多路數字定時搶答器設計仿真與制作

1、武漢理工大學模擬電子技術基礎課程設計說明書學 號： 課 程 設 計題 目多路數字定時搶答器設計仿真與制作學 院專 業(yè)班 級 姓 名指導教師2015年 7 月 11 日課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 題 目: 多路數字定時搶答器設計仿真與制作 初始條件： 本課程設計，要求用集成電路：74LSl48，74LS279，74LS48，74LSl92，NE555，74LS00，74LSl21 和其它器件等，實現八路定時搶答功能。用蜂鳴器作聲電器件，工作電源Vcc 為+5V。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設計工作量：

2、1 周內完成對多路數字定時搶答器的設計、仿真、裝配與調試。2、技術要求： 可同時供8 名選手（或代表隊）參賽，其編號分別是0 到7，各用一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應。給節(jié)目主持人設置一個控制開關，用來控制系統(tǒng)的清零(編號顯示數碼管滅燈)和搶答的開始。 搶答器具有數據鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并數碼管上顯示選手的編號，同時揚聲器給出聲音提示；同時封鎖輸入電路，禁止其它選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 搶答器具有定時搶答的功能，且一次搶答的時間可以由主持人設定(如30 秒)。當主持人啟動“開始”鍵后，要求定時器立即進

3、行減計時，并用顯示器顯示，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)時間05 秒左右。 參賽選手在設定的時間內進行搶答，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時刻的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止；如果定時搶答的時間已到，而沒有選手搶答時，本次搶答無效，系統(tǒng)進行短暫的報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答，定時顯示器上顯示00。 確定設計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。3、查閱至少5 篇參考文獻。按武漢理工大學課程設計工作規(guī)范要求撰寫設計報告書。全文用A4 紙打印，圖紙應符合繪圖規(guī)范。時間安排：1） 第1-2 天，

4、查閱相關資料，學習設計原理。2） 第3-4 天， 方案選擇和電路設計仿真。3） 第4-5 天， 電路調試和設計說明書撰寫。4） 第6 天，上交課程設計成果及報告，同時進行答辯。 指導教師簽名 年 月 日 系主任（或責任教師）簽名： 年月日武漢理工大學數字電子技術課程設計說明書目錄目錄1摘要2多路數字定時搶答器3一、多路數字定時搶答器電路設計31.1搶答器的功能要求31.2搶答器的組成結構3二、原理電路設計52.1搶答電路設計52.2秒脈沖電路設計92.3定時電路設計102.4 報警電路設計122.5整體電路設計13三、 仿真軟件Proteus153.1 Proteus的簡介153.2 Prot

5、eus功能特點15四、 課程設計小結16參考文獻16附錄一：元器件清單17附錄二：實物圖19本科生課程設計成績評定表20摘要 多路數字定時搶答器設計仿真與制作是基于74LSl48、74LS373、74LS48、74LSl92、NE555、74LS04、74LSl21、7段數碼管設計的。該搶答器除具有基本的搶答功能外，還具有定時、計時和報警功能。主持人通過時間預設開關預設搶答時間，系統(tǒng)將自動倒計時，8位選手可以進行搶答。若規(guī)定時間內有選手搶答則數碼管顯示編號且計時停止，再搶答無效；若規(guī)定時間內無人搶答，蜂鳴報警器響起，提示本輪搶答無效，實現報警功能。 搶答器的搶答按鍵是由八個開關組模擬，經過74

6、LS148編碼器、74LS373鎖存器、74LS48譯碼器和7段數碼管實現，倒計時功能所用的時鐘信號是由555振蕩器改造的多諧振蕩器輸出的，輸出的信號與兩個74LS192相連，通過置數功能調整倒計時周期，與74LS192相連的是74LS48譯碼器和7段數碼管。整個電路由一個電源和一個單刀雙擲開關控制的，扮演了裁判的角色。關鍵詞：八路、搶答器、定時、倒計時、報警器 多路數字定時搶答器一、多路數字定時搶答器電路設計1.1搶答器的功能要求 1.設計一個多路數字定時搶答器，可同時供8人或8隊參加比賽，它們的編號分別是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，分別是

