈕，74LS373鎖存器構(gòu)成的選通電路就會(huì)將低電平傳至二極管led的負(fù)極，此時(shí)若有其他選手再按下按鈕，其會(huì)導(dǎo)致74LS373處于鎖存數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而使已經(jīng)亮的小燈不會(huì)受到其他選手按鈕的影響，另一方面已經(jīng)選通一路會(huì)通過鎖存器阻止其他路數(shù)據(jù)的傳入。另一方面四位按鈕通過控制74LS161來實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)時(shí)電路的控制

6、，以使得當(dāng)有選手按下按鈕時(shí)計(jì)時(shí)才開始。</p><p>　　計(jì)時(shí)電路由兩個(gè)異步清零的模十計(jì)數(shù)器構(gòu)成，對(duì)其清零通過對(duì)于其清零端與使能端置低電平完成，而兩位已內(nèi)置好74LS48的數(shù)碼管通過與74LS161的輸出管腳來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的顯示。因?yàn)殡娐芬?0秒計(jì)時(shí)，所以使用計(jì)時(shí)十位的74LS161的低兩位作為是否到達(dá)30s的判斷信號(hào)，當(dāng)Q1、Q0均為1的時(shí)候就是到達(dá)30s，此時(shí)通過與非門輸出來控制揚(yáng)聲器以及停止計(jì)時(shí)。</

7、p><p>　　選手計(jì)分電路通過使用可加可減的74LS192來完成，當(dāng)其5管腳為上升沿是，其數(shù)值加一；而當(dāng)4管腳為上升沿時(shí)，其數(shù)值減一。而上升的產(chǎn)生則通過使用電源、地與一個(gè)按鈕完成。選手分?jǐn)?shù)的顯示通過使74LS192的輸出管腳與已內(nèi)置好74LS48的數(shù)碼管相連來完成。</p><p>　　總體電路的設(shè)計(jì)思路如上，后期搭建電路過程中依據(jù)實(shí)際情況做了小幅調(diào)整，當(dāng)整體思路未變。</p>

8、<p>　　1.1總體電路原理圖如下:</p><p>　　圖2：電路工作原理圖</p><p>　　2 單元電路設(shè)計(jì)及芯片簡(jiǎn)介</p><p>　　2.1 搶答器控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　搶答器控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它要完成以下三項(xiàng)功能：</p><p>　　（1）當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，

9、燈泡發(fā)光，并顯示相應(yīng)的組號(hào)，搶答電路封鎖和定時(shí)電路開始工作。 </p><p>　　（2）當(dāng)設(shè)定的答題時(shí)間到，答題人不準(zhǔn)再答題并且將按鈕彈上。</p><p>　　圖3：搶答器控制電路</p><p>　　74LS373簡(jiǎn)介：</p><p>　　圖4：74LS373資料</p><p><b>　

10、　概括起來：</b></p><p>　　(1)：1與11管腳均置低時(shí)，74LS373起到所存數(shù)據(jù)作用，保存內(nèi)部數(shù)據(jù)組織外部數(shù)據(jù)的進(jìn)入。</p><p>　　(2)：當(dāng)1管腳置低，11管腳置高時(shí)，74LS373會(huì)將輸入端的數(shù)據(jù)傳至輸出端。</p><p>　　而我就是使用74LS373這兩種工作功能的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)四路選一的搶答功能</p>&

11、lt;p>　　2.2 計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.2.1顯示部分</b></p><p>　　計(jì)時(shí)電路由兩個(gè)異步清零的模十計(jì)數(shù)器構(gòu)成，通過低位Q3、Q1的與或門產(chǎn)生低電平，并且用此低電平作為自身個(gè)位的清零信號(hào)以及下一位十位的計(jì)數(shù)信號(hào)。</p><p>　　對(duì)其清零通過對(duì)于其清零端與使能端置低電平完成，而兩位已內(nèi)置好74L

12、S48的數(shù)碼管通過與74LS161的輸出管腳來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的顯示。在顯示電路中還有一些與非，這些與非門是用于實(shí)現(xiàn)對(duì)30s的控制，計(jì)數(shù)的開始、清零，報(bào)警聲音的產(chǎn)生與主持人復(fù)位電路的實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　圖5：計(jì)時(shí)電路</b></p><p>　　圖6：74LS161資料</p><p><b>　　2.2.2計(jì)時(shí)部分</

