最新八路數(shù)字搶答器課程設計.doc

課程設計八路數(shù)字搶答器一、主要技術指標： 1 設計任務： 設置八個搶答按鈕，另設一個主持人按鈕用來清零。主持人清零后，首先搶答人的號碼顯示出來并保持到主持人再次清零。 2 設計要求：l 設置定時搶答，超出規(guī)定時間為無效搶答，發(fā)出聲光指示。l 設置違規(guī)，即主持人清零前入搶答違規(guī)有聲光顯示。l 電路應具備自鎖功能，一旦有人事先搶答，其他開關不起作用。二、方案論證及選擇： 用鎖存器74LS373來采集信息，再通過編碼器74LS148進行編碼，由CD4511來對編 碼信號進行譯碼來驅(qū)動數(shù)碼顯示，由74LS76來控制清零，并同74LS148共同產(chǎn)生鎖存信號來控制74LS373實現(xiàn)對按鍵信息的鎖存。3、 系統(tǒng)組成框圖： 四、單元電路設計及說明：整個電路主要包括鍵盤輸入電路、鎖存控制搶答電路、數(shù)碼顯示電路、定時電路、音頻產(chǎn)生電路、聲光指示電路六部分組成。1、 鍵盤輸入電路的設計在鍵盤輸入電路中，將八個按鍵接到74LS73的八個輸入端，由74LS73實現(xiàn)對按鍵信息的采集。如圖1.02所示在沒有按鍵按下時，各輸入端均為高電平， 圖1.02 鍵盤輸入電路在任意一個按鍵按下時相應的就輸入了一個低電平，74LS73對采集到的信號進行鎖存處理。74LS373是帶三態(tài)輸出的八位鎖存器，當三態(tài)端為有效低電平使能端LE為有效高電平時輸出跟隨輸入變化，當LE由高變低時，輸出端八位信息被鎖存，直到LE再次有效。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及真值表分別如圖1.03圖1.04所示 。 圖5-2 74LS373真值表2 鎖存控制搶答電路的設計 當有一個按鍵事先按下時，我們必須還要考慮到防止其他按鍵與之產(chǎn)生沖突，因此在有按鍵事先按下的情況下必須使得其他的按鍵無效。同時還要保證在重新下一輪搶答時能夠?qū)@示器清零 基于此種設想我們采用如圖1.05所示電路來實現(xiàn)。 當按下SA鍵時，74LS76為基本RS觸發(fā)器，因此15端輸出為高電平，此時給74LS373的LE一個有效脈沖使得74LS373的輸出跟隨輸信號變化，此時若無按鍵按下，則輸出全為高電平，八個高電平全部送入74LS148的輸入端，此時74LS148的輸出端C B A、 GS、 EO分別為1 1 1 1 0，C B A三端的信號分別接入數(shù)碼顯示電路中用于驅(qū)動數(shù)碼管的CD4511的C B A三端，而將74LS373中Q0端的信號取反后接到CD4511的D端，譯碼器4腳接74LS148的EO端輸出的低電平因此不能工作，在顯示器中不會顯示任何數(shù)字。從而達到清零作用。 而在按下SA后，如果有搶答按鍵按下，鎖存器74LS373將采集到的按鍵信息發(fā)送至編碼器74LS148, 74LS148對該信號進行編碼并在GS端產(chǎn)生低電平傳至觸發(fā)器74LS76的觸發(fā)時鐘信號輸入端，該引腳用來控制觸發(fā)器74LS76中的J K觸發(fā)器的工作，當為有效電平時，J K觸發(fā)器才能工作，而此時按鍵SA 端的電容C1已充電至高電位，即觸發(fā)器74LS76的2端和8端均為高電平，74LS76轉(zhuǎn)為帶低電平有效的邊沿J K觸發(fā)器，當GS給其加一低電平脈沖時，J K觸發(fā)器開始工作將15腳的Q端直為低電平從而鎖住了鎖存器74LS373的輸出端信號，無論哪一按鍵再按下，74LS373輸出端的信號不再改變，從而實現(xiàn)了一旦有人事先搶答，其他開關不起作用這一功能。 圖5-3 鎖存控制搶答電路74LS148是8線-3線優(yōu)先編碼器，該編碼器有8個信號輸入端，3個二進制碼輸出端。此外，還設置了輸入使能端EI，輸出使能端EO和優(yōu)先編碼工作狀態(tài)GS.當EI=0時，編碼器工作；而當EI=1時，則不論8個輸入端為何種狀態(tài)，3個輸出端均為高電平，且優(yōu)先標志端和輸出使能端均為高電平，編碼器處于非工作狀態(tài)。這種情況被稱為輸入低電平有效，輸出也為低電平有效的情況。當EI為0，且至少有一個輸入端有編碼請求信號（邏輯0）時，優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標志GS為0，表明編碼器處于工作狀態(tài)，否則為1。由功能表可知，在8個輸入端均無低電平輸入信號和只有輸入0端（優(yōu)先級別最低位）有低電平時，A2 A1 A0均為1 1 1，出現(xiàn)了輸入條件不同而輸出代碼相同的情況，這可由GS的在狀態(tài)加以區(qū)別，當GS=1時，表示8個輸入端均無電平輸入，此時A2 A1 A0=1 1 1位非編碼輸出；GS=0時，A2 A1 A0=1 1 1表示響應輸入0端為低電平時的輸出代碼（編碼輸出）。EO只有在EI為0，且所有輸入端都為1時，輸出為0。74LS148的管腳圖、真值表、內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖1.06、1.07、1.08所示。 