7、S0, S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 。 2.給節(jié)目主持人設置一個控制開關，用來控制系統(tǒng)的清零（編號顯示數碼管滅燈）和搶答的開始。 3.搶答器具有數據鎖存和顯示的功能，搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并在LED數碼管上顯示出選手的編號，同時蜂鳴報警器發(fā)聲提示。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)清零為止。 4.搶答器具有定時搶答的功能，且一次搶答的時間可由主持人設定（如30s)。當節(jié)目主持人按下“開始”按鈕后，要求定時器立即開始倒計時，并在數碼管上顯示。 5.參賽選手在設定的時間內搶答，搶答有效，定時器停止工作，

8、數碼管顯示選手的編號和搶答時刻的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 6.如果定時搶答的時間已到，卻沒有選手搶答，則本次搶答無效，系統(tǒng)短暫報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器上顯示“00”。1.2搶答器的組成結構搶答器的總電路框圖如圖1所示，由主體電路和拓展電路兩部分組成，主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當選手按動搶答按鈕時，能顯示選手的編號，能同時封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成定時搶答的功能。 如圖所示定時搶答電路的工作過程是：接通電源時，節(jié)目主持人將開關置于“清除”位置，搶答器處于禁止功能工作狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時顯示器上顯示設定的時間，當節(jié)目主

9、持人宣布搶答題目后，說一聲“搶答開始”，同時控制開關撥到“開始”的位置，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器倒計時。定時器時間到，卻沒有選手搶答時，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答。當選手在定時時間內按動搶答按鈕時，搶答器要完成以下三項工作： 1.優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號； 2.控制電路要對輸入編碼電路進行封鎖，避免其他選手再次進行搶答； 3.控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余的搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當選手回答問題完畢時，主持人操作控制開關，使系統(tǒng)回復到禁止工作狀態(tài)，以便進行下一輪搶答。圖1 總電路框圖二、原理電

10、路設計2.1搶答電路設計 搶答電路的功能有兩個：一是能分辨選手按鈕的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按按鈕操作無效。選用優(yōu)先編碼器74LS148和八D鎖存器74LS373、74LS48譯碼器與共陰極數碼管等實現該電路，如圖2所示。 圖2 搶答電路仿真圖及原理圖工作原理：一開始，主持人開關S置于0，E0與開關信號經過異或門連接74LS373的使能端LE使74LS373處于鎖存狀態(tài)，搶答無效。當主持人將開關置于1，74LS373使能，當任意一個選手按下搶答按鈕后，73LS373開始工作，與相應輸入的輸出端口被置低電平，低電平經過74LS148編碼后輸出的是一組與輸

11、入對應的三位二進制數，反相后經過譯碼顯示電路將對應的編號顯示出來。由于此時74LS148工作，根據其功能表可知其E0輸出高電平，與開關信號經過異或門后鎖存搶答信號，此時由于EO與開關信號同為高電平，因此使LE=0，再次將74LS373鎖存，即使其他選手再按動按鈕，也不會再有輸出。這樣，一輪搶答完成，當主持人將開關置于0時，74LS373輸出全為1，EO=0，使數碼管燈全滅，并且74LS373進入鎖存狀態(tài)。等待下一輪搶答的開始。使用的優(yōu)先編碼器74LS148和八D鎖存器74LS373、74LS48譯碼器與共陰極數碼管的引腳圖和功能表如下所示：（1） 優(yōu)先編碼器74LS148的引腳圖和功能表 74

