電工與電子課程設(shè)計(jì)-八路智力競賽搶答器.doc

學(xué) 生 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 課程名稱： 電工與電子課程設(shè)計(jì) 院 別： 機(jī)電學(xué)院 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 09機(jī)械本 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 2009094443010 指導(dǎo)教師： 教務(wù)處制 二0一一年 1 月 7 日課程名稱：電工與電子課程設(shè)計(jì) 課程代碼： 09401716 實(shí)訓(xùn)周數(shù)： 1 學(xué) 分： 1 實(shí)訓(xùn)單位： 機(jī)電學(xué)院 實(shí)訓(xùn)地點(diǎn)： 校內(nèi) 實(shí)訓(xùn)時(shí)間：2011.1.4-2011.1.7 目錄設(shè)計(jì)任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)和要求八路搶答器各部分的設(shè)計(jì)及其原理2.1 搶答電路設(shè)計(jì) 2.2 定時(shí)電路設(shè)計(jì) 2.3 秒脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) 2.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 2.5 時(shí)序控制電路設(shè)計(jì) 2.6 供電電源電路設(shè)計(jì)2.7搶答總體電路設(shè)計(jì)元器件清單心得體會(huì) 參考文獻(xiàn) 一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)和要求1、基本功能(1).設(shè)計(jì)一個(gè)智力競賽搶答器，可同時(shí)供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)比賽，他們的編號(hào)是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一個(gè)搶答按鈕，按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)相對(duì)應(yīng)，分別用8個(gè)按鈕s0 s7表示。 （2）.給節(jié)目主持人設(shè)置一個(gè)控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零（編號(hào)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(dòng)按鈕，編號(hào)立即鎖存，并在led數(shù)碼管上顯示出選手的編號(hào)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)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(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。（4）設(shè)計(jì)為搶答電路供電的電源，電源技術(shù)指標(biāo)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(dòng)10%時(shí)，輸出電壓相對(duì)變化量小于2%，輸出電阻r0.1，輸出最大紋波電壓小于10mv。2、拓展功能（選做）(1)搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶答的時(shí)間由主持人設(shè)定（如30秒）。當(dāng)主持人啟動(dòng)開始鍵后，定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時(shí)間0.5秒左右。（2） 參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止（3） 如果定時(shí)時(shí)間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報(bào)警并禁止搶答，定時(shí)顯示器上顯示00。二、八路搶答器各部分的設(shè)計(jì)及其原理此次設(shè)計(jì)的八路定時(shí)搶答器有兩種設(shè)計(jì)方案，第一種方案的總體框圖如圖1.1所示 圖1.1 方案一的總體設(shè)計(jì)框圖 其原理是：主持人按動(dòng)開始搶答的開關(guān)后，最先搶答的選手的電平信號(hào)先經(jīng)過優(yōu)先編碼器，再依次經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器，此時(shí)已經(jīng)限制了其他選手的搶答，信號(hào)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(hào)顯示出來，并同時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，到此完成的是搶答功能；如果沒有人搶答， 30秒減計(jì)數(shù)器減到00時(shí)也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，此是完成計(jì)時(shí)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(duì)繁瑣。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，將最先搶答的選手的編號(hào)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(hào)，經(jīng)過優(yōu)先編碼器后的信號(hào)到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又與報(bào)警電路直接連接，所以顯示編號(hào)的同時(shí)可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)。另外由主持人控制開關(guān)和其他部分電路通過門電路實(shí)現(xiàn)對(duì)搶答電路、定時(shí)電路和報(bào)警部分電路的控制。 圖1.2 方案二的總體設(shè)計(jì)框圖相比之下，第二種方案更好些。它的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：主持人對(duì)整體電路的控制只需幾個(gè)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(shí)現(xiàn)報(bào)警提示功能，在有選手搶答后或者計(jì)時(shí)開始和結(jié)束時(shí)；用集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器代替了自己設(shè)計(jì)的控制電路，既減少了布線使整個(gè)電路更直觀簡單又降低了產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能性。所以以下的設(shè)計(jì)方案都是按照方案二進(jìn)行的。2 八路搶答器各部分電路設(shè)計(jì)及其原理單元電路包括搶答電路、秒脈沖發(fā)生器電路、定時(shí)電路、報(bào)警電路和時(shí)序控制電路。下面將一一介紹。