電子課程設(shè)計--八路搶答器

1、<p>　　學 生 課 程 設(shè) 計 報 告</p><p>　　課程名稱： 電工與電子課程設(shè)計 </p><p>　　院 別： 機電學院 </p><p>　　專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化</p><p>　　班 級： 09機械本 </p>&l

2、t;p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計任務及主要技術(shù)指標和要求……………………………</p

3、><p>　　八路搶答器各部分的設(shè)計及其原理</p><p>　　2.1 搶答電路設(shè)計 ……………………………………………………</p><p>　　2.2 定時電路設(shè)計 ……………………………………………………</p><p>　　2.3 秒脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計 ……………………………………………</p><p>　　2

4、.4 報警電路設(shè)計 …………………………………………………</p><p>　　2.5 時序控制電路設(shè)計 ………………………………………………</p><p>　　2.6 供電電源電路設(shè)計………………………………………………</p><p>　　2.7搶答總體電路設(shè)計……………………………………………</p><p>　　元器件清單………

5、…………………………………………………</p><p>　　心得體會 …………………………………………………………</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………</p><p>　　設(shè)計任務及主要技術(shù)指標和要求</p><p><b>　　1、基本功能</b></p>&

6、lt;p>　　(1).設(shè)計一個智力競賽搶答器，可同時供8名選手或8個代表隊比賽，他們的編號是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應，分別用8個按鈕S0 ~ S7表示。 （2）.給節(jié)目主持人設(shè)置一個控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零（編號顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。（3）. 搶答器具有鎖存與顯示功能。搶答開始后，若有選手按動按鈕，編號立即鎖存，并在LED數(shù)碼管上顯示出選手的編號，同時揚聲器發(fā)出

7、報警聲響提示。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。</p><p>　　（4）設(shè)計為搶答電路供電的電源，電源技術(shù)指標為：輸入交流電220v，輸出直流電壓5v，輸出電流1A。輸入電壓在220v上下波動10%時，輸出電壓相對變化量小于2%，輸出電阻R＜0.1Ω，輸出最大紋波電壓小于10mV。</p><p>　　2、拓展功能（選做）<

8、/p><p>　　(1)搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設(shè)定（如30秒）。當主持人啟動"開始"鍵后，定時器進行減計時，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時間0.5秒左右。（2） 參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止（3） 如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示

9、器上顯示00。</p><p>　　二、八路搶答器各部分的設(shè)計及其原理</p><p>　　此次設(shè)計的八路定時搶答器有兩種設(shè)計方案，第一種方案的總體框圖如圖1.1所示</p><p>　　圖1.1 方案一的總體設(shè)計框圖 </p><p>　　其原理是：主持人按動開始搶答的開關(guān)后，最先搶答的選手的電平信號先經(jīng)過優(yōu)先編碼器，再依次經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器

10、，此時已經(jīng)限制了其他選手的搶答，信號再經(jīng)過譯碼器和七段數(shù)碼顯示器，將最先搶答的該選手的編號顯示出來，并同時產(chǎn)生報警信號，到此完成的是搶答功能；如果沒有人搶答， 30秒減計數(shù)器減到00時也會發(fā)出報警信號，此是完成計時功能。這種方案原理比較簡單，但組裝電路比較麻煩，控制電路部分要用幾種芯片，相對繁瑣。</p><p>　　第二種方案的總體框圖如圖2所示：該方案是將搶答按鈕先直接與鎖存器而不是優(yōu)先編碼器相連，將最先搶答

11、的選手的編號鎖定，再依次經(jīng)過優(yōu)先編碼器、譯碼器和七段顯示器，最后顯示的是搶答選手的編號，經(jīng)過優(yōu)先編碼器后的信號到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又與報警電路直接連接，所以顯示編號的同時可以發(fā)出報警信號。另外由主持人控制開關(guān)和其他部分電路通過門電路實現(xiàn)對搶答電路、定時電路和報警部分電路的控制。</p><p>　　圖1.2 方案二的總體設(shè)計框圖</p><p>　　相比之下，第二種方案更好些。它