在整個電路中，74LS148不只起到編碼作用，還連同74LS76一起給74LS373提供鎖存信號，同時還在聲光控制電路中負責提供控制信號。下面是對搶答按鍵信息顯示方面所作的分析：假設圖中8號按鍵按下，74LS373的3腳輸入為低電平，4、7、8、13、14、17、18輸入均為高電平，因為747LS373的2端跟74LS148的4端相連，所以74LS148的7端接到的信號為低電平，從而74LS148的INPUT7為有效低電平，這樣經(jīng)過74LS148優(yōu)先編碼，這樣其輸出A2 A1 A0分別為0 0 0，但是從74LS373的2腳引出的信號通過74LS00后接到了CD4511的D輸入端，這樣CD4511接收的信號為1000，從其真值表看出此時輸出為11111111，所以在數(shù)碼管上將顯示數(shù)字8。以此方法分析下去不難得出其他按鍵的顯示方式。 圖5-4 148管腳圖 表5-1 74LS148真值表 圖5-5 74LS7674LS76是帶預置端和清除端的雙JK觸發(fā)器，其管腳圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及真值表分別如圖（1.09、1.10.、1.11）所示。圖1.09 74LS76的管腳圖圖1.10 74LS76的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖1.11 74LS76真值表圖5-6 圖5-7 數(shù)碼顯示電路在電路中，74LS76通過采集74LS148 GS端的信號給74LS373提供鎖存信號，并通過定時電路的信號為聲光控制電路提供控制信號。3 數(shù)碼顯示電路的設計數(shù)碼顯示電路我們采用七段譯碼器CD4511來驅(qū)動數(shù)碼管，電路如圖1.12所示CD4511是七段數(shù)碼譯碼器，在電路中，CD4511將74LS148輸出的信號進行譯碼后驅(qū)動數(shù)碼管的顯示，其管腳圖及真值表分別如圖5-8、5-9所示。圖中電阻的作用是用來限流，數(shù)碼管采用共陰七段數(shù)字顯示器。 圖5-8 CD4511管腳圖 4 定時電路的設計設計定時電路的目的是讓選手們在規(guī)定時間內(nèi)進行搶答，即只允許在這段規(guī)定時間內(nèi)進行搶答，否則視為犯規(guī)。定時要持續(xù)一段時間后自己恢復。 基于以上分析，我們采用了由NE555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，NE555是為我們非常熟悉也經(jīng)常使用的一種定時器，在這部分電路中，我們采用NE555構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有如下三個特點：1. 電路有一個穩(wěn)態(tài)，一個暫穩(wěn)態(tài)。2. 在外來觸發(fā)信號作用下，電路有穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)。（3） 暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久保持的狀態(tài)，由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用，經(jīng)過一段時間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于RC電路的參數(shù)值。如上所述，暫穩(wěn)態(tài)電路的這些特點正好符合我們所要設計的定時單元電路的要求。如圖1.15所示。 圖5-9定時電路該電路是由NE555構(gòu)成可調(diào)暫態(tài)時間的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，電源接通瞬間，電路有一個穩(wěn)定的過程，即電源通過電阻R和電位器RP向電容C充電，當，當Vc上升到2/3Vcc時，555內(nèi)部觸發(fā)器復位，Vo為低電平，放電BJT導通，電容放電，電路進入穩(wěn)定狀態(tài)。如觸發(fā)器輸入端（2腳）施加觸發(fā)信號（Vi2/3Vcc，V21/3Vcc時，基本RS觸發(fā)器被置0，放電三極管導通，輸出端Vo為低電平。當V62/3Vcc, V21/3Vcc時，基本RS觸發(fā)器被置1，放電三極管截止輸出端Vo為高電平。當V61/3Vcc時，基本RS觸發(fā)器R=1,S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。綜合上述分析，可得555定時器功能表如圖1.17所示。圖1.18為555定時器管腳圖。圖1.19給出了555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路及工作波形。