13、b></p><p>　　由555定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)間脈沖，參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，即出現(xiàn)正脈沖，定時(shí)時(shí)間15S，當(dāng)?shù)谝淮纬霈F(xiàn)低電平時(shí)燈泡熄滅，表示答題時(shí)間到，然后主持人即可按復(fù)位。</p><p>　　圖7:555定時(shí)電路</p><p>　　它基本原理是，由于電容C的兩端的電壓不能突變，定時(shí)器的2端電壓低觸發(fā)端為低電平，輸出端3為高電平。電源經(jīng)過R1、R2給電容C

14、充電，當(dāng)電容的電壓充到電源電壓的2/3時(shí)，555內(nèi)部的MOS管導(dǎo)通，輸出為低電平。接著電容通過R2和已經(jīng)導(dǎo)通的MOS管放電，當(dāng)電容的兩端電壓下降到低于1/3的電源電壓時(shí)，MOS管截止電容放電停止，此時(shí)電源通過R1、R2再次向電容充電，如此反復(fù)，形成震蕩，從而在3端得到時(shí)鐘脈沖源輸出，根據(jù)公式：</p><p>　　周期T=（R1+2R2）×C×ln2=0.7（R1+2R2）C 。</p&

15、gt;<p>　　高電平：ＴＷ１＝0.7（R1+R2）C＝１Ｓ</p><p>　　?。篟20=1k (實(shí)際因找不到1k的，所以選用1.2k)</p><p><b>　　R7=71k </b></p><p><b>　　C4=0.01Uf</b></p><p><b&

16、gt;　　C3=10uF</b></p><p>　　2.3 選手計(jì)分電路設(shè)計(jì)</p><p>　　選手計(jì)分電路通過使用可加可減的74LS192來完成，當(dāng)其5管腳為上升沿是，其數(shù)值加一；而當(dāng)4管腳為上升沿時(shí)，其數(shù)值減一。而上升的產(chǎn)生則通過使用電源、地與一個(gè)按鈕完成。選手分?jǐn)?shù)的顯示通過使74LS192的輸出管腳與已內(nèi)置好74LS48的數(shù)碼管相連來完成。具體來說管腳9、10、1、1

17、5四管腳懸空，3、2、6、7四個(gè)管腳與數(shù)碼管的Qa、Qb、Qc、Qd相連，清零端置高，載入數(shù)據(jù)端置低。</p><p><b>　　圖8:選手積分電路</b></p><p>　　圖9：74LS192資料</p><p>　　從真值表中我們可以看出其計(jì)數(shù)脈沖為上升沿有效，對(duì)于4、5管腳的脈沖依次會(huì)產(chǎn)生減數(shù)、加數(shù)功能，而Load端口可以將預(yù)設(shè)值傳

18、入輸出端口。而Clear作為清零端口，低電平有效。</p><p>　　第 3 章 硬件電路的調(diào)試</p><p><b>　　1. 仿真軟件簡(jiǎn)介</b></p><p>　　Proteus 是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的

19、特點(diǎn)是：</p><p>　?、賹?shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動(dòng)態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。</p><p>　?、谥С种髁鲉纹瑱C(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：ARM7(LPC21xx)、 8051/52系

20、列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多種外圍芯片。</p><p>　?、厶峁┸浖{(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2、MPLAB等軟件。</p><p>　　④具有強(qiáng)大的原理圖

21、繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。</p><p>　　proteus6.5是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具,真的很不錯(cuò)?？梢苑抡?1系列、AVR,PIC等常用的MCU及其外圍電路（如LCD,RAM,ROM,鍵盤,馬達(dá),LED,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件,...）</p><p>　　其實(shí)proteus 與 multis

22、im比較類似,只不過它可以仿真MCU！</p><p>　　當(dāng)然,軟件仿真精度有限,而且不可能所有的器件都找得到相應(yīng)的仿真模型,用開發(fā)板和仿真器當(dāng)然是最好選擇,可是估計(jì)初學(xué)者有的可能性比較小吧？</p><p>　　如果你在學(xué)51單片機(jī),如果你想自己動(dòng)手做做LCD,LED,AD/DA,直流馬達(dá),SPI,IIC,鍵盤,...的小實(shí)驗(yàn)的話,試一下吧,不會(huì)讓你失望的！</p>&l