12、的優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面：主持人對整體電路的控制只需幾個門電路就可完成，不必用特別的芯片來組成控制電路；更容易實現(xiàn)報警提示功能，在有選手搶答后或者計時開始和結(jié)束時；用集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器代替了自己設(shè)計的控制電路，既減少了布線使整個電路更直觀簡單又降低了產(chǎn)生錯誤的可能性。所以以下的設(shè)計方案都是按照方案二進行的。</p><p>　　2 八路搶答器各部分電路設(shè)計及其原理</p><p>　　單元電

13、路包括搶答電路、秒脈沖發(fā)生器電路、定時電路、報警電路和時序控制電路。下面將一一介紹。</p><p><b>　　2.1搶答電路設(shè)計</b></p><p>　　搶答電路的功能有兩個：一是選手搶答后鎖存器進行數(shù)據(jù)鎖存，禁止其它選手搶答，二是搶答后的電平信號由優(yōu)先編碼器判斷選手編號，并經(jīng)譯碼器譯碼再由顯示器顯示該編號。電路是由八D鎖存器、優(yōu)先編碼器74148和七段譯碼器

14、7448和七段數(shù)碼顯示器組成。</p><p>　　74LS373是常用的八D鎖存器，它功能表如表1所示。</p><p>　　表1. 芯片74LS373的功能表</p><p>　　表可知，只有當使能端為高電平時才能將輸入信號輸出，同時鎖存，且此時由功能輸出控制端為低電平。</p><p>　　74LS148是有八個輸入端，三個輸出端的優(yōu)先

15、編碼器，它的功能是判斷搶答選手的編號。74LS148的功能表如表2所示。</p><p>　　表2 74LS148的功能表</p><p>　　七段顯示譯碼器7448輸出高電平有效，用以驅(qū)動共陰極顯示器。該集成顯示譯碼器設(shè)有多個輔助控制端，以增強器件的功能。七段顯示譯碼器一般與七段數(shù)碼顯示器相連，共同構(gòu)成四輸入端的數(shù)碼顯示電路。共陰極數(shù)碼顯示器的功能表如表3所示</p>&l

16、t;p>　　表3 共陰極數(shù)碼顯示器的功能表</p><p>　　搶答器電路（圖2.1原理是：當任意一個選手按下?lián)尨鸢粹o后，74LS373開始工作，與輸入端對應的輸出端為低電平，低電平經(jīng)過74LS148編碼后輸出的是一組與輸入對應的三位二進制數(shù)，再經(jīng)過譯碼顯示電路將對應的編號顯示出來。編碼器74LS148工作時輸出使能端為高電平，將其連接到鎖存器的控制端口，使其由低電平變?yōu)楦唠娖?，禁止它再工作，即使其他選手再

17、按動按鈕，也不會再有輸出，也就是完成了鎖存功能。</p><p>　　圖2.1搶答器電路圖</p><p>　　2.2 定時電路設(shè)計</p><p>　　本次設(shè)計的要求中有一項是有定時搶答的功能，并且一次搶答的時間可以由主持人設(shè)定。這就要設(shè)計定時電路。</p><p>　　定時電路是由兩片74LS192、7448和共陰極顯示器組成的。其中74

18、48和共陰極顯示器共同構(gòu)成數(shù)碼顯示功能電路在前面的搶答電路中已經(jīng)介紹過了。兩片74LS192是構(gòu)成兩位十進制遞減計數(shù)器，以實現(xiàn)定時功能。</p><p>　　74LS192是具有置數(shù)和清零功能的同步十進制減計數(shù)器，其功能表如表4所示：</p><p>　　表4 74192的功能表</p><p>　　由以上集成芯片設(shè)計的定時電路如圖2示。</p>&l

19、t;p>　　定時電路（圖2的工作原理是：首先主持人根據(jù)題的難易程度來確定搶答時間，并通過74LS192的置數(shù)端將時間輸入，搶答開始時主持人將清零開關(guān)置低電平，計數(shù)器開始遞減計數(shù)至00，產(chǎn)生報警，計數(shù)器停止工作。計時期間有人搶答，減計數(shù)器停止計時，顯示器上顯示此刻時間。</p><p>　　圖2..2時間的定時電路圖</p><p>　　2.3 秒脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計</p>