12、LS148 是八線-三線優(yōu)先編碼器，該編碼器由8 個信號輸入端，3 個二進制輸出端，輸入輸出均為低電平有效。EI 為輸入使能端，低電平有效，當EI 為低電平時，編碼器處于工作狀態(tài)；EO 為輸出使能端，只有在EI=0，且所有輸入都為1 時，輸出為0；GS 表征編碼器的工作狀態(tài)，當且僅當EI 為低電平，且輸入至少有一各為有效電平時，GS 才有效。因此，可根據EI、EO、GS 功能擴展端的特點，對電路進行相應控制。編碼器在搶答電路中功能是判斷搶答者的編號。它的引腳圖如圖3所示，功能表如表1所示。 圖3 74LS148引腳圖 表1 74LS148功能表（2） 八D鎖存器74LS373的引腳圖和功能表

13、74LS373是常用的八D鎖存器，它的引腳圖如圖4所示，功能表如表2所示。 由功能表可以看出鎖存端LE 由高變低時，輸出端8 位信息被鎖存，直到LE 端再次有效。 當三態(tài)門使能信號OE為低電平時，三態(tài)門導通，允許O0O7輸出，OE為高電平時，輸出懸空。當74LS373用作地址鎖存器時，應使OE為低電平，此時鎖存使能端C為高電平時，輸出O0O7 狀態(tài)與輸入端D1D7狀態(tài)相同；當C發(fā)生負的跳變時，輸入端D1D7 數據鎖入O0O7。 圖4 74LS373引腳圖 表2 74LS373功能表（3） 74LS48譯碼器的引腳圖七段顯示譯碼器74LS48輸出高電平有效，用以驅動共陰極顯示器。/為消隱輸入端（

14、低電平有效）/脈沖消隱輸出端（低電平有效），為燈測試輸入端（低電平有效），為脈沖消隱輸入端（低電平有效），當=0時，ag全為0.數碼管顯示全滅。引腳圖如圖5所示。 圖5 74LS48引腳圖 （4） 共陰極數碼管的引腳圖 共陰數碼管由74LS48譯碼器輸出高電平驅動，以顯示已搶答選手的編號。引腳圖如圖6所示。 圖5 共陰數碼管引腳圖2.2秒脈沖電路設計 設計一個秒脈沖電路為下面的定時電路提供CP脈沖，使用的是NE555制作脈沖產生電路，如圖6所示為用NE555設計的秒脈沖產生電路，圖7為用Proteus仿真出來的秒脈沖信號。定時電路的要求是需要產生周期為一秒CP脈沖信號，所以頻率需要設計的是產生

15、頻率為1Hz 。圖中電容C1的充放電時間分別是：t1=(R5+R7)×C3×ln20.7(R5+R7)C3，t2=R7×C3×ln20.7R4×C3所以NE555的3端輸出的頻率為： f=1/(t1+t2)1.43/(R5+2R7)C3所以可知應采用電阻和電容值分別為:R5=15K，R7=64K，C3=10uf,滿足上式，即得到的是秒脈沖，該電路中，電容C4的作用是抗干擾。 圖6 秒脈沖電路圖 圖7 產生秒脈沖信號仿真 2.3定時電路設計搶答過程中有時間限制，需設計倒計時電路即定時電路，選用十進制同步加/減計數器74LS192進行設計，計數器的

16、時鐘脈沖由秒脈沖電路提供，倒計時電路的實現主要依靠74LS192的減法計數功能，所需的CP脈沖信號由555振蕩電路提供。74LS192是具有置數和清零功能的同步十進制減計數器。74LS192引腳圖和功能表如圖8和表3，設計的定時電路如圖9。74LS192芯片P0，P1，P2，P3為預置數輸入端，Q0，Q1，Q2，Q3為計數數據輸出端，為借位輸出端（低電平有效），為進位輸出端（低電平有效）。 圖8 74LS192引腳圖 表3 74LS192功能表 圖9 定時電路 定時電路實現的基本功能： （1）主持人將控制開關撥到“開始”位置時，定時器電路進入正常搶答工作狀態(tài)即開始進行倒計時。 （2）當參賽選手