23、t;p>　　用51不管你是用匯編或是C編程當(dāng)然要用keil啦（那個(gè)medwin實(shí)在不怎么樣~）,uvisoin3有不少新特性呢！</p><p>　　使用keil c51 v7.20 + proteus 6.5 可以像使用仿真器一樣調(diào)試程序,一般而言,微機(jī)實(shí)驗(yàn)中用萬利仿真器+電工系自己做的實(shí)驗(yàn)板的實(shí)驗(yàn)都可以做得到吧！</p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b>

24、;</p><p><b>　　2. 電路調(diào)試過程</b></p><p><b>　　整機(jī)電路安裝、調(diào)試</b></p><p><b>　?。?）安裝</b></p><p>　　因?yàn)樵O(shè)計(jì)電路圖時(shí)，為將芯片個(gè)數(shù)考慮進(jìn)去，所以該設(shè)計(jì)方案用到了較多的芯片，而開發(fā)板上僅僅提供了1

25、4個(gè)槽位，所以我安裝的思路是小模塊安裝在面包板上，主模塊安裝在開發(fā)板上，兩者相連的與非門、非門都安裝在開發(fā)板上。</p><p>　　在安裝前先要測(cè)試一下開發(fā)板上數(shù)碼管的好壞，采用將數(shù)碼管的四個(gè)管教全部接高電平的方法，觀察數(shù)碼管是會(huì)否顯示為8，如果是則數(shù)碼管是好的，反之則數(shù)碼管壞了。</p><p>　　安裝調(diào)試的先后順序如下，先安裝選手積分電路部分，原因在于此電路與其他電路相對(duì)獨(dú)立，可以

26、將電路搭在面包板上，這樣就只需與開發(fā)板連接電源就可以使用，既方便調(diào)試又可使連線清楚。</p><p>　　然后搭建555計(jì)時(shí)器電路，其是計(jì)時(shí)電路的基礎(chǔ)。先使用1.2K、50K、21K的電阻，0.01uF、10uF電容搭建于面包板上。而后搭建由兩個(gè)74LS192構(gòu)成的計(jì)時(shí)電路，先讓其與555定時(shí)器相連可以顯示數(shù)字0~30s的變化，而后再接周邊的幾個(gè)與非門，實(shí)現(xiàn)清零、報(bào)警、復(fù)位功能。這樣逐步進(jìn)行搭建可以較快發(fā)現(xiàn)并改正

27、搭建過程中產(chǎn)生的問題。</p><p>　　最后安裝選手搶答電路，之所以將這部分內(nèi)容放在最后，其一在于其功能的測(cè)試需要通過計(jì)時(shí)電路才能實(shí)現(xiàn)，其二在于選手搶答電路所需芯片較多，電路接法最為復(fù)雜，在前面電路接完后，把握會(huì)比較大。</p><p>　　最后部分選用搭建四路中的一路，先將一路的功能實(shí)現(xiàn)，余下的三路就好搭建的多了。選手搶答電路四路具有極大的相似性，且芯片管腳的利用率也較低，接線方便。

28、</p><p><b>　?。?）調(diào)試</b></p><p>　　1.選手積分電路調(diào)試</p><p>　　選手積分電路設(shè)計(jì)上要實(shí)現(xiàn)對(duì)于選手加減分功能，但在實(shí)際使用中出現(xiàn)了一種情況，按下按鈕會(huì)使計(jì)數(shù)一次加二或一次減二。進(jìn)過分析，我覺得這是因?yàn)槲沂褂玫氖前粹o中的鐵片抖動(dòng)造成的，我想通過RS觸發(fā)器來搭建個(gè)防抖動(dòng)電路，來消除抖動(dòng)造成的連續(xù)加數(shù)。&

29、lt;/p><p><b>　　2.計(jì)時(shí)電路調(diào)試</b></p><p>　　在搭建過程中，發(fā)現(xiàn)74LS192的1與15管腳不需相連，相連后回造成進(jìn)位問題；并且在數(shù)值由19向20進(jìn)位的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)問題，進(jìn)位后并不顯示20，顯示出10，但是由9進(jìn)位為10的時(shí)候并未發(fā)生問題，這個(gè)問題當(dāng)時(shí)并未得到解決。第二天其自動(dòng)好了。</p><p>　　在使用十位的低

