电力电子技术课程设计
报告书
课 题： 数字式竞赛抢答器 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 蒋岷君 学 号： 0800120313
题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发
2011 年 1月 6 日
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前言
一、抢答器的主要内容
l.任务要求和内容
数字式竞赛抢答器具有数字显示抢答者序号功能同时配以声、光报警，以响应抢先抢答者的信号和序号，对犯规抢答者(包括提前和超前抢答)除声、光报警外，还有显示抢答犯规者序号的功能，同时还可以设置记分和奖罚记录等多种功能。
2．抢答器的使用步骤为：
(1)电路上电抢答前，由抢答主持人进行系统复位，确定抢答允许时间。 (2)抢答主持入发出抢答命令同时按下定时开关。
(3)抢答者听到抢答开始命令后，通过各自的按钮开关输入抢答信号。 二、资料收集
1、芯片资料的收集
课设中用到了74LS148，74LS192，74LS48，555定时器、74LS00、74LS121、74ls04、74ls273等芯片。其中74LS192、 555定时器、74LS00在数电书上学有，而对于没有学过的74LS148、74LS48、74LS121、74ls04、74ls273芯片则在网上找到相关应用资料。
2、抢答器的资料
根据题目的要求我们在数电等相关书籍上找了各个芯片的使用方法，并在网络上也找到了一些相关的资料来辅助设计抢答器的原理和绘制电路图。
三、工作过程简介
得到题目后我们先确定了大体的设计思路，每一个模块实现一个功能，确定了课设实施的方案，然后去找资料了解各芯片的功能，管脚图和逻辑图，结合实物熟悉各个芯片的使用。并通过芯片实现其功能。接下来的任务就去找资料，设计电路图，并且仿真。
经过仿真后，就开始画原理图和PCB图。经过学习protel99实用教程后画PCB图更加熟练，更加有效率。焊完板后接下来就是调试电路板，这可是个复杂的过程，74ls148有点问题，一上电就锁存了，没有达到预期的效果，经过排除和检查，电路板可以正常工作了。其他的板都可以正常工作。
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目录
一 、前言···································2 二、目录 ··································3 三 、正文 ··································4
3.1系统概述 ···························4
3.1.1、抢答器基本功能················4
3.1.2、抢答器的工作原理··············5
3.2单元电路设计仿真和分析··············6
3.2.1抢答主电路的设计···············6 3.2.2抢答倒计时电路设计··············6
3.2.3 犯规电路及报警电路设计··········8
3.2.4 计分电路的设计··················9 3.3 总体电路图··························10
四、电路的安装与调试····························11 五、结束语和心得体会···························12 六、参考文献··································13 七、元器件列表································14
八、附录····································14
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三、正文 3.1系统概述
3.1.1 、抢答器基本功能：
1．设计一个数字式竞赛抢答器，可容纳8组代表队参加比赛，他们的编号分别是0-7，每组有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0-S7。给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。
2．抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
3．抢答器具有定时抢答的功能。当主持人按下“开始”按钮后，定时器立即倒计时，并在显示器上显示。若有一个组在主持人按下“开始”前抢答，则为犯规，报警器发出响声。
4．参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，系统封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00.