17、按動搶答按鈕時，定時器電路停止工作并且鎖存搶答時刻剩余時間。 （3）當設計的搶答時間到，無人搶答時，定時電路停止工作即顯示00。 定時電路的工作原理：74LS192具有預置數功能，通過74LS192的置數端主持人根據需求將初始時間輸入，搶答開始前開關S置低電位，74LS192處于清零鎖存狀態(tài)，當主持人將開關置于高電平此時，由秒脈沖電路產生的秒脈沖信號進入74LS192，使芯片由預置數進入減計數轉態(tài)，若沒有選手搶答，一直減計數，當計數至00時觸發(fā)報警電路蜂鳴器產生報警信號，同時計數高位TCD由高電平變成低電平，阻止了秒脈沖信號進入計數器，計數器停止工作。若計時期間有人搶答，74LS11的4輸入由

18、高電平變成低電平，同樣使減計數器停止計時，顯示器上顯示此刻剩余時間。2.4 報警電路設計 由于設計要求電路中添加報警電路，即可用NE555驅動蜂鳴器發(fā)出警報。555定時器是一種集模擬、數字于一體的中規(guī)模集成單路，其應用極為廣泛。集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121的輸入端接收到高電平時，會使其產生單個周期為0.5S的脈沖，驅動報警電路發(fā)出聲響，即實現了蜂鳴報警器發(fā)聲提示的功能。555芯片的引腳圖如圖10，報警電路的設計電路圖如圖11。 圖10 555引腳圖 圖11 報警電路2.5整體電路設計通過設計完成多路數字搶答器的仿真和制作，實現了8人搶答、主持人控制電路的正常工作、定時電路的定時功能、秒脈沖電

19、路的產生脈沖信號功能、報警電路的報警功能、搶答后的鎖存功能等。先設計出各分電路圖并使各部分功能可以單獨實現，再通過使用仿真軟件Proteus來進行整個電路的仿真，最后設計出總的電路圖，并實現所要求設計的所有功能。設計的總電路圖如圖12所示。下面是多路數字搶答器功能的實現過程的描述及實現的原理和方式：8個選手分別對應8 個搶答按鈕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。主持人按下復位開始按鍵對整個電路進行“清零”，輸出低電平，分為3路：一路低電平輸出到計數器74LS192的端，而CR端也是低電平，所以使得對應顯示器輸出預置的數據；

20、另一路與74LS148的E0端異或后變?yōu)楦唠娖捷敵龅?4LS373的使能端LE，此時鎖存器不鎖存數據，所以搶答部分數碼管無顯示即處于消隱狀態(tài)，實現了清零，同時，EO由高電平變成低電平，與清零端異或后輸出0，使74LS373處于鎖存狀態(tài)；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。主持人通過時間預設開關預設搶答時間，此設定可以通過調節(jié)輸入兩片74LS192的四個輸入端P3、P2、P1、P0的高低電平來進行（例如要設定時間為20秒,就將十位的74LS192的P3、P2、P1、P0分別置位為0、0、1、0，而將各位的74LS192的P3、P2、P1、P0都置于0）。當主持

21、人宣讀完題目說“開始”并將開關置于“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，使其產生單個周期為0.5S的脈沖，驅動報警電路發(fā)出聲響，即實現了蜂鳴報警器發(fā)聲提示的功能；另一路輸出到74LS192的端，使其處于高電平而根據秒脈沖電路信號開始減計數；還有一路與EO信號（此時為0）異或后將高電平輸入LE端，使八D鎖存器74LS373處于傳輸狀態(tài)，此時任何選手搶答有效。在搶答時間限制內，若有任何一位選手按鍵搶答時，八D鎖存器74LS373工作，與輸入端相對應的輸出端Q0Q7輸出相對應的低電平，此時鎖存器輸出的八位電平經83八位優(yōu)先編碼器74LS1