20、<p>　　為了準確地計時，設(shè)計中不能缺少秒脈沖產(chǎn)生電路，即能產(chǎn)生周期為一秒的脈沖的電路。</p><p>　　如圖2.3所示為用555設(shè)計的秒脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　因為周期為一秒，所以頻率是1赫茲。圖中電容的充放電時間分別是：</p><p>　　t1=R2×C1×ln2≈0.7R2×C.t2=(R1+R2)&

21、#215;C×ln2≈0.7(R1+R2)C. </p><p>　　所以555的3端輸出的頻率為： </p><p>　　f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2R1+R2)C] </p><p>　　我們采用的電阻和電容值分別是:</p><p>　　R1=15KΩ，R2=64KΩ，C1=10uf,滿足上式，即得到的是秒脈

22、沖</p><p>　　圖 2.3 秒脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　2.4 報警電路設(shè)計</p><p>　　報警電路是由555定時器組成的，電路如圖2.4所示</p><p>　　圖中555定時器用來構(gòu)成多諧振蕩器，震蕩頻率和秒脈沖產(chǎn)生電路中頻率的計算方法相同。3端的輸出信號經(jīng)過三級管驅(qū)動揚聲器，發(fā)出報警信號。當4端的輸入信號是高電平時

23、，振蕩器工作，有報警信號，4端輸入低電平時，振蕩器不工作，沒有報警信號。也就是說需要報警時只需控制輸入端就可以了。</p><p><b>　　圖2.4報警電路圖</b></p><p>　　2.5 時序控制電路設(shè)計</p><p>　　控制電路包括控制揚聲器發(fā)聲時間的部分電路和將以上各個部分電路連接起來的電路</p><p

24、>　　因為揚聲器的發(fā)聲時間要控制在0.5秒，所以要控制報警電路的輸入脈沖的脈寬，也就是脈沖周期?？梢赃x用不可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121，它的功能表如表5所示。</p><p>　　表5 74121的功能表</p><p>　　由功能表可知，當三個輸入端的狀態(tài)不變時輸出是低電平，低電平接至報警電路的輸入端是不會有報警信號的，只有當輸入端有上升延或是下降延（具體如表）時，輸出端才

25、會有單次脈沖，將高電平接至報警電路時就會產(chǎn)生報警信號了。</p><p><b>　　這部分控制電路的</b></p><p><b>　　電路圖如圖2.5所</b></p><p><b>　　示:</b></p><p>　　圖2.5控制部分電路圖</p>&

26、lt;p>　　圖中的電阻和電容的值可以決定脈沖寬度： Tw≈0.7RC。要求報警時間為0.5秒，所以我們選擇電阻R=10 kΩ，電容C=71μF 。</p><p>　　2.6 為搶答電路供電的電源設(shè)計</p><p>　　圖2.6 直流電源的原理框圖</p><p>　　如圖2.7，用交流變壓器把220V交流電壓變?yōu)?.5V交流電壓（變壓器功率12W），然后

27、用橋式整流把7.5V交流電壓變?yōu)榉逯?0.6V左右的單向脈動電壓，用2000μF/16V的鋁電解電容濾波，把單向脈動電壓變?yōu)楹薪涣骷y波的直流電壓，</p><p>　　再用5V輸出的線性穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓（注意輸出端對地要接一個幾百μF/10V的鋁電解電容抑制可能產(chǎn)生的自激振蕩）。</p><p>　　關(guān)于選擇那些元器件的依據(jù)（輸入交流電220v，輸出直流電壓5v/1A）如下，線性穩(wěn)壓器