流程图如下图：
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3.1.2抢答器的工作过程
根据对功能要求的简要分析，将抢答器电路分为抢答电路、抢答倒计时电路、犯规和报警电路、计分电路。抢答电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答器按钮时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答；扩展电路完成定时抢答、犯规报警及抢答计分功能。
工作原理：通电后，主持人将开关拨到“清零状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间：主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。若是主持人开关并未置“开始”，此时若是有人抢答，则对应选手的灯亮，扬声器发出报警声并封锁输入电路。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时抢答。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断，编号锁存，编号显示，扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止，禁止二次抢答，定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始：状态开关。对于抢答者，答对题则可以进行相应的加分，提前抢答或是答错则扣掉相应的分值。
3.2、单元电路设计仿真和分析 3.2.1抢答电路的设计
该部分主要完成两个功能：一是分辨选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。选用优先编码器74ls148和RS锁存器可以完成上述功能，所组成的电路图如下所示。这个电路的工作原理过程：当主持人控制开关s置于“清零” 端时，RS触发器的R非端均为0，4个触发器输出（Q4--Q1）全部置0，使74ls148的BI的非=0，显示器灯灭：74ls148的选通输入端ST的非=0，使之处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人把开关S置于“开始”时，优先编码器和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端的信号，当有选手将键按下时（比如按下s5），74ls148的输出Y2Y1Y0的非=010，YEX的非=0，经RS锁存后，CTR=1，BI的非=1，经74ls148译码后，显示器显示为“5”。此外，CRT=1,使74ls148的ST的非为高电平，封锁其他按键的输入。如果再次抢答需有主持人将S开关重新“清除”，电路复位。
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抢答部分电路原理图如下：
3.2.2、定时电路设计
可预置时间的电路选用可由两片十进制同步加减计数器74Ls192、译码器74ls48、7段数码显示管来进行设计。其中，两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74ls192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。74ls192其引脚图和逻辑图如图1所示，
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74LS192引脚图 555定时器连接图
P0、P1、P2、P3——置数并行数据输入；Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出； CR————清零端； LD————置数端； CPu ————加法计数CP输入； CPd ———减法计数CP输入；CO———进位输出端；BO———借位输出端。 因为时间周期为1S，所以频率是1Hz。555电路中电容的充放电时间分别是： t1=RB×C×ln2≈0.7RB×C t2=(RA+RB)×C×ln2≈0.7(RA+RB)C 所以555的3端输出的频率为： f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2RA+RB)C]
我们采用的电阻和电容值分别是：RA=15KΩ，R2=68KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲。
定时电路原理图如下：
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3.2.3、犯规及报警电路的设计
报警电路我们是由74ls121单稳触发器触发555构成的多谐振荡器，振荡频率fo=1.43/[（R1+2R）C]，其输出信号经三极管推动扬声器，并发出响声提示。PR为控制信号，当PR为高电平时谐振荡器工作；而当PR为低电平时，电路停振。 犯规电路由3个74ls04、74ls273、发光二极管1n4148等组成。74LS273是一种带清除功能的8D触发器，做为数据锁存器, 锁存住提前抢答的选手并使对应选手的灯亮，并在数码管上短暂显示其号码。 报警电路如下图
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犯规电路如下图：
3.2.4、计分电路设计
计分电路由4个74ls192、4个74ls48、4个数码管构成，但在设计中只是模拟了2位选手的计分过程，根据选手答题的对与错可以对其进行加减分，也可以对抢答者的初始分值进行置数。
计分电路如下图：
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3.4 总体电路图
经过以上分析，我们将各部分电路连接，并加以适当控制，即得到了八位定时抢答器的总体电路图。
工作原理如下：
首先是各个选手分别对应的按钮编号是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是0、1、2、3、4、5、6、7。
然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为两路：一路与锁存器的1R2R3R4R端相连，使输出端1Q2Q3Q4Q为低电平，1Q所输出的低电平经与门反馈给74LS148的EI端子，编码器不工作，因此抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零；另一路低电平输出到计数器74LS192的LD端，而CR端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据。
