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1、 计算机及信息工程学院 课程设计报告题 目 数字定时报警抢答器过压欠压保护电路 专业、学号 授课班号 学生姓名 指导教师 完成时间 2010.07.02 目 录第一部分 抢答器电路设计3一 设计要求3二 抢答部分3三 计时部分5四 报警部分9五 完整的抢答器电路图10六 元件列表12第二部分 过压欠压保护电路设计12一 设计要求12二 电路的原理和电路图14三 元件列表16遇到的问题15体会17参考文献18附图：简化的抢答器和过压欠压保护电路的原理图和PCB电路图抢答器设计一 设计要求 数字定时声光报警抢答器的设计。要求有抢答时间计时功能，容纳8 名选手。主持人控制。 设计一个可容纳8 名选手
2、参赛的数字式抢答器，每组设一个按钮，供抢答使用。 抢答器具有第一信号鉴别和锁存功能，使除第一抢答者外的按钮不起作用。 设置一个主持人控制开关，开关按下后开始倒计时，选手开始抢答。 主持人按下控制开关后，开始抢答，有指示灯显示抢答组别，扬声器发出23 秒的警报。二 抢答部分本抢答部分要实现的功能为：当主持人按下主持人控制开关后选手才能开始抢答，并在数显上显示选手的编号，在此之前抢答不应该起到作用，另外，当有一个选手抢答后其他选手没有抢答的权利，即3线8线优先编码器74148会自动锁住。为实现这些功能，本抢答部分电路图如下所示：图六 抢答部分电路图选手抢答控制开关用主从JK触发器（选用集成了两个J
3、K触发器的74112）来做。主从JK触发器的特性表如下：JKQ XXX0 0000保持 0011 1001置1 1011 0100置0 01101101反置 1110由上表可知，当J=0，K=0时，主从JK触发器的功能是保持，即无论J、K为何值，其输出的均为。当J=1，K=0时，主从JK触发器的功能是置1，即无论J、K为何值，其输出的均为1。所以在此把J接到主持人控制开关上,开关另一端接在高电位上，K接到低电位上，从而保证了当主持人按下开关前J=0,K=0,保证了输出为零(说明:当主持人没按开关是,JK触发器处于清零状态);主持人按下开关后J=1，K=0，输出的为1。输出的信号经非门送到3线8
4、线优先编码器的输入端，经3线8线优先编码器输出从而显示选手的编号。 右图为3线8线优先编码器： 其中:0、1、2、3、4、5、6、7、为输入端；GS为扩展端；EO为选通输出端；EI为控制端；GND为接地端；VCC接高电位。下表为3线8线优先编码器真值表：输 入输 出EI01234567A2A1A0GSE01XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X01111111100100111111111101由上表可知，只
5、有当EI为0时3线8线优先编码器才进入工作状态，所以要实现当一个选手按下抢答键后3线8线优先编码器才进入锁定状态，即只要有输入，EI同时被置为1，所以本部分设计为：当有信号输入时，信号经一个或门反馈到EI，使EI被置为1，从而实现此能。 另外，当要进入下题时，主持人按下控制开关，使触发器和数显清零，同时使EI被置为0，从而解除锁定，进而进入下一题的抢答。三 记时部分图七 改进后的多谐振荡器用多谐振荡器发出的脉冲来控制倒计时表，所以应把其周期调为1秒，以便使用。由T=（R1+R2）*C*2此前把R1和R2定为48K，可计算出C1=10.0187uF 但是C1的值过大。后来取电容C1为0.1uf，