28、7805的額定輸出電流是1A，正好滿足需要，7.5V/12W輸出是小型交流變壓器的基本規(guī)格之一，而且7805要求的最小輸入電壓是8V，而7.5V交流電壓經(jīng)過橋式整流濾波后的直流電壓是8.6V左右，這個電壓正好給要求8V的最低電壓留出了一點余量，恰到好處，再低則7805無法正常工作，過高則效率降低，7805會發(fā)燙。整流二極管用1N4001~1N4007，7805的輸入濾波電容耐壓要比8.6V稍高即留有余量，選耐壓16V是必要的，又由于輸出

29、電流1A所以容量也要稍大選2000μF較好，7805的輸出電容可以稍小些，100μF（可選200μF）以上即可，這些都是最普通的元器件，很容易買到。</p><p>　　圖2.7 供電電源整流電路</p><p>　　2.7 整機電路設(shè)計</p><p>　　各部分電路都已經(jīng)的設(shè)計完畢，現(xiàn)在介紹一下總體電路。在部分電路圖上已經(jīng)表示出了它們之間的聯(lián)系。相同編號的輸出端

30、和輸入端是要連接在一起的，例如，輸出端1要接輸入端1，輸出端2要接輸入端2，依此類推，把各個電路連接起來就是總體電路圖了。開關(guān)K是主持人控制的，開始時接高電平，清零時接低電平。同時還有主持人的置數(shù)開關(guān)和選手的搶答開關(guān)，分別在定時電路和搶答電路中。圖中“1”表示要接高電平+5V,“0”表示接低電平，即接地。</p><p>　　下面介紹本次設(shè)計的搶答器的使用原理。</p><p>　　首先是

31、各個選手分別對應的按鈕編號是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，搶答后顯示器上顯示的分別是0、1、2、3、4、5、6、7。 </p><p>　　然后是主持人對整個電路系統(tǒng)清零，將開關(guān)置于“清零”的位置，輸出低電平，分為三路：一路與74LS148的E0端與非后變?yōu)楦唠娖捷敵龅?4373的使能端C，此時鎖存器不鎖存數(shù)據(jù)，所以搶答部分顯示器滅燈無顯示，實現(xiàn)了清零；另一路低電平輸出到計數(shù)器74LS19

32、2的LD端，而CR端也是低電平，所以使得對應顯示器輸出預置的數(shù)據(jù)；三是與集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121相連，因為是低電平所以沒有報警信號。</p><p>　　接下來主持人根據(jù)題目的難易程度設(shè)置搶答時間，此設(shè)定可以通過調(diào)節(jié)輸入兩片74LS192的四個輸入端D、C、B、A的高低電平來進行（例如要設(shè)定時間為30秒,就將十位的74192的D、C、B、A分別置位為0、0、1、1，而將各位的74LS192的D、C、B、A都

33、置于0）。當主持人宣讀完題目說“開始”并將開關(guān)置于“開始”位置后，輸出為高電平，此高電平有三路方向：一路輸出到集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121的輸入端，使其產(chǎn)生單個周期為0.5S的脈沖，驅(qū)動報警電路發(fā)出聲響，即實現(xiàn)了發(fā)聲提示的功能；另一路輸出到74LS192的LD端，使其處于高電平而開始減計數(shù)；還有一路輸出到鎖存器的C端；</p><p>　　當任意一個選手搶答時，例如2號搶答時，八D鎖存器74LS373工作，與輸

34、入端相對應的輸出端2Q輸出低電平，則鎖存器輸出的八位電平經(jīng)8～3八位優(yōu)先編碼器74LS148編碼輸出的A2～A0成為與輸入信號相對應的三位二進制碼001，而74LS148的管腳15（E0）的輸出電平由低變高，輸出到七段譯碼顯示器74LS48的二進制碼經(jīng)其譯碼后輸出到七段共陰數(shù)碼管上，則顯示器上顯示對應的編號1。此時，74LS48的RI/RBO端輸出高電平，開關(guān)出也輸出高電平，二者經(jīng)過與非門輸出低電平，經(jīng)過與門還是低電平輸出到鎖存器74L