22、48編碼輸出的A2A0再經74LS86反相后成為與輸入信號相對應的三位二進制碼，此時將使得74LS148的管腳15（E0）的輸出由電低平變成高電平，輸出到74LS48的二進制碼經74LS48譯碼后輸出到七段共陰數碼管上，數碼管顯示對應的選手編號。而此時，74LS48的EO端輸出為高電平，主持人控制的開關出也輸出高電平，二者經過異或門后輸出低電平，輸出到鎖存器74LS373的LE端，74LS373的鎖存端實現鎖存功能，其他選手若再按動對應按鈕也無對應輸出，即實現了搶答功能；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，使其產生單個周期為0.5S的脈沖，驅動報警電路

23、發(fā)出聲響，即實現了蜂鳴報警器發(fā)聲提示的功能；74LS148的端輸出電平由高變低，與秒脈沖發(fā)生器產生的秒脈沖相與后輸出為0，使得計數器74LS192的CPD端無脈沖輸入，計數器停止工作，保持原來顯示不變，即實現了暫停減計數使其記錄搶答時間的功能；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74LS48到顯示器上時無顯示。若到定時部分計數器倒計時到00還無選手按動按鈕的話，十位74LS192的借位輸出端輸出低電平，將此輸出低電平輸入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121的B端口，使其產生周期為0.5s的脈沖

24、使蜂鳴報警器發(fā)聲提示，即實現無人搶答時搶答時間結束的提示功能。 圖12 總電路圖仿真圖 3、 仿真軟件Proteus本次課程設計使用的仿真軟件是Proteus，它可以很好地將設計出來的電路仿真出來，方便于對設計的各部分功能及總電路功能的檢驗，并且成功的模擬出多路數字搶答器的各種功能要求。在這次數電課設中，自學了Proteus并且使用Proteus進行設計的仿真，不僅學會了新的仿真軟件的使用，而且還方便了課程設計的進行，自己在使用Proteus過程中雖然也會遇到問題，但是都能及時得以解決。下面對仿真軟件Proteus進行簡單介紹。3.1 Proteus的簡介Proteus軟件是英國Lab Cen

25、ter Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPI

26、C33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。3.2 Proteus功能特點 Proteus軟件具有其它EDA工具軟件的功能。這些功能是：原理布圖、PCB自動或人工布線、SPICE電路仿真。 4、 課程設計小結數字電子技術基礎是非常重要的專業(yè)基礎課，本次課程設計是在學完數字電子技術基礎這門課程之后進行的，是對所學的理論知識的一次檢測。本次課程設計不僅使自己對數字電子技術這門課程所學的的理論知識有更好的了解，而且也鍛煉了自己對理論知識的應用能力，提高

27、自己的設計能力，做到學以致用。本次課程設計的題目是多路數字搶答器的仿真設計和制作，需要實現8人搶答、定時、報警等功能，并運用各種芯片來實現電路的搭建，運用仿真軟件來仿真模擬搶答器的這些基本功能。在進行設計的過程中，首先要做的就是弄清楚課程設計的要求，認真分析各部分功能的實現要求及原理，要理清思路再進行各部分電路的搭建和實現，當每部分功能都得以實現后再將這些分電路合成整個總的電路，這樣可以避免問題的出現，同時也方便于檢查電路的問題。在焊接實物之前，應該先通過仿真軟件進行仿真，當仿真成功即各部分功能都可以實現后再進行實物焊接。在完成本次課程設計的過程中，更好地了解了各種芯片的功能，并且根據各芯片的

28、功能來設計所需的電路，利用各芯片的不同功能來完成整個電路的設計，同時也是對所學的數電的理論知識進行了很好的鞏固，在設計過程中，遇到沒學過的芯片就自己上網搜索并理解芯片功能，學到了很多新的東西。另外，還自學了仿真軟件Proteus并用來完成電路的仿真，在運用的過程中雖然也會有不熟練的問題，但是還是很好地運用了Proteus，所以，算是又學會了不少新的東西。當然，在課程設計中也會遇到很多的問題，需要耐心去調試并找出問題所在，這樣可以學到更多的東西。 參考文獻 1數字電子技術基礎 伍時和 吳友宇 清華大學出版社2009.42童師白，華成英.模擬電子技術基礎，第三版. 北京:高等教育版社，20013呂思忠，施齊云.