30、兩位作為停止計(jì)時(shí)與報(bào)警的輸入信號(hào)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)與非門連出兩條線無法實(shí)現(xiàn)，可能是因?yàn)殡娏鞑蛔?，無法驅(qū)動(dòng)其兩個(gè)功能的電路，所以我采用了兩個(gè)與非門分別實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3.選手搶答電路調(diào)試</p><p>　　選手搶答電路設(shè)定使用的是共陽極的數(shù)碼管，但是開發(fā)板上使用的共陰極數(shù)碼管，所以我在此使用了四路反相器來使設(shè)計(jì)圖與開發(fā)板情況相同。</p><p><b&g

31、t;　　3. 總結(jié)</b></p><p>　　本電路使用了74LS373鎖存器，74LS48編碼器，555定時(shí)器,譯碼器數(shù)碼管等構(gòu)成搶答電路，倒計(jì)時(shí)電路。還使用了74ls192等電路實(shí)現(xiàn)計(jì)分功能，并利用使能端與一些門電路，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)鎖存，鳴叫，清零等功能，總結(jié)如下：</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：電路功能原理清晰，各項(xiàng)功能均達(dá)到了要求；電路各部分獨(dú)立性較好，連線方便，便于尋錯(cuò)糾錯(cuò)，

32、基本滿足了普通競(jìng)賽的搶答要求。</p><p>　　缺點(diǎn)：1.在主持人清零前，選手不需要先將按鈕彈回，否則主持人無法進(jìn)行清零。2.在電路采用的是順計(jì)時(shí)，即計(jì)0到30，而非倒計(jì)時(shí)。3.選手使用的是非自動(dòng)上彈型按鈕。 </p><p><b>　　第4章 結(jié)束語</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)體會(huì)</b>&l

33、t;/p><p>　　此次為期5天的數(shù)電課程設(shè)計(jì)，將理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合，既考查了同學(xué)對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，由反映了實(shí)際動(dòng)手能力，更主要的是考查了同學(xué)對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維能力，為今后的發(fā)展提供了一次良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。</p><p>　　針對(duì)課設(shè)題目四路搶答器，一開始還沒有頭緒，不會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，但通過上網(wǎng)查閱各種類似的設(shè)計(jì)，去圖書館翻閱相關(guān)設(shè)計(jì)書籍，查閱所提供的芯片功能

34、，確定基本設(shè)計(jì)方案，又通過仿真驗(yàn)證試驗(yàn)方案的可實(shí)行性，雖說比較煩雜但卻對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)電路有了基本的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)也使自己認(rèn)識(shí)到：</p><p>　　設(shè)計(jì)思路是整個(gè)設(shè)計(jì)的靈魂</p><p>　　拿下每個(gè)課題能有一個(gè)非常清晰的設(shè)計(jì)思路是至關(guān)重要的。只有對(duì)課題的充分理解，對(duì)各種器件的熟練掌握，勾畫出基本的設(shè)計(jì)圖是成功的關(guān)鍵，，必須多花時(shí)間在設(shè)計(jì)上才能為后續(xù)工作提供更扎實(shí)的基礎(chǔ)。翻閱各種資料，上網(wǎng)查詢

35、填補(bǔ)所需知識(shí)的空白是必要的。此次電路圖的設(shè)計(jì)我先是在Protues設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的思路：1.盡量使用老師在清單表上給定的芯片。2.使用鎖存器類芯片實(shí)現(xiàn)四路選一功能。3.精良是各個(gè)模塊相互分離。</p><p>　　設(shè)計(jì)必須要與實(shí)際實(shí)現(xiàn)的硬件環(huán)境相結(jié)合</p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)使用Protues進(jìn)行仿真的結(jié)果與實(shí)際搭建結(jié)果有異：1.實(shí)物上的數(shù)碼管極性，按鈕類型與仿真上的不盡相同。2.有些功能在

36、仿真上可以實(shí)現(xiàn)，在實(shí)物上則不行，這并不是源于接線錯(cuò)誤。而是方針與實(shí)物之間是有差異的。以后在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先考慮硬件。</p><p><b>　　調(diào)試電路</b></p><p>　　調(diào)試工作是個(gè)精細(xì)工作。在調(diào)試過程中，有些問題是芯片本身損壞引起的，也有些是因?yàn)楹附訂栴}引起的等因此排查過程需要特別有耐心，通過對(duì)芯片功能的檢驗(yàn)，當(dāng)最后解決問題時(shí)，電路的正確是非常振奮，也很

37、有成就感和滿足感。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　1、閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，1989</p><p>　　2、張乃國.電子測(cè)量.北京：人民郵電出版社，1985</p><p>　　3、彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京：高等教育出版社，1997</p&g