3157.數(shù)字定時報警搶答器過壓欠壓保護電路

1、 計算機及信息工程學(xué)院 課程設(shè)計報告題 目 數(shù)字定時報警搶答器過壓欠壓保護電路 專業(yè)、學(xué)號 授課班號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 完成時間 2010.07.02 目 錄第一部分 搶答器電路設(shè)計3一 設(shè)計要求3二 搶答部分3三 計時部分5四 報警部分9五 完整的搶答器電路圖10六 元件列表12第二部分 過壓欠壓保護電路設(shè)計12一 設(shè)計要求12二 電路的原理和電路圖14三 元件列表16遇到的問題15體會17參考文獻18附圖：簡化的搶答器和過壓欠壓保護電路的原理圖和pcb電路圖搶答器設(shè)計一 設(shè)計要求 數(shù)字定時聲光報警搶答器的設(shè)計。要求有搶答時間計時功能，容納8 名選手。主持人控制。 設(shè)計一個可容納8 名選手

2、參賽的數(shù)字式搶答器，每組設(shè)一個按鈕，供搶答使用。 搶答器具有第一信號鑒別和鎖存功能，使除第一搶答者外的按鈕不起作用。 設(shè)置一個主持人控制開關(guān)，開關(guān)按下后開始倒計時，選手開始搶答。 主持人按下控制開關(guān)后，開始搶答，有指示燈顯示搶答組別，揚聲器發(fā)出23 秒的警報。二 搶答部分本搶答部分要實現(xiàn)的功能為：當(dāng)主持人按下主持人控制開關(guān)后選手才能開始搶答，并在數(shù)顯上顯示選手的編號，在此之前搶答不應(yīng)該起到作用，另外，當(dāng)有一個選手搶答后其他選手沒有搶答的權(quán)利，即3線8線優(yōu)先編碼器74148會自動鎖住。為實現(xiàn)這些功能，本搶答部分電路圖如下所示：圖六 搶答部分電路圖選手搶答控制開關(guān)用主從jk觸發(fā)器（選用集成了兩個j

3、k觸發(fā)器的74112）來做。主從jk觸發(fā)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，當(dāng)j=0，k=0時，主從jk觸發(fā)器的功能是保持，即無論j、k為何值，其輸出的均為。當(dāng)j=1，k=0時，主從jk觸發(fā)器的功能是置1，即無論j、k為何值，其輸出的均為1。所以在此把j接到主持人控制開關(guān)上,開關(guān)另一端接在高電位上，k接到低電位上，從而保證了當(dāng)主持人按下開關(guān)前j=0,k=0,保證了輸出為零(說明:當(dāng)主持人沒按開關(guān)是,jk觸發(fā)器處于清零狀態(tài));主持人按下開關(guān)后j=1，k=0，輸出的為1。輸出的信號經(jīng)非門送到3線8

4、線優(yōu)先編碼器的輸入端，經(jīng)3線8線優(yōu)先編碼器輸出從而顯示選手的編號。 右圖為3線8線優(yōu)先編碼器： 其中:0、1、2、3、4、5、6、7、為輸入端；gs為擴展端；eo為選通輸出端；ei為控制端；gnd為接地端；vcc接高電位。下表為3線8線優(yōu)先編碼器真值表：輸 入輸 出ei01234567a2a1a0gse01xxxxxxxx11111011111111111100xxxxxxx0000010xxxxxx01001010xxxxx011010010xxxx0111011010xxx01111100010xx011111101010x01111111100100111111111101由上表可知，只

5、有當(dāng)ei為0時3線8線優(yōu)先編碼器才進入工作狀態(tài)，所以要實現(xiàn)當(dāng)一個選手按下?lián)尨疰I后3線8線優(yōu)先編碼器才進入鎖定狀態(tài)，即只要有輸入，ei同時被置為1，所以本部分設(shè)計為：當(dāng)有信號輸入時，信號經(jīng)一個或門反饋到ei，使ei被置為1，從而實現(xiàn)此能。 另外，當(dāng)要進入下題時，主持人按下控制開關(guān)，使觸發(fā)器和數(shù)顯清零，同時使ei被置為0，從而解除鎖定，進而進入下一題的搶答。三 記時部分圖七 改進后的多諧振蕩器用多諧振蕩器發(fā)出的脈沖來控制倒計時表，所以應(yīng)把其周期調(diào)為1秒，以便使用。由t=（r1+r2）*c*2此前把r1和r2定為48k，可計算出c1=10.0187uf 但是c1的值過大。后來取電容c1為0.1uf，

