..課程設(shè)計課程名稱數(shù)字電子技術(shù)題目名稱四人智力競賽搶答器學生學院物理與光電工程學院專業(yè)班級14級電子4班學號學生姓名指導教師一、設(shè)計題目：四人智力競賽搶答器二、設(shè)計任務和要求1.設(shè)計任務：設(shè)計一臺可供4名選手參加比賽的智力競賽搶答器。用數(shù)字顯示搶答倒計時間,由"9"倒計到"0"時,無人搶答,蜂鳴器連續(xù)響1秒。選手搶答時,數(shù)碼顯示選手組號,同時蜂鳴器響1秒,倒計時停止。2.設(shè)計要求：<1>4名選手編號為：1,2,3,4。各有一個搶答按鈕,按鈕的編號與選手的編號對應,也分別為1,2,3,4。<2>給主持人設(shè)置一個控制按鈕,用來控制系統(tǒng)清零〔搶答顯示數(shù)碼管滅燈和搶答的開始。<3>搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開始后,若有選手按動搶答按鈕,該選手編號立即鎖存,并在搶答顯示器上顯示該編號,同時揚聲器給出音響提示,封鎖輸入編碼電路,禁止其他選手搶答。搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。<4>搶答器具有定時〔9秒搶答的功能。當主持人按下開始按鈕后,定時器開始倒計時,定時顯示器顯示倒計時間,若無人搶答,倒計時結(jié)束時,揚聲器響,音響持續(xù)1秒。參賽選手在設(shè)定時間〔9秒內(nèi)搶答有效,搶答成功,揚聲器響,音響持續(xù)1秒,同時定時器停止倒計時,搶答顯示器上顯示選手的編號,定時顯示器上顯示剩余搶答時間,并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。<5>如果搶答定時已到,卻沒有選手搶答時,本次搶答無效。系統(tǒng)揚聲器報警〔音響持續(xù)1秒,并封鎖輸入編碼電路,禁止選手超時后搶答,時間顯示器顯示0。三、原理電路的設(shè)計：1．〔1電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：揚聲器揚聲器數(shù)碼顯示脈沖電路倒計時器譯碼器數(shù)碼顯示揚聲器鎖存器編碼轉(zhuǎn)換電路譯碼器主持人選手方案的比較與確定及單元電路的設(shè)計：方案一：電路大致可以由四個功能模塊組成：以鎖存器為中心的編碼顯示電路部分,脈沖產(chǎn)生電路部分,倒計時顯示電路部分,音響電路部分。在鎖存器為中心的編碼顯示電路中,由鎖存器74HC373,編碼器74HC148,顯示器和門電路組成。使用74HC373作為鎖存電路,當有人搶答時,利用鎖存器的輸出信號號將時鐘脈沖置零,74HC373立即被鎖存,同時蜂鳴器鳴叫1S,此后搶答無效,使用74HC148作為編碼器,對輸入的信號進行編碼,輸出4位BCD碼,再將這4位的BCD碼處理并輸入到數(shù)碼管里顯示出搶答者的編號；在脈沖產(chǎn)生電路部分中,用555定時器予以實現(xiàn),通過調(diào)節(jié)電阻的阻值得到符合要求的脈沖,因為可以通過改變電阻微調(diào)頻率,取代了用分頻器對高頻信號進行分頻,從而使電路更簡單；在倒計時顯示電路中,由計數(shù)器CD4510和顯示器組成。利用CD4510計數(shù)器作為倒計時的芯片,當主持人按下?lián)尨鸢粹o時,CD4510被置9,開始倒計時,并通過CD4511和數(shù)碼管顯示此時的時間。假如在9秒內(nèi)有人搶答,則計數(shù)器停止倒計時,鎖存器鎖存,禁止選手搶答,蜂鳴器鳴叫一秒。在音響電路部分中,由555定時器和電阻電容接合成多諧振蕩器,產(chǎn)生所需要的脈沖,然后接入蜂鳴器構(gòu)成。方案二：電路大致可以由四個功能模塊組成：以鎖存器為中心的編碼顯示電路部分,脈沖產(chǎn)生電路部分,倒計時顯示電路部分,音響電路部分。在編碼鎖存電路中,可以用七段數(shù)碼管CD4511本身具有的鎖存顯示功能對輸入的數(shù)據(jù)進行鎖存。當CD4511的LE端被置于高電平時,禁止信號輸入,并把譯碼顯示鎖存在LE端被置高電平前的狀態(tài)。