35、S373的C端，起到所存功能，其他選手若再按動對應按鈕也無對應輸出，，即實現(xiàn)了搶答功能；同時，由于74LS148的E0段輸出高電平輸出到集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121的輸入端，使其產(chǎn)生單個周期為0.5S的脈沖，驅(qū)動報警電路發(fā)出聲響，即實現(xiàn)了發(fā)聲提示的功能；同時，74LS148的GS端輸出電平由高變低，與秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖相與后輸出為0，使得無脈沖抵達計數(shù)器74LS192的Down端。計數(shù)器停止工作，保持原來顯示不變，即實現(xiàn)了暫停減

36、計數(shù)使其記錄搶答時間的功能；</p><p>　　若沒有選手按動按鈕，則74LS373輸出全為高電平，74LS148也輸出高電平，E0端輸出低電平至74LS48的滅燈輸入RI/RBO端，使得信號經(jīng)74LS48到顯示器上時無顯示；若到定時部分計數(shù)器倒計時到00還無選手按動按鈕的話，十位74LS192的借位輸出端輸出高電平，將此輸出高電平輸入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121的B端口，使其產(chǎn)生周期為0.5s的脈沖刺激報警路

37、發(fā)聲提示；</p><p>　　綜上所述，這次設(shè)計的電路完全可以實現(xiàn)要求中的所有功能</p><p><b>　　下圖是整機電路圖:</b></p><p><b>　　元器件清單</b></p><p><b>　　表6 元器件清單</b></p><p&

38、gt;<b>　　心得體會</b></p><p>　　最后一周的實習竟然是課程設(shè)計，太不可思議了。剛剛接到課題的時候，就忍不住一陣好奇，搶答器啊，做都沒做過，也沒見過，接下來更多想到的是悲劇，因為這幾天剛好是復習的時間，哪里會有時間搞這些啊，更何況這個對我們來說挺難的。</p><p>　　不過開始設(shè)計時遇到的問題不是很多，這讓我這種感覺好了一點了，因為老師說這個比

39、較簡單，可以有很多資料參考，所以我們剛回來就向圖書館奔去，首先是借各種有關(guān)書籍，比如元器件手冊，555集成電路，電子技術(shù)課程設(shè)計等，然后查資料找設(shè)計方案，再就根據(jù)部分電路的功能找對應的芯片，還要找管腳圖和功能表，很多要自己親手畫，等這些準備工作都做好以后還要畫電路圖。先是畫部分電路圖，然后畫整機圖，有點難度，單單畫圖就花了我兩天的時間，幸好想到用CAD畫，不然就慘了。不過有時圖太大了，放在word文檔中自動就縮小了，有的就會變形，要不斷

40、調(diào)整，修改，但還是不怎么好，有很多字小的都看不到了，總之是問題多多。</p><p>　　通過這次的課程設(shè)計，我覺得我不僅學會了很多原來沒有掌握的理論教科書上的知識，更多是學到了一些理論書上沒有的，如設(shè)計各種功能電路的方法、修改電路等。在平時的學習中基本不會遇到錯誤的電路，但現(xiàn)在是自己設(shè)計，還要自己發(fā)現(xiàn)錯誤，再自己修改，所以這需要很好的知識基礎(chǔ)。只可惜自己對理論知識掌握得不夠，所以有不懂的就請教了百度，搞了一些資

41、料參考。</p><p>　　課程設(shè)計基本結(jié)束了，它對我來說有很大的意義，鍛煉了我獨立思考和解決問題的能力，還培養(yǎng)了我的耐心，最后我收獲的不僅是能夠完成課程設(shè)計，更是完成一項設(shè)計的自豪和自信，同時還讓我溫習了一下CAD，還真不錯。它使我變得更相信自己，也更認真的對待事情，更加務實和有耐心。</p><p>　　很高興有這樣一個鍛煉、提高自己的機會。盡管是在復習壓力中度過的…</p&g

42、t;<p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]張慶雙 電子元器件的選用與檢測 北京：機械工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[2]楊志忠 電子技術(shù)課程設(shè)計. 北京：機械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[3]陳有卿 555時基電路原理、設(shè)計與應用 北京 ：電子工業(yè)出版社，2007</p&