6、計算得到r1和r2都取4.7m。圖八 10秒倒計時電路圖該倒計時電路計時周期設(shè)為10秒，可以采用一個74190加/減法計數(shù)器做倒計時電路。右圖為74190加/減法計數(shù)器：a、b、c、d為輸入控制端；qa、qb、qc、qd為輸出端；下表為74190加/減法計數(shù)器真值表：ctenu/d”clkloadabcdqaqbqcqd0xx0xxxx01pos1xxxx倒計時00pos1xxxx正計時1xxxxxxx由其真值表可知，要實現(xiàn)倒計時，只需要把u/d”端置為1就可以了，本實驗所設(shè)置的倒計時周期為10秒，因為此計數(shù)器為十進制的，所以只需要把十位的輸入控制端控制為0011即可。為了使計數(shù)器計時結(jié)束時置

7、在00，在此當(dāng)計時結(jié)束時使個位的脈沖停止就可以了，即置為0，把計數(shù)器輸出引出，當(dāng)計時結(jié)束時輸出的脈沖就變?yōu)榱?，然后與脈沖有與門并在一起輸入到個位計數(shù)器的脈沖端，實現(xiàn)了當(dāng)計時結(jié)束時脈沖停止，即數(shù)顯顯示為0。圖九為90秒倒計時電路圖，其原理同圖八的10秒倒計時電路圖，再此不再贅述。稍有不同的一點是在此把十位的輸入控制端控制為0011，這樣就可以實現(xiàn)90秒倒計時。此電路主要用來控制選手答題時間的長度，在圖九 90秒倒計時電路圖此我把其設(shè)置為90秒，即90秒一到，報警電路（詳見報警部分）發(fā)出響聲，同時提醒選手停止答題。四 報警部分下圖九為3秒倒計時報警電路圖。此電路用來使蜂鳴器響鈴和控制蜂鳴器響鈴的

8、時間長度（本搶答器的所有報警部分均用此電路控制，且把其圖九 3秒倒計時報警電路圖時間長度設(shè)3秒）。此3秒倒計時電路圖的原理同圖八30秒倒計時電路圖，在此不再贅述只是把輸入控制端控置為0011。當(dāng)數(shù)顯從30時，報警器發(fā)出響聲，當(dāng)?shù)?時使報警器的輸入變?yōu)榈碗娢唬懧曂Ｖ?，報警結(jié)束。五 完整的搶答器電路圖圖十為搶答器電路圖。本搶答器所能實現(xiàn)的功能有：搶答、計時、報警，各具體部分詳細請見前面一、二、三的分析說明，在此只說明此電路的整體功能。當(dāng)開始之前選手編號置為0，搶答倒計時器置為30，答題倒計時器置為90。(次圖中的響鈴控制數(shù)顯在實際應(yīng)用中可以不要，在此只是為了更清晰)完善后的完整的搶答器電路圖計時

9、分為兩種情況：1. 搶答倒計時，開始前自動顯示為9。當(dāng)主持人按下開始搶答鍵后自動進入計時狀態(tài),當(dāng)有選手搶答后，計時自動結(jié)束，同時其他選手被鎖定；當(dāng)計時結(jié)束后還沒有宣選手搶答，此時時間顯示為0，同時所以選手都被鎖定。本部分的設(shè)計為：把jk觸發(fā)器的八個輸出端與脈沖共同控制計數(shù)器的輸入脈沖。當(dāng)沒有選手搶答時，或非門的輸出為1，與脈沖“與”后仍然為1，所以搶答倒計時器工作；當(dāng)有選手搶答時，或非門輸出為0，與脈沖“與”后為0，所以搶答倒計時器停止工作。2. 答題到計時，開始前自動顯示為90。當(dāng)主持人按下開始答題開關(guān)后，選手開始答題，當(dāng)計時結(jié)束是選手仍未答完，則報警器發(fā)出響聲，提醒選手答題時間已到，請停止

10、答題。報警分為三種情況：1. 當(dāng)有選手按下?lián)尨疰I時，報警器報警。其設(shè)計為：當(dāng)沒有選手搶答時，選手編號數(shù)顯為0，相反則不為0，所以把數(shù)顯的輸出端用或門連在一起來再與蜂鳴器的脈沖輸入端并在一起來共同控制蜂鳴器。當(dāng)沒有選手搶答時，與門的輸出為0，蜂鳴器不工作；一旦有選手搶答時，與門的輸出為1，蜂鳴器開始工作，同時報警倒計時電路開始倒計時，當(dāng)?shù)褂嫊r結(jié)束時與門的輸出有變?yōu)?，蜂鳴器停止工作。2. 當(dāng)搶答時間結(jié)束時還沒有選手搶答，報警器報警。其設(shè)計為：把搶答倒計時數(shù)顯的八個輸出端用一個或非門連起來再與蜂鳴器的脈沖輸入端并在一起來共同控制蜂鳴器。開始時數(shù)顯為30，或非門輸出為0，蜂鳴器不工作，一旦計時結(jié)束，

