1、十五路抢答器设计16山 东 轻 工 业 学 院课 程 设 计 任 务 书学院 电子信息与控制工程学院 专业 通信工程 姓名 张显波 班级 08-1 学号 200802041016 题目 十五路智力竞赛抢答器设计主要内容、基本要求、主要参考资料等:1、主要内容:设计一个十五路抢答器主要包括抢答电路、控制电路、定时电路、显示部分抢答器同时供15名选手或15个代表队比赛。主持人可以通过控制开关控制系统的清零和抢答的开始。从而使该抢答器具有智能性。2、基本要求:能够较好实现抢答器的抢答和定时功能,同时能够掌握抢答器的工作原理及其设计方法。3、主要参考资料;1阎石.数字电子技术基础(第五版).高等教育出
2、版社.20052许小军.数字电子技术试验与课程设计指导.东南大学出版社.南京.20073网上资料完成期限:自2010 年 9 月 9 日至 2010 年 9 月 29 日指导教师: 教研室主任:一、设计的目的 通过本课题设计,掌握数字电路系统的设计方法。二、设计任务与要求抢答器同时供15名选手或15个代表队比赛,设置一个系统清除和抢答控制开关S,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,并在LED数码管上显示,同时扬声器发出报警声响提示。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除为止。抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间由主持人设
3、定(如30秒)。 当主持人启动开始键后,定时器进行减计时,同时扬声器发出短暂的声响,声响持续的时间0.5秒左右。参赛选手在设定的时间内进行抢答,抢答有效,定时器停止工作,显示器上显示选手的编号和抢答的时间,并保持到主持人将系统清除为止。如果定时时间已到,无人抢答,本次抢答无效,系统报警并禁止抢答,定时显示器上显示00。三、设计方案论证、选择方案一、选用单片机如51系列、PIC系列、AVR系列等作为主控单元,在单片机最小系统的基础上,I/O口外接15路开关按钮、数码管或显示更多信息的液晶屏(1602、12864等);只需编写一段简单的程序即可实现十五路抢答器。方案二、选用中规模集成芯片组合成十五
4、路抢答器。选用74LS148、74LS48、74LS191、74LS279、74LS04、74LS00、NE555。方案一虽然外围电路简单,可扩展功能较多,如使用凌阳单片机自带的语音功能可实现录音、放音,更显智能化;但是其造价相对较高。而方案二虽然电路相对复杂,连线较多;但是使用简单元件实现了复杂的功能,而且造价低廉,更有实用价值。所以我们选择方案二。四、抢答器整体框图 图1 抢答器组成框图五、各单元电路设计 本部分电路主要包括优先编码电路74LS148、锁存器74LS279、4位二进制/BCD码变换电路。主要功能:抢答电路的功能有两个:一是能分辨出选手按键的先后,并锁存优先抢答者的编号,供译
5、码显示电路用;二是要使其他选手的按键操作无效。选用优先编码74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能,其电路组成如下图所示。其工作原理是:当主持人控制开关处于“清除”位置时,RS触发器的 端为低电平,输出端(4Q1Q)全部为低电平,于是74LS48的BI=0,显示器灭灯;74LS148的选通输入端ST=0,74LS148处于工作状态,此时锁存电路不工作,当主持人开关拨到“开始”位置时,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S1S15输入信号,当有选手将键按下时(如按下S5),74LS148的输Y2Y1Y0=010,YEX=0,经RS锁存器后,
6、CTR=1,BI=1,74LS279处于工作状态4Q3Q2Q=101,经74LS48译码后,显示器显示出“5”。此外,CTR=1,使74LS148的ST端为高电平,74LS148处于禁止工作状态,封锁了其他按键的输入。当按下的键松开后,74LS148的YEX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,其他按键的输入信号不会被吸收,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问题后,由主持人操作控制开关S,使抢答电路复位,以便进行下一轮抢答。1、优先编码电路根据要求,用两片优先编码器74LS148级连组成。由74LS148的功能表可以看出当高位
7、片处于工作状态且没有输入时,Y2,Y1, Y0, YEX都是1,Y S为0 ,低位片也处于工作状态。当高位片有输入时,YS=1 =ST,所以低位片处于封锁状态,同时两片的输出YS=1,高位片YEX为0,低位片的YEX为1。当低位片用输入时,高位片的YS=0,低位片的YS=1,高位片YEX为1,低位片的YEX为0。由 ZYEX=YEX1YEX2 Z0=Y01Y02 Z1=Y11Y12 Z2=Y21Y22 Z3= 可以得到当ST=0时,即74LS148处于工作状态时,不论是低位片还用高位片有输入时,ZYEX都为0,当没有输入时,ZYEX为1。当高位片有输入时,Z3为0,当低位片有输入时,Z3为1,
