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课程设计报告书课程名称数字电子技术院部名称机电工程学院学号学生姓名班级指导教师赵国树金陵科技学院教务处制成绩课题二数字抢答器设计一、设计要求1.数字抢答器应具有数码锁存、显示功能，抢答组数分为八组，即序号0、1、2、3、4、5、6、7，优先抢答者按动本组开关，组号立即锁存到LED显示器上，同时封锁其它组号。2.系统设置外部清除键，按动清除键，LED显示器自动清零灭灯。3.数字抢答器定时为30秒，启动起始键后，要求：①30秒定时器开始工作；②蜂鸣器要短暂报警；③发光二极管亮灯。4.抢答者在30秒内抢答，抢答有效，终止定时；30秒定时到，无抢答者本次抢答无效，系统短暂报警，发光二极管灭灯。二、总体参考方案它包括定时电路、门控电路、译码显示电路、8线-3线优先编码器、RS锁存器和报警电路等六个部分组成。其中定时电路、门控电路、译码显示电路及8线-3线优先编码器三部分的时序配合尤为重要，当启动外部操作开关（起始键）时，定时器开始工作，同时打开门控电路，输出有效，8线-3线优先编码器等待数据输入，在定时时间内，优先按动开关的组号立即被锁存到LED显示器上，与此同时，门控电路输出无效，8线-3线优先编码器禁止工作；若定时到而无抢答者，定时电路立即关闭门控电路，输出无效，封锁8线-3线优先编码器，同时发出短暂报警信号。三．抢答电路此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存。使用优先编码器74LS148和D锁存器7474来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关space悬空时，数码管断路，选手不能抢答，当space接地时数码管灭0，编码器4532的GS引脚输出0到译码器4511的全灭端使其有效。此时处于准备抢答阶段。当有选手按下时，GS输出1BT非端无效，则译码器显示该选手号码，同时GS接一个反相器到4532使能端使其无效，其他选手抢答无效。VCC5VVCC5VVCC5VVCC5VVCC5VVCC5VVCC5VU104532BP_5VI4I5I6I7EINO2O1VSSO0I0I1I2I3GSEOUTVDDR1610kΩS13Key=SpaceS14Key=0S15Key=1S16Key=2S17Key=3S18Key=4S19Key=5S20Key=6S21Key=7U284511BD_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~EL5~BI4~LT3U29A7474N1D21Q5~1Q6~1CLR11CLK3~1PR4U30A7474N1D21Q5~1Q6~1CLR11CLK3~1PR4U31A7474N1D21Q5~1Q6~1CLR11CLK3~1PR4U32ABCDEFGCKR17100ΩU33A74LS04NU34A74LS08D101100VCC99909298949596979391VCCVCC0VCC898887868584VCCVCC0VCC8281807978777675083图2抢答模块原理图1.74LS148编码器功能表如下：表1优先编码器74LS148功能表74LS148的输入端和输出端低电平有效。0I~7I是输入信号，2Y~0Y为三位二进制编码输出信号，SI＝1时，编码器禁止编码，当SI＝0时，允许编码。SY是技能输出端，只有在SI＝0，而0I~7I均无编码输入信号时为0。EXY为优先编码输出端，在SI＝0而0I~7I的其中之一有信号时，EXY＝0。0I~7I各输入端的优先顺序为：7I级别最高，0I级别最低。如果7I＝0（有信号），则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按7I编码，2Y1Y0Y＝000。优先编码被广泛用于计算机控制系统中，当有多个外设申请中断时，优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。2.4511译码器功能CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，引脚排列如图2所示。其中abcd为BCD码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观图3是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。3.230秒倒计时电路1.由节目主持人根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。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路原理图如下：该部分主要由时钟脉冲产生电路，十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、4511译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，进行30s倒计时，到0s时倒计时指示灯亮。当有人抢答时，计时停止。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路4511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30s，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，输出低电平到时序控制电路，以后选手抢答无效。VCC5VVCC5VVCC5VU1074LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U2874LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U29ABCDEFGCKU30ABCDEFGCKU314511BD_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~EL5~BI4~LT3U324511BD_5VDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~EL5~BI4~LT3R17100ΩS14Key=SpaceXSC5ABExtTrig++__+_S15Key=SpaceR1910kΩ01011000VCC09998970VCCVCC00969594939291908988878685848382818079787776750图430秒倒计时电路4511的1276引脚接受来自74LS192的输出信号并把它译码显示在数码管上。74LS192的9101115引脚完成时间设定功30秒，所以把左边的芯片的115引脚接高电30秒。工作过程为：抢74LS192示为305CP信号推动1Q的输出为1为0能。当记到了3000。2.74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。表574LS192的功能表输入输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01×××××××000000××DCBADCBA011××××加计数图6（A）引脚排列(B)逻辑符号图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。011××××减计数3.3报警电路1.由555定时器和三极管构成的报警电路如图6所示：U10LM555CNGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R161kΩR174kΩC320nFR18510ΩR19510ΩVCC5VVCC5VQ3BFS60U28BUZZER200HzVCC1070VCC105104010310275106三号脚波形1）.555定时器集成555定时器是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的数字、模拟混合型的中规模集成电路。555集成电路内部一共集成了21个晶体管、4个晶体二极管和16个电阻器,组成了两个电压比较器、一个基本R-S触发器、一个放电晶体三极管和一个由3个全等电阻组成的分压器。图9555定时器内部方框图（2）.555定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振1&&&COTHTR+VCCuOD5kΩ5kΩ5kΩC1C2G1G2G3T++－－2658437RQQ荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在和之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。由555构成多谐振荡器电路如图所示：图10555构成多谐振荡器图11多谐振荡器的波形图多谐振荡器的工作原理：多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=（R1＋R2）C。由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc之间变化。图1（b）所示为工作波形。二、抢答器的总电路VCC5VVCC5VVCC5VVCC5VVCC5VVCC5VU14532BP_5VI4I5I6I7EINO2O1VSSO0I0I1I2I3GSEOUTVDDR110kΩS2Key=SpaceS4Key=AS5Key=BS6Key=CS7Key=