2.1搶答電路設(shè)計(jì)搶答電路的功能有兩個(gè)：一是選手搶答后鎖存器進(jìn)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(hào)由優(yōu)先編碼器判斷選手編號(hào)，并經(jīng)譯碼器譯碼再由顯示器顯示該編號(hào)。電路是由八d鎖存器、優(yōu)先編碼器74148和七段譯碼器7448和七段數(shù)碼顯示器組成。74ls373是常用的八d鎖存器，它功能表如表1所示。表1. 芯片74ls373的功能表輸出控制端oc使能端cd輸出lhhhlhllllq0hz表可知，只有當(dāng)使能端為高電平時(shí)才能將輸入信號(hào)輸出，同時(shí)鎖存，且此時(shí)由功能輸出控制端為低電平。74ls148是有八個(gè)輸入端，三個(gè)輸出端的優(yōu)先編碼器，它的功能是判斷搶答選手的編號(hào)。74ls148的功能表如表2所示。表2 74ls148的功能表七段顯示譯碼器7448輸出高電平有效，用以驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器。該集成顯示譯碼器設(shè)有多個(gè)輔助控制端，以增強(qiáng)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所示表3 共陰極數(shù)碼顯示器的功能表十進(jìn)制a3a2a1a0abcdefg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601100011111701111110000810001111111910011110011搶答器電路（圖2.1原理是：當(dāng)任意一個(gè)選手按下?lián)尨鸢粹o后，74ls373開始工作，與輸入端對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的三位二進(jìn)制數(shù)，再經(jīng)過譯碼顯示電路將對(duì)應(yīng)的編號(hào)顯示出來。編碼器74ls148工作時(shí)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)楦唠娖剑顾俟ぷ?，即使其他選手再按動(dòng)按鈕，也不會(huì)再有輸出，也就是完成了鎖存功能。圖2.1搶答器電路圖2.2 定時(shí)電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的要求中有一項(xiàng)是有定時(shí)搶答的功能，并且一次搶答的時(shí)間可以由主持人設(shè)定。這就要設(shè)計(jì)定時(shí)電路。定時(shí)電路是由兩片74ls192、7448和共陰極顯示器組成的。其中7448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(jìn)制遞減計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。74ls192是具有置數(shù)和清零功能的同步十進(jìn)制減計(jì)數(shù)器，其功能表如表4所示： 表4 74192的功能表 由以上集成芯片設(shè)計(jì)的定時(shí)電路如圖2示。定時(shí)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(shí)間，并通過74ls192的置數(shù)端將時(shí)間輸入，搶答開始時(shí)主持人將清零開關(guān)置低電平，計(jì)數(shù)器開始遞減計(jì)數(shù)至00，產(chǎn)生報(bào)警，計(jì)數(shù)器停止工作。計(jì)時(shí)期間有人搶答，減計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)，顯示器上顯示此刻時(shí)間。 圖2.2時(shí)間的定時(shí)電路圖2.3 秒脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)為了準(zhǔn)確地計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)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。如圖2.3所示為用555設(shè)計(jì)的秒脈沖產(chǎn)生電路因?yàn)橹芷跒橐幻耄灶l率是1赫茲。圖中電容的充放電時(shí)間分別是：t1=r2c1ln20.7r2c.t2=(r1+r2)cln20.7(r1+r2)c. 所以555的3端輸出的頻率為： f=1/(t1+t2)1.43/(2r1+r2)c 我們采用的電阻和電容值分別是:r1=15k，r2=64k，c1=10uf,滿足上式，即得到的是秒脈沖 圖 2.3 秒脈沖產(chǎn)生電路2.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路是由555定時(shí)器組成的，電路如圖2.4所示圖中555定時(shí)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(jì)算方法相同。3端的輸出信號(hào)經(jīng)過三級(jí)管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)4端的輸入信號(hào)是高電平時(shí)，振蕩器工作，有報(bào)警信號(hào)，4端輸入低電平時(shí)，振蕩器不工作，沒有報(bào)警信號(hào)。也就是說需要報(bào)警時(shí)只需控制輸入端就可以了。 圖2.4報(bào)警電路圖2.5 時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)控制電路包括控制揚(yáng)聲器發(fā)聲時(shí)間的部分電路和將以上各個(gè)部分電路連接起來的電路因?yàn)閾P(yáng)聲器的發(fā)聲時(shí)間要控制在0.5秒，所以要控制報(bào)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(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls121，它的功能表如表5所示。 表5 74121的功能表由功能表可知，當(dāng)三個(gè)輸入端的狀態(tài)不變時(shí)輸出是低電平，低電平接至報(bào)警電路的輸入端是不會(huì)有報(bào)警信號(hào)的，只有當(dāng)輸入端有上升延或是下降延（具體如表）時(shí)，輸出端才會(huì)有單次脈沖，將高電平接至報(bào)警電路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)了。這部分控制電路的電路圖如圖2.5所示: 圖2.5控制部分電路圖圖中的電阻和電容的值可以決定脈沖寬度： tw0.7rc。要求報(bào)警時(shí)間為0.5秒，所以我們選擇電阻r=10 k，電容c=71f 。2.6 為搶答電路供電的電源設(shè)計(jì)圖2.6 直流電源的原理框圖如圖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(dòng)電壓，用2000f/16v的鋁電解電容濾波，把單向脈動(dòng)電壓變?yōu)楹薪涣骷y波的直流電壓，再用5v輸出的線性穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓（注意輸出端對(duì)地要接一個(gè)幾百f/10v的鋁電解電容抑制可能產(chǎn)生的自激振蕩）。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(gè)電壓正好給要求8v的最低電壓留出了一點(diǎn)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(huì)發(fā)燙。