編碼部分的電路,主要由一片8—3優(yōu)先編碼器CD4532構(gòu)成,當有按鍵被按下,編碼端輸出一個BCD碼并輸入到CD4511進行譯碼,顯示在數(shù)碼管上,在這一瞬間,由74HC151構(gòu)成的邏輯電路輸出一個高電平,用以鎖存數(shù)據(jù)和驅(qū)動蜂鳴器,并使計時停止。鎖存后,不能再進行編碼輸入。計時電路由定時器555和十進制BCD碼計數(shù)器CD4510構(gòu)成,計時顯示由一片CD4511和數(shù)碼管組成。當計數(shù)到0時,產(chǎn)生一個借位信號,用這個借位信號控制555停止計時,同時驅(qū)動蜂鳴器,并對編碼電路進行鎖存。在音響電路部分中,由源蜂鳴器和兩個反相器,RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成音響電路,通過調(diào)節(jié)RC的大小來控制蜂鳴器響的時間。2.整體電路以下圖2為整體電路圖,電路圖為Multisim仿真軟件的原理圖,包括所選芯片、電阻、二極管等元件的型號和參數(shù)。電路的電源為5V直流電壓,電阻的參數(shù)計算以5V電壓為標準,具體參數(shù)如下圖所示：圖2整體電路圖3．單元電路設(shè)計3.1編碼電路編碼電路的主要功能是將選手按下的序號通過邏輯處理轉(zhuǎn)換為二進制的BCD碼,BCD碼,通過譯碼器譯碼顯示在七段數(shù)碼管上。為了電路設(shè)計方便,選用集成的編碼芯片。可選74HC148、CD4532、CD40147等編碼芯片,這里選用CD4532。CD4532可將輸入I7～I0的信號編碼為3位二進制碼,即8421BCD碼。8個輸入端I7～I0具有指定優(yōu)先權(quán),I7為最高優(yōu)先權(quán),I0為最低。當片選輸入ST為低電平時,優(yōu)先譯碼器無效。當ST為高電平,優(yōu)先輸入的信號被編碼為8421BCD碼,呈現(xiàn)于輸出線Y2～Y0。組選線YGS為高電平,表明輸入存在,當無輸入時,Ys輸出為高電平。電路處于工作狀態(tài)時,當選手按下?lián)尨鸢存I,編碼器CD4532對應的輸入端被置為高電平,輸出端輸出相應的BCD碼,送給下一步的電路。電路如圖所示：3.2鎖存和顯示電路在方案三的電路中,沒有用到專門的鎖存器,這是因為譯碼驅(qū)動電路中的驅(qū)動芯片CD4511本身具備鎖存功能,因此可以不必外加鎖存器,從而簡化了電路。CD4511是一片7段譯碼器,并具備鎖存和驅(qū)動能力,用于驅(qū)動共陰極數(shù)碼管顯示器。具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能,能提供較大的拉電流,可直接驅(qū)動共陰數(shù)碼管。其中a,b,c,d為BCD碼輸入,a為最低位。LT為燈測試端,加高電平時,顯示器正常顯示,加低電平時,顯示器一直顯示數(shù)碼"8",各筆段都被點亮,以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端,低電平時使所有筆段均消隱,正常顯示時,B1端應加高電平。LE是鎖存控制端,高電平時鎖存,低電平時傳輸數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)保持在LE被置高電平的狀態(tài)。a～g是7段輸出,可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。圖3為芯片CD4511的引腳圖.電路工作時,當有搶答按鍵未被按下且計數(shù)器計數(shù)不到0時,組合邏輯電路74HC151輸出一低電平至LE引腳,LE為低電平,數(shù)據(jù)不鎖存；當有搶答按鍵被按下時,邏輯電路74HC151輸出高電平,LE引腳被置為高電平,數(shù)據(jù)處于鎖存狀態(tài),輸入無效,直到數(shù)據(jù)被清零。圖3.1圖3.274HC151是一個八選一數(shù)據(jù)選擇器,它有八個數(shù)據(jù)輸入端D0～D7,一個選通端S,三個數(shù)據(jù)選擇端A,B,C和兩個數(shù)據(jù)輸出端W,Y。當選通端S為1時,八個選通端都被截止。當S為0時,該芯片從八個輸入端中選擇一個輸出。此時,三個數(shù)據(jù)選擇端A,B,C可以從000到111之間變換,選擇不同的通道輸出,輸出端Y為同向輸出,輸出端W為反向輸出。