接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端D、C、B、A的高低电平来进行（例如要设定时间为30秒,就将十位的74192的D、C、B、A分别置位为0、0、1、1，而将各位的74LS192的D、C、B、A都置于0）。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此高电平有两路方向：一路输出到74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减计数；还有一路输出到锁存器的R端。
当任意一个选手抢答时，例如3号抢答时，74LS148三号端子输入低电平有效，此时GS为低电平有效，表征编码器在正常工作。编码输出A2A1A0为100，与其对应的4S3S2S为100，经74LS279锁存，4Q3Q2Q输出为011，经译码显示编号为3。与此同时，1Q所输出的高电平反馈回编码器的是能输入端，使其停止工作。此时，其他选手若再按动按钮也无对应输出，这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。另一路，74LS148的GS端输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得无脉冲抵达计数器74LS192的Down端。计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能。
若没有选手按动按钮，则74LS279输出全为高电平，74LS148也输出高电平，1Q端输出低电平至74LS48的灭灯输入RI/RBO端，使得信号经74LS48到显示器上时无显示；若到定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，十位
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74LS192的借位输出端输出高电平反馈回个位Down端，停止计数。
若是主持人开关置位是在“清零”端，还未开始抢答，若有选手提前抢答则犯规电路和报警电路工作，锁存提前抢答者，并相对应的灯亮，数码管短暂显示提前抢答者编号，扬声器发出警报声，提醒主持人有人提前抢答。
对于抢答成功者，主持人可以通过按键控制给抢答并回答正确者加分，同时也可以给提前抢答或是抢答回答错的给予相应的扣分。
综上所述，所设计的电路基本可以实现要求中的功能。（总体连接电路原理图见附录）
四、 电路的安装与调试
1．在调试抢答器主电路时，发现主电路对于抢答按键的输入不能锁存且一上电74ls148的EI端就跳变为高电平锁存芯片，致使74ls48译码输出给数码管为0。 解决方法：反复的调试分析其电路原理，并用示波器测试输入的电源，发现纹波非常之大，之后在电源输出端并接一个220uf的电解电容和一个0.1uf的瓷片电容，再用示波器测试发现纹波减少很多；然后再在74ls148的使能端EI并接一个0.1uf的瓷片电容，很好的消除了开关电源带来的纹波干扰，使抢答电路正常的工作。
2．调试过程中发现倒计时到0的时候不能停止。
解决方法; 高位192显示0的时候，BO2端输出低电平，因此可以利用这信号与门锁住低位192的秒脉冲输入信号。
3．在测试报警电路的时候，发现蜂鸣器不工作，报警功能失效。
解决方法：在通过对单稳触发器74ls121的测试后发现其能正常工作，555在121触发后3脚会有一个高脉冲输出，说明555也能正常工作，在检查后级推动蜂鸣器工作电路时发现两个8050管脚装反，原因是protel99里的封装与8050的封装不同。解决这个问题后可以报警，但是声音很小，于是去掉了100uf的耦合电容，问题解决。
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4．调试计分电路时，发现按键有抖动现象，致使计分时按一次键分值变化好几次。
解决方法：在按键输出口并接一个电容，去除抖动，但是效果不佳，但是相对没有加之前情况要好很多，对于纯数字逻辑芯片，可以使用锁存器对按键进行消抖，效果要比电容好得多。
五、结束语和心得体会
在经过了两周的学习和设计仿真抢答器的电路图，我学到了很多东西，主要是对数字电路的基础理论知识的复习和巩固，对以前学的理论有一次实践的机会，更深入的理解了理论联系实际的重要性。
首先，在理论方面，我深刻体会到了数字电路设计的原理。1、脉冲信号的控制。可以用与门实现脉冲信号的控制，在某个时候封锁脉冲只需要找到这个时候之前为高电平，这个时候之后为低电平信号，然后将之与脉冲相与，便可以得到在特定时刻的以后出现的脉冲信号。
其次，在数字电路的设计中，电路中的纹波对数字电路的影响是致命的，理论上是可以行的通的，但是到了实际的电路中往往不可行，这常常与我们的电路设计过程中的布线有关，其中地线、电源线、信号线的走向有着非常特殊的关系，在设计过程中需要对这些方面着重注意，设计的不合理，会导致设计的失败。电源的滤波也是数字电路中必须的，通常没有滤波的纹波的干扰会很大，但选择滤波电容的同时也得注意要合适，否则会适得其反，引起电路的自激震荡。在选择电容的时候我们往往是根据经验来选择，实际效果也不错，这就需要我们在实践中不断的积累经验。理论联系实践。课本上的知识知识只是我们掌握一门技术的必要条件而不是充分条件，如果这些脱离了实际，便没有了意义。在这个过程中必须要讲理论联系实际，在实践中学习，校验，巩固，应用这些知识，这样才能学以致用。
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六、参考文献
1、高鹏主编、PROTEL实用教程[S] 1999年第1版 2、康华光主编 电子技术基础 数字部分（第五版）
3、陈明义主编、电子技术课程设计实用教程[S] 2002年05月第1版 4、电子线路设计、实验、测试（第二版） 5、数字逻辑电路实验、设计、仿真 6、新编电子线路设计实用手册 七、元器件明细表 序号 名称 数量 备注 1 74ls192 7 2 74ls148 1 3 74ls279 1 4 74ls273 1 5 74ls00 2 6 74ls04 3 7 7段数码管 7 8 按键 10 9 发光二极管 13 10 蜂鸣器 1 11 74ls48 7 12 电阻 若干 13 Ne555 2 14 三极管8050 2 15 电容 若干 16 插针 4排 17 拨码开关 2个 18 排线 2排 19 1n4148 8 20 74ls10 1
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附录：
Protues仿真整机图如下
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抢答模块PCB图如下：
犯规模块PCB
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计时模块PCB
报警模块PCB
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计分模块PCB
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