整流二極管用1n40011n4007，7805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，又由于輸出電流1a所以容量也要稍大選2000f較好，7805的輸出電容可以稍小些，100f（可選200f）以上即可，這些都是最普通的元器件，很容易買到。 圖2.7 供電電源整流電路2.7 整機(jī)電路設(shè)計(jì)各部分電路都已經(jīng)的設(shè)計(jì)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(hào)的輸出端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(gè)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(shí)接高電平，清零時(shí)接低電平。同時(shí)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(shí)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。下面介紹本次設(shè)計(jì)的搶答器的使用原理。首先是各個(gè)選手分別對(duì)應(yīng)的按鈕編號(hào)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。 然后是主持人對(duì)整個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)了清零；另一路低電平輸出到計(jì)數(shù)器74ls192的ld端，而cr端也是低電平，所以使得對(duì)應(yīng)顯示器輸出預(yù)置的數(shù)據(jù)；三是與集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74ls121相連，因?yàn)槭堑碗娖剿詻]有報(bào)警信號(hào)。接下來主持人根據(jù)題目的難易程度設(shè)置搶答時(shí)間，此設(shè)定可以通過調(diào)節(jié)輸入兩片74ls192的四個(gè)輸入端d、c、b、a的高低電平來進(jìn)行（例如要設(shè)定時(shí)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都置于0）。當(dāng)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(gè)周期為0.5s的脈沖，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出聲響，即實(shí)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(jì)數(shù)；還有一路輸出到鎖存器的c端；當(dāng)任意一個(gè)選手搶答時(shí)，例如2號(hào)搶答時(shí)，八d鎖存器74ls373工作，與輸入端相對(duì)應(yīng)的輸出端2q輸出低電平，則鎖存器輸出的八位電平經(jīng)83八位優(yōu)先編碼器74ls148編碼輸出的a2a0成為與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的三位二進(jìn)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(jìn)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(duì)應(yīng)的編號(hào)1。此時(shí)，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74ls373的c端，起到所存功能，其他選手若再按動(dòng)對(duì)應(yīng)按鈕也無對(duì)應(yīng)輸出，即實(shí)現(xiàn)了搶答功能；同時(shí)，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(gè)周期為0.5s的脈沖，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出聲響，即實(shí)現(xiàn)了發(fā)聲提示的功能；同時(shí)，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(dá)計(jì)數(shù)器74ls192的down端。計(jì)數(shù)器停止工作，保持原來顯示不變，即實(shí)現(xiàn)了暫停減計(jì)數(shù)使其記錄搶答時(shí)間的功能；若沒有選手按動(dòng)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(hào)經(jīng)74ls48到顯示器上時(shí)無顯示；若到定時(shí)部分計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)到00還無選手按動(dòng)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(bào)警路發(fā)聲提示；綜上所述，這次設(shè)計(jì)的電路完全可以實(shí)現(xiàn)要求中的所有功能下圖是整機(jī)電路圖:元器件清單 表6 元器件清單序號(hào)編號(hào) 名稱數(shù)量 器件說明 173ls373 八d鎖存器 1片工作電壓5v 274ls148 優(yōu)先編碼器 1片工作電壓5v 374ls48 七段譯碼顯示器 3片工作電壓5v 4 -共陰極七段數(shù)碼顯示管 3片工作電壓5v 574ls192 十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器 2片工作電壓5v 6 ne555 555計(jì)時(shí)器 2片工作電壓5v 774ls121非重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1片工作電壓5v 874ls00 與非門 1片工作電壓5v 974ls08 與門 1片工作電壓5v 1074ls32 或門 1片用于報(bào)警電路 1174ls04 非門 1片 用于報(bào)警電路 11 9013 三極管 1個(gè)工作電壓5v 12 r1 10k1只連接121的11腳與地 13 r268k2只連接555的6與7管腳 14 r315k2只連接555的7與8管腳 15 r4100k1只連接555的3與三極管 16 r550k1只連三極管發(fā)射極與地 17 c171uf1只連121的10與11腳 18 c210uf2只連555的2腳與地19 c30.01uf2只連555的5與1腳 20 c4100uf1只用于發(fā)聲電路21c52000uf1只用于濾波22c6200uf1只用于抑制振蕩23變壓器7.5v/12w1只用于降壓 24s0-s7彈片開關(guān)8只供選手答題25 s8單刀雙置開關(guān)1只供主持人控制電路26整流二極管1n40011n40074只用于整流27 -蜂鳴器1只8，6v心得體會(huì)最后一周的實(shí)習(xí)竟然是課程設(shè)計(jì)，太不可思議了。剛剛接到課題的時(shí)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?yàn)檫@幾天剛好是復(fù)習(xí)的時(shí)間，哪里會(huì)有時(shí)間搞這些啊，更何況這個(gè)對(duì)我們來說挺難的。不過開始設(shè)計(jì)時(shí)遇到的問題不是很多，這讓我這種感覺好了一點(diǎn)了，因?yàn)槔蠋熣f這個(gè)比較簡單，可以有很多資料參考，所以我們剛回來就向圖書館奔去，