6、计算得到R1和R2都取4.7M。图八 10秒倒计时电路图该倒计时电路计时周期设为10秒，可以采用一个74190加/减法计数器做倒计时电路。右图为74190加/减法计数器：A、B、C、D为输入控制端；QA、QB、QC、QD为输出端；下表为74190加/减法计数器真值表：CTENU/D”CLKLOADABCDQAQBQCQD0XX0XXXX01POS1XXXX倒计时00POS1XXXX正计时1XXXXXXX由其真值表可知，要实现倒计时，只需要把U/D”端置为1就可以了，本实验所设置的倒计时周期为10秒，因为此计数器为十进制的，所以只需要把十位的输入控制端控制为0011即可。为了使计数器计时结束时置
7、在00，在此当计时结束时使个位的脉冲停止就可以了，即置为0，把计数器输出引出，当计时结束时输出的脉冲就变为了0，然后与脉冲有与门并在一起输入到个位计数器的脉冲端，实现了当计时结束时脉冲停止，即数显显示为0。图九为90秒倒计时电路图，其原理同图八的10秒倒计时电路图，再此不再赘述。稍有不同的一点是在此把十位的输入控制端控制为0011，这样就可以实现90秒倒计时。此电路主要用来控制选手答题时间的长度，在图九 90秒倒计时电路图此我把其设置为90秒，即90秒一到，报警电路（详见报警部分）发出响声，同时提醒选手停止答题。四 报警部分下图九为3秒倒计时报警电路图。此电路用来使蜂鸣器响铃和控制蜂鸣器响铃的
8、时间长度（本抢答器的所有报警部分均用此电路控制，且把其图九 3秒倒计时报警电路图时间长度设3秒）。此3秒倒计时电路图的原理同图八30秒倒计时电路图，在此不再赘述只是把输入控制端控置为0011。当数显从30时，报警器发出响声，当到0时使报警器的输入变为低电位，响声停止，报警结束。五 完整的抢答器电路图图十为抢答器电路图。本抢答器所能实现的功能有：抢答、计时、报警，各具体部分详细请见前面一、二、三的分析说明，在此只说明此电路的整体功能。当开始之前选手编号置为0，抢答倒计时器置为30，答题倒计时器置为90。(次图中的响铃控制数显在实际应用中可以不要，在此只是为了更清晰)完善后的完整的抢答器电路图计时
9、分为两种情况：1. 抢答倒计时，开始前自动显示为9。当主持人按下开始抢答键后自动进入计时状态,当有选手抢答后，计时自动结束，同时其他选手被锁定；当计时结束后还没有宣选手抢答，此时时间显示为0，同时所以选手都被锁定。本部分的设计为：把JK触发器的八个输出端与脉冲共同控制计数器的输入脉冲。当没有选手抢答时，或非门的输出为1，与脉冲“与”后仍然为1，所以抢答倒计时器工作；当有选手抢答时，或非门输出为0，与脉冲“与”后为0，所以抢答倒计时器停止工作。2. 答题到计时，开始前自动显示为90。当主持人按下开始答题开关后，选手开始答题，当计时结束是选手仍未答完，则报警器发出响声，提醒选手答题时间已到，请停止
10、答题。报警分为三种情况：1. 当有选手按下抢答键时，报警器报警。其设计为：当没有选手抢答时，选手编号数显为0，相反则不为0，所以把数显的输出端用或门连在一起来再与蜂鸣器的脉冲输入端并在一起来共同控制蜂鸣器。当没有选手抢答时，与门的输出为0，蜂鸣器不工作；一旦有选手抢答时，与门的输出为1，蜂鸣器开始工作，同时报警倒计时电路开始倒计时，当倒计时结束时与门的输出有变为0，蜂鸣器停止工作。2. 当抢答时间结束时还没有选手抢答，报警器报警。其设计为：把抢答倒计时数显的八个输出端用一个或非门连起来再与蜂鸣器的脉冲输入端并在一起来共同控制蜂鸣器。开始时数显为30，或非门输出为0，蜂鸣器不工作，一旦计时结束，
11、或非门输出变为1，蜂鸣器开始工作，同时报警倒计时电路开始倒计时，当倒计时结束时与门的输出有变为0，蜂鸣器停止工作。3. 当答题时间结束时，报警器报警。其设计同第2钟情况，在此不再赘述。六 元件列表元件名数量元件名数量74190474148174485741126740037408174111743215551CD40021CD40784CD40722蜂鸣器147M电阻20.1uF瓷片电容10.01uF瓷片电容1数码管（共阴）6过压欠压保护电路一 设计要求当电路的输入电压高于电路所设定的过压保护点时，电路自行阻断；当电路的输入电压低于电路所设定的欠压保护点时，电路也自行阻断，从而起到保护电路安全