圖5-10 555定時器功能表圖5-11 555定時器管腳圖圖5-12 555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路及工作波形5 音頻產(chǎn)生電路的設計 本單元用于產(chǎn)生音頻信號驅(qū)動蜂鳴器工作，要使蜂鳴器工作必須給其輸入脈沖信號，因此，在該單元中我們同樣采用了555定時器來產(chǎn)生方波脈沖，考慮到對脈沖信號能夠做到有效的控制，我們采用由555構(gòu)成的多諧振蕩器。uC0tVCC /32VCC /3 圖1.20是由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。 0tuo輸出波形圖5-13 由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器設電容C 原先未充電, 故 TH = TR 2VCC /3 , 立即 uo = 0 , 同時555內(nèi)的管 T 導通,電容 C 經(jīng) R2 7# T1# 放電, 一直至VCC /3 , 使得uo 回到 1 , 進入循環(huán) . 輸出方波的周期 T的計算:T = T1 + T2 = 0.7 ( R1 + 2R2 ) C圖5-14是我們在電路中用到的由555定時器構(gòu)成的音頻產(chǎn)生電路。圖5-14 音頻產(chǎn)生電路該電路中555定時器的4腳接到指示控制電路中，由指示控制電路來控制音頻信號的產(chǎn)生及消失。即當4腳來的是高電平時，該電路才能正常工作并產(chǎn)生音頻信號驅(qū)動蜂鳴器，當4腳來的是低電平時，555定時器處于復位狀態(tài)，輸出為低電平，蜂鳴器不工作。6 聲光指示電路的設計聲光指示單元用于指示搶答的信息，能夠指示出搶答是否有效，圖1.22是聲光指示單元的電路。各單元的指示信號送給雙與非門74LS00及雙輸入或門74LS32，它將信號進行不同的組合處理分別送給發(fā)光二極管或音頻產(chǎn)生電路來向主持人做出相應的信號指示。圖中，DS1為無效搶答指示燈，DS2為有效搶答指示燈。在這里我們給出了74LS00及74LS32 的管腳圖，如圖5-15所示。圖5-15 聲光指示電路以上就是多個單元電路的詳細分析，下面將各單元聯(lián)系起來做一次全面地分析。電路功能規(guī)定，當SA按下后為清零狀態(tài)，此時不允許搶答，只有當SB按下后且在規(guī)定的時間內(nèi)搶答才視為有效搶答。分析如下。首先接通電源，在主持人按下SA鍵后，此時74LS76的2腳及8腳均為低電平，而3和7始終為高電平，所以由74LS00功能表知將被預置為RS觸發(fā)器，則輸出端15腳為高電平，該路送到74LS373的LE端，使得74LS373能夠正常工作，此時要是沒有搶答鍵按下，則會實現(xiàn)如前面所述的清零功能，若此時有搶答鍵按下，則會在顯示器上顯示出相應的號碼，但此種情況視為違規(guī)搶答，要發(fā)出違規(guī)信號，因為在此時有按鍵按下后，74LS148將會對信號進行編碼，則它的EO端將輸出高電平送至74LS00的9腳，而該與非門另一輸入端接到定時器輸出端此時為低電平，所以在74LS00的11腳輸出為低電平，此時有效指示燈DS2不會點亮，相反地，74LS148的GS將輸出低電平，由于電容C1的作用此時74LS76的2和8腳皆上升為高電平被預置為邊沿JK觸發(fā)器，由于按鍵SB為按下所以定時電路輸出低電平，將在9腳和12腳分別產(chǎn)生高、低電平，隨著GS低電平信號的到來，11腳將輸出高電平，這時DS1將被點亮指示為無效搶答，同時74LS32輸出高電平使得音頻電路產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動揚聲器工作。在按下SA鍵后，接著再按下SB鍵，此時開始定時，定時時間由定時電路設定，此時定時電路將輸出一高電平。74LS76的9和12腳將分別為低、高電平。在有搶答按鍵按下后。74LS76的11腳輸出低電平。而747LS00的11腳輸出為高電平，此時DS1位被點亮，DS2被點亮同時蜂鳴器發(fā)出聲音。指示為搶答有效。五、總電路圖根據(jù)以上分析，我們設計了如圖5-16所示的電路。圖5-16 八路數(shù)字搶答器六、元件清單表5- 1 元件清單序號名稱及型號規(guī)格數(shù)量備注1鎖存器74LS3731U2編碼器74LS1481U3或門74LS321U4與非門74LS001U5觸發(fā)器74LS761U6定時器5552U7譯碼器CD45111U8共陰數(shù)碼管七段顯示1LED9蜂鳴器5V1LS10NPN三極管90131Q11發(fā)光二極管紅色1DS112發(fā)光二極管綠色1DS213電阻1K9RES14電阻5107RES15電阻3002RES16電阻5.1K2RES17電阻100K2RES18電阻24K1RES19高精密電位器100K1RP20瓷片電容0.033uF2CAP21瓷片電容0.01uF2CAP22電解電容220uF1CAP23輕觸按鍵10S7、 調(diào)試過程與測試結(jié)果圖5-17 總體電路圖在接好電路之后，我們通過檢查確定無短路現(xiàn)象后，對電路進行了通電