8、当ST为1时,74LS148处于禁止工作状态,Z3为1。表1 74LS148功能表输入输出STS0S1S2S3S4S5S6S7Y2Y1Y0YEXYS111111011111111111100011111111110100111111110010011111101010011111000100111011010011010010010010100000012、 锁存电路RS触发器的端为低电平,由于74LS148没有输入,都为1,所以输出端(4Q1Q)全部为0。当74LS148有输入,相应的为0,所对应的输出端变为1,当输入退出时,重新变为1,而对应的输出端保持1不变,实现了锁存的功能。 表2 锁
9、存器74LS279真值表输入输出Q11Q0011 10000当ZYEX为0时,Q的输出为1, Q=ST=1,所以令74LS148处于禁止工作状态,使其他按键的输入信号不会被吸收,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问题后,由主持人操作控制开关S,使抢答电路复位(即令=0),以便进行下一轮抢答。3、4位二进制/BCD码变换电路由全加器74LS283与门电路组成,由于用15路选择,4位二进制数表示的十进制数的范围为015,其8421BCD码需用5位二进制数表示,它们之间的对应关系如下表表3 4位二进制/BCD码变换电路真值表二进制数BCD码Z3Z2Z1Z0D10D03D
10、02D01D0000000000001000100001200100001030011000114010000100501010010160110001107011100111810000100091001010011010101000011101110001121100100101311011001114111010100151111101014、定时电路 1、计数器的时钟脉冲由秒脉冲产生电路提供。555构成的多谐振荡器作为秒脉冲发生器图 2 秒脉冲产生电路 电路的振荡周期和频率计算如下 取=15K, =68K, C=10uF,可得振荡频率为所以, T=1s 5、 74LS191构成的三十进
11、制递减计数器74LS191是二进制可编程同步加/减计数器,采用8421码二-十进制编码,并具有直接清零,置数,加/减计数功能。由74LS191构成的三十进制递减计数器的电路原理图如下所示,低位片的BO2借位信号接到高位片的CPD端,两片的CPU端都接高电平。从功能表和时序图可以得到三十进制递减计数器的工作原理:预置数为N=(0011 0000)8421 BCD=(30)10 只有当低位BO2端发出借位脉冲时,高位片计数器才作减计数,当高,低位计数器处于全零,且CPD为0时,高位片BO2端发出借位脉冲。当LD为电低平时,计数器完成并行置数。图3 减法计数器电路6、 声光报警电路由555组成多谐振
12、荡器,产生约为1Khz的脉冲,来驱动扬声器发生声音。振荡频率为 周期T=1/100=0.01S7、控制电路 1) 主持人将控制开关拨到“开始”位置时,扬声器发声,抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。 2) 当参赛选手按动抢答键时,扬声器发声,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,扬声器发声,同时抢答电路和定时电路停止工作。根据上面的功能要求设计的时序控制电路如下图所示。图中,门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止,门G2的作用是控制74LS148的输入使能端ST。工作原理是:主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时, 74LS279的输出CTR=0,经
13、G3反相,A=1,则从555输出端来的时钟信号CP能够加到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, 74LS192的借位输出端BO2=1,门G2的输出ST=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键时,CTR=1,经G3反相,A=0,封锁CP信号,定时器处于保持工作状态;同时,门G2的输出ST=1,74LS148处于禁止工作状态,从而实现功能(2)的要求。当定时时间到时,来自74LS192的BO2=0,ST=1,74LS148处于禁止工作状态,禁止选手进行抢答。同时,门G1处于关门状态,封锁CP信号,使定
14、时电路保持00状态不变,从而实现功能(3)的要求。八、总电路原理图 图4 智力竞赛抢答器总电路九、总结与心得经过了这次课程设计,我对数字电子知识有了进一步的认识,并能熟练掌握,而且能综合运用,设计出简单的应用电路。熟悉了电路的制作流程,包括原理图设计、软件仿真、生成PCB印刷电路图、使用万能板焊接成实用电路。大大地提高了我的动手能力以及分析问题的能力。 这次课程设计,让我学到了很多有用的知识和能力,这对以后的学习和工作都将是非常有益的。参考文献1阎石.数字电子技术基础(第五版).高等教育出版社.20052许小军.数字电子技术试验与课程设计指导.东南大学出版社.南京.20073网上资料附录一:部分元件清单74LS191 2片NE555 2片74LS48 2片74LS279 1片74LS148 1片74LS00 1片74LS121 1片74LS04 1片发光二极管电阻电容