12、的功能。二 电路原理和电路图电路原理：电源输入电压，经过稳压二极管取得稳定的基准电压，在经过运算放大器比较电压与欠压点、过压点的大小进而得到运算放大器的输出，如果运放输出为低，则与之连接二极管导通，使得输出电压变为接近零值，如果运放输出为高，则与之连接的二极管阻断，使得电路输出正常。图十一、过压欠压保护电路几个关键的点：1. 采用了稳压二极管稳定基准电压，避免了电压波动造成的参考电压不稳定2. 欠压点和过压点的大小由R1：R3和R2：R4的比值决定决定，比如电源输入是12V，R1：R3=1，R2：R4=2，则欠压点为6V，过压点为8V。3. D1和D2作为开关和放电通路，构成与门，使得过压时和
13、欠压时电路皆不能导通，只有在L1、L2输出都为高时，电路才能正常输出高电位。4. D3抬高了三极管一个PN结的电压，防止击穿。5. 利用运放与反向二极管相连，当输出为高电平时，就会被隔断无电流通过；当输出为低电平是，二极管就会导通。图中最上方的运放，反相端接到基准电压（A点）上，同相端接到B点，当电源电压小于11v（欠压）时，同相端的电压一直小于反相端，运放会一直输出低电平。第二个运放的同相端接到基准点上，反相端接到C点，当电源电压大于14v（过压）时，反相端的电压会大于同相端，运放输出低电平。6. 最下方的运放输出端接到NPN三极管上是使上面运放输出低电平的电压，与三极管发射极相等，提供基准
14、。仿真图如上图十二，红线为保护电路电压曲线，绿线为稳压二极管电压曲线，蓝线为过压点电压曲线，黄线为欠压点电压曲线。三 元件列表电阻4个1k，2个6k，1个7.5k，1个4k稳压二极管5.1v 1个运放集成芯片1个LM324二极管3个三极管PNP、NPN各1个发光二极管1个遇到的问题：本次课程设计中确实遇到了少问题，其中主要有以下几个：1. 在做EWB仿真抢答器的抢答部分时曾经出现了不能锁定其他选手的情况，即当一个选手抢答结束后其他选手还可以继续抢答，后经过仔细研究了3线8线优先编码器的真值表才发现是如何控制此过程的，然后经过认真修改，最终把这个问题解决了，实现了抢答器的抢答功能。2. 此前把R
15、1和R2定为48K，可计算出 C1=10.0187uF 但是后来发现高容量的瓷片电容其容量由于二类陶瓷电容（X7R/X5R/Y5V/Z5U等特性）的容量是随着时间增加而减小的，这叫做容量的老化，这是跟它的材料（BaTiO3）的物理性质（介电常数）有关的，容量越大老化速度就越快；如果把电容加热到BaTiO3的居里温度以上，容量就会恢复，这叫做去老化，当然恢复之后还是会减小。所以电容要取用小一点的型号。取电容C1为0.1uf，计算得到R1和R2都取4.7M。3. 此前使用的是7447驱动七段数码管，由于没注意7447输出的是低电平有效，以至于使用了共阴极的数码管造成数码管不亮。后经查明更换成了74
16、48来驱动，二者引脚一致。仅是输出不同。体会通过这次对数字抢答器和过压欠压保护电路的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于抢答器的基本原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。此外，本实验也可通过软件EWB5.0仿真实现。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。参考文献张庆双编.电子技术基础技能线路实例.科学出版社.2006年.华中工学院电子学教研室编.康华光主编.电子技术基础数字部分.第五版. 北京.高等教育出版社.2005年.华中工学院电子学教研室编.康华光主编.电子技术基础模拟部分.第五版. 北京.高等教育出版社.2005年.