11、或非門輸出變?yōu)?，蜂鳴器開始工作，同時報警倒計時電路開始倒計時，當(dāng)?shù)褂嫊r結(jié)束時與門的輸出有變?yōu)?，蜂鳴器停止工作。3. 當(dāng)答題時間結(jié)束時，報警器報警。其設(shè)計同第2鐘情況，在此不再贅述。六 元件列表元件名數(shù)量元件名數(shù)量74190474148174485741126740037408174111743215551cd40021cd40784cd40722蜂鳴器147m電阻20.1uf瓷片電容10.01uf瓷片電容1數(shù)碼管（共陰）6過壓欠壓保護電路一 設(shè)計要求當(dāng)電路的輸入電壓高于電路所設(shè)定的過壓保護點時，電路自行阻斷；當(dāng)電路的輸入電壓低于電路所設(shè)定的欠壓保護點時，電路也自行阻斷，從而起到保護電路安全

12、的功能。二 電路原理和電路圖電路原理：電源輸入電壓，經(jīng)過穩(wěn)壓二極管取得穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，在經(jīng)過運算放大器比較電壓與欠壓點、過壓點的大小進而得到運算放大器的輸出，如果運放輸出為低，則與之連接二極管導(dǎo)通，使得輸出電壓變?yōu)榻咏阒?，如果運放輸出為高，則與之連接的二極管阻斷，使得電路輸出正常。圖十一、過壓欠壓保護電路幾個關(guān)鍵的點：1. 采用了穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓，避免了電壓波動造成的參考電壓不穩(wěn)定2. 欠壓點和過壓點的大小由r1：r3和r2：r4的比值決定決定，比如電源輸入是12v，r1：r3=1，r2：r4=2，則欠壓點為6v，過壓點為8v。3. d1和d2作為開關(guān)和放電通路，構(gòu)成與門，使得過壓時和

13、欠壓時電路皆不能導(dǎo)通，只有在l1、l2輸出都為高時，電路才能正常輸出高電位。4. d3抬高了三極管一個pn結(jié)的電壓，防止擊穿。5. 利用運放與反向二極管相連，當(dāng)輸出為高電平時，就會被隔斷無電流通過；當(dāng)輸出為低電平是，二極管就會導(dǎo)通。圖中最上方的運放，反相端接到基準(zhǔn)電壓（a點）上，同相端接到b點，當(dāng)電源電壓小于11v（欠壓）時，同相端的電壓一直小于反相端，運放會一直輸出低電平。第二個運放的同相端接到基準(zhǔn)點上，反相端接到c點，當(dāng)電源電壓大于14v（過壓）時，反相端的電壓會大于同相端，運放輸出低電平。6. 最下方的運放輸出端接到npn三極管上是使上面運放輸出低電平的電壓，與三極管發(fā)射極相等，提供基準(zhǔn)

14、。仿真圖如上圖十二，紅線為保護電路電壓曲線，綠線為穩(wěn)壓二極管電壓曲線，藍線為過壓點電壓曲線，黃線為欠壓點電壓曲線。三 元件列表電阻4個1k，2個6k，1個7.5k，1個4k穩(wěn)壓二極管5.1v 1個運放集成芯片1個lm324二極管3個三極管pnp、npn各1個發(fā)光二極管1個遇到的問題：本次課程設(shè)計中確實遇到了少問題，其中主要有以下幾個：1. 在做ewb仿真搶答器的搶答部分時曾經(jīng)出現(xiàn)了不能鎖定其他選手的情況，即當(dāng)一個選手搶答結(jié)束后其他選手還可以繼續(xù)搶答，后經(jīng)過仔細研究了3線8線優(yōu)先編碼器的真值表才發(fā)現(xiàn)是如何控制此過程的，然后經(jīng)過認真修改，最終把這個問題解決了，實現(xiàn)了搶答器的搶答功能。2. 此前把r

15、1和r2定為48k，可計算出 c1=10.0187uf 但是后來發(fā)現(xiàn)高容量的瓷片電容其容量由于二類陶瓷電容（x7r/x5r/y5v/z5u等特性）的容量是隨著時間增加而減小的，這叫做容量的老化，這是跟它的材料（batio3）的物理性質(zhì)（介電常數(shù)）有關(guān)的，容量越大老化速度就越快；如果把電容加熱到batio3的居里溫度以上，容量就會恢復(fù)，這叫做去老化，當(dāng)然恢復(fù)之后還是會減小。所以電容要取用小一點的型號。取電容c1為0.1uf，計算得到r1和r2都取4.7m。3. 此前使用的是7447驅(qū)動七段數(shù)碼管，由于沒注意7447輸出的是低電平有效，以至于使用了共陰極的數(shù)碼管造成數(shù)碼管不亮。后經(jīng)查明更換成了7448來驅(qū)動，二者引腳一致。僅是輸出不同。體會通過這次對數(shù)字搶答器和過壓欠壓保護電路的設(shè)計與制作，讓我了解了設(shè)計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于搶答器的基本原理與設(shè)計理念，要設(shè)計一個電路總要先用仿真仿真成功之后才實際接線的。但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣，因為，再實際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功的電路接法，在實際中因為芯片本身的特性而能夠成功。所以，在設(shè)計時