七段數(shù)碼管顯示0時,其段的導通狀態(tài)如下表,其中1為導通,0為截止。段abcdefg導通狀態(tài)1111110數(shù)據(jù)選擇器的選擇端A,B,C分別接數(shù)碼管的d,e,f段,選通端S接g段,數(shù)據(jù)輸入端D0～D6接低電平,D7接高電平。當數(shù)碼管顯示0時,A,B,C為高電平,即111,選擇D7位的數(shù)據(jù),輸出端Y為高電平。可以設(shè)計讓數(shù)碼管顯示其他數(shù)字時,輸出端Y均輸出低電平。輸出端W的相位與Y相反,數(shù)碼管顯示0時,W輸出低電平,數(shù)碼管顯示其他數(shù)字時,W輸出高電平。輸出端W的信號可作為鎖存數(shù)據(jù)的信號。3.3脈沖發(fā)生電路為了計數(shù)器能正常計數(shù),需要得到頻率為1Hz的信號作為計數(shù)器的時鐘輸入。這里選用555定時器,以555定時器為核心構(gòu)成的多諧振蕩器能產(chǎn)生方波脈沖,通過調(diào)節(jié)外接的電子電容即可得到頻率為1Hz的時鐘信號。多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài),只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后,經(jīng)過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列矩形波。如圖3.3〔1和3.3〔2,接通電源后,假定輸出Vo是高電平,則V截止,電容C充電。充電回路是VCC→R1→R2→C→GND,按指數(shù)規(guī)律上升,當上升到2Vcc/3時,輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。Vo輸出低電平,V導通,C放電,放電回路為C→R2→V→GND,按指數(shù)規(guī)律下降,當下降到Vcc/3時,輸出翻轉(zhuǎn)為高電平,晶體管V截止,電容再次充電。如此周而復始,產(chǎn)生振蕩。經(jīng)分析可得：輸出高電平時間輸出低電平時間振蕩周期圖3.3〔1圖3.3〔23.4倒計時電路在搶答開始后,倒計時電路從9開始,計數(shù)到0時停止,共9秒時間。用一個十進制減法計數(shù)器就能實現(xiàn)倒計時計數(shù)功能。CD4510為可預置BCD可逆計數(shù)器,該器件主要由四位具有同步時鐘的D型觸發(fā)器構(gòu)成。具有可預置數(shù)、加/減計數(shù)器和多片級聯(lián)使用等功能。CD4510具有復位CR,置數(shù)控制LD、并行數(shù)據(jù)輸入P1～P4、并行數(shù)據(jù)輸出Q1～Q4、加減控制U/D、時鐘CP,計數(shù)控制CI和進位/借位輸出CO等引腳。CR為高電平時,計數(shù)器清零。當LD為高電平時,D0～D3上的數(shù)據(jù)置入計數(shù)器中,CI控制計數(shù)器的計數(shù)操作,CI為低電平時,允許計數(shù)。此時,若U/D為高電平,在CP時鐘上升沿計數(shù)器加1計數(shù)；反之,在CP時鐘上升沿減1計數(shù)。在電路中,只需要減法計數(shù)功能,因此U/D、PE、CI和P1～P4引腳全部接低電平。計數(shù)時,在時鐘脈沖的作用下,計數(shù)器做減法計數(shù),到達0時,CO腳輸出借位信號。可用此借位信號控制時鐘電路,讓其停止產(chǎn)生脈沖,從而使電路計數(shù)到0時停止計時并鎖存數(shù)據(jù)。圖3.4〔1圖3.4〔23.5音響電路電路中使用有源蜂鳴器,即只要輸入高電平,蜂鳴器就能發(fā)出響聲,不需要外加振蕩電路。因此,電路可以簡單一些。如圖所示,兩個反相器輸入端的阻抗很大,因此幾乎沒有電流流進。由于電容兩端的電壓不能突變,當輸入端跳變?yōu)楦唠娖綍r,第一個反相器U1A的輸入端也將變?yōu)楦唠娖?第二個反相器U1B的輸出端也隨之變?yōu)楦唠娖?從而使晶體管Q1導通,驅(qū)動蜂鳴器。在此期間,電容通過電阻R1放電,當電壓下降到第一個反相器的下閾值電壓后,反相器U1B輸出低電平,晶體管Q1截止,從而使蜂鳴器關(guān)閉。如圖3.5：圖3.54.說明電路工作原理電路正常工作時包括3個狀態(tài)：〔1無人搶答后的鎖存狀態(tài)；〔2計時搶答狀態(tài)；〔3有人搶答后的鎖存狀態(tài)。3個狀態(tài)中,〔1和〔3處于鎖存狀態(tài),選手無法進行搶答,即編碼無效且計時停止；狀態(tài)〔2中,編碼電路輸入有效,且計時正常進行,當有選手搶答時,進入狀態(tài)〔3,若計時到0時無人搶答進入狀態(tài)〔1。〔1無人搶答后的鎖存狀態(tài)搶答開始后,無人搶答且計數(shù)器CD4510計數(shù)到0時,計數(shù)器輸出借位信號,用此借位信號讓蜂鳴器響1秒、讓編碼電路和脈沖發(fā)生電路鎖存,即編碼輸入無效,數(shù)碼管1顯示0,時鐘電路停止,數(shù)碼管2顯示0。當主持人將數(shù)據(jù)清零后,按下開始按鍵,蜂鳴器響1秒,電路進入狀態(tài)〔2,計時搶答開始。〔2計時搶答狀態(tài)主持人按下開始按鍵后,蜂鳴器響1秒,計數(shù)器從9開始進行倒計時計數(shù),直到有人搶答或者計數(shù)到0。在計數(shù)期間,若有人按下?lián)尨鸢存I,編碼電路將其序號進行編碼并通過譯碼驅(qū)動電路顯示在數(shù)碼管上,同時經(jīng)過組合邏輯電路74HC151輸出一個高電平,讓時鐘停止并且數(shù)據(jù)鎖存,蜂鳴器響1秒,進入狀態(tài)〔3；若無人搶答,計數(shù)器計數(shù)到0時,通過借位信號讓時鐘停止并且數(shù)據(jù)鎖存,蜂鳴器響1秒,進入狀態(tài)〔1。當主持人將數(shù)據(jù)清零后,按下開始按鍵,蜂鳴器響1秒,電路進入狀態(tài)〔2,計時搶答開始。〔3有人搶答后的鎖存狀態(tài)在計數(shù)期間,若有人按下?lián)尨鸢存I,編碼電路將其序號進行編碼并通過譯碼驅(qū)動電路顯示在數(shù)碼管上,同時經(jīng)過邏輯電路74HC152輸出一個高電平,讓時鐘停止并且數(shù)據(jù)鎖存,蜂鳴器響1秒。5.元件選擇表2元件型號及說明元件型號功能說明封裝數(shù)量編碼器CD4532對選手的序號進行編碼；并輸出8421BCD碼DIP161BCD譯碼器/數(shù)碼管驅(qū)動器CD4511驅(qū)動七段共陰數(shù)碼管,并對數(shù)據(jù)進行鎖存DIP162數(shù)據(jù)選擇器74HC151構(gòu)成組合邏輯電路DIP161反相器CD40106將電平反相DIP141十進制計數(shù)器CD4510進行倒計時10秒計數(shù)DIP161555定時器NE555產(chǎn)生頻率為1Hz的方波信號,作為時鐘信號DIP81電阻在電路中起分壓和限流的作用AXIAL-0.3若干電容構(gòu)成震蕩電路和積分電路RAD-0.1若干電位器3296W調(diào)節(jié)時鐘脈沖的寬度POT1二極管1N4148在電路中起單向?qū)щ姷淖饔肈O-356共陰七段數(shù)碼管5161AS顯示選手序號和時間直插式2按鍵開關(guān)選手搶答時和主持人清零時使用SPST-26常開常閉開關(guān)主持人開始鍵1有源蜂鳴器在數(shù)據(jù)鎖存和計時開始時進行聲音提示直插式1四、電路和程序調(diào)試過程與結(jié)果這次課程設(shè)計,我開始是才用pcb進行設(shè)計,電路板焊好后,第一次接上電源,發(fā)現(xiàn)電路不能正常工作,最后檢查了是做板時不太好,線路斷了。經(jīng)過深思后,我決定用萬用板進行焊接,在經(jīng)過幾天的焊接后,在接上電源后,電路能夠接通,但在調(diào)試功能時,發(fā)現(xiàn)未能全部實現(xiàn),我嘗試的檢查是否電路哪里接錯了,或者是哪里漏接、是芯片的原因還是焊接的原因,在經(jīng)過排查后,終于實現(xiàn)了搶答器的功能,其實物圖如下：電路板未接電源時實物圖正面背面〔2無人搶答后的鎖存狀態(tài)〔3計時搶答狀態(tài)〔4有人搶答后的鎖存狀態(tài)五、總結(jié)〔1電路的優(yōu)點與缺點優(yōu)點：電路原理簡單基本滿足整體設(shè)計的要求,功能相當完善。電路比較簡單,成本低,排版簡潔整齊。不足：沒有設(shè)計完整的保護電路,抗干擾性稍差。在整個電路的制作與調(diào)試過程中出現(xiàn),