一、设计题目：

四人智力抢答器

二、设计要求：

(1)4名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。

(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零和抢答的开始。

(3)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，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答，同时计数器显示此时的时间。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

 (4)抢答器具有定时（３０秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响。参赛选手在设定时间（３０秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。

(5)如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统扬声器报警，并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。

(6)用５５５定时器产生频率为１Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。

三、题目分析：

本设计是一个数字电路设计课题，针对我们所有学的数字电路知识,为满足四组参赛队参赛的声光显示智力抢答器，我们采用７４ＨＣ７４双Ｄ触发器实现抢答电路，采用三十进制计数器实现计时电路、并由555时基电路组成。此课题的设计工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，显示器清零，定时器显示设定时间；主持人触发“开始”按扭后，计时器开始倒计时，抢答器处于工作状态。有选手抢答时，本次抢答完成；通过对抢答信号的优先判断，然后将编号锁存、显示。当一轮抢答完之后，如果再次抢答必须由主持人再次操作“复位”开关和“开始”键。

四、方案设计与论证：

1.方案选择：

方案一：抢答电路采用７４ＨＣ７４双Ｄ触发器和基本门电路设计与制作编码回路，然后通过ＣＣ4511译码器对其进行译码显示；秒脉冲信号采用５５５定时器产生振荡脉冲而得；３０秒倒计时选用三十进制同步加减计数器74ＨＣ192实现。

方案二：抢答电路采用优先编码器７４ＬＳ１４８实现优先抢答功能，然后经ＣＣ4511译码器译码显示；秒脉冲信号由555时基电路振荡产生；３０秒倒计时器选用三十进制同步加减计数器74ＨＣ192实现。

2.方案比较：两种方案的设计原理相同。方案二锁存电路采用74LS１４８优先编码器实现，设计原理简单，但是调试复杂，受芯片质量和外界干扰较大，方案一锁存电路由７４ＨＣ７４触发器和基本门电路控制输入的脉冲而实现，设计原理简单，但是锁存控制方面较复杂。介于本实验提供的芯片选择方案一。

3.方案论证:图1为数字抢答器系统的原理框图，它包括抢答电路、计时电路、报警电路和控制电路四个模块。抢答编码电路采用双Ｄ触发器进行触发到基本门电路（与非门）进行编码，同时将编码发送到译码器译码显示抢答者编号；其次将输入译码器的信号经过处理去控制输入Ｄ触发器的ＣＰ从而禁止其他选手进行无效操作，选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号优先编码输出，一直保持到主持人将系统清除为止。倒计时电路采用三十进制同步加减计数器74LS192，将其工作于减计数器。秒脉冲和报警电路采用555组成的多谐振荡器振荡电路产生。控制电路采用基本的门电路组合而成。

图1  系统原理图

五、具体实现

1.抢答电路设计

如表1所示为74HC74的逻辑功能表

表1  74HC74逻辑功能表

根据以上的逻辑功能表，可以看出，只有当、两个端子为高电平的时候74HC74才有效。当、有一个为高电平，一个为低电平的时候，它的输出端就有一个为高电平，一个为低电平，在这个设计中，由于所取的是端，故考虑将端接一个控制开关(主持人)，当主持人按下这个开关的时候，就达到了清零的效果。下图2所示为本设计中的抢答器的主体电路。

在下图的电路中，四个抢答端从S1—S4，分别对应四个抢答选手的1—4号。另外，S0按钮为主持人按钮，当该抢答器上电开始工作时，主持人需要先按下S0按钮来清零，当有选手按下了抢答按钮时，与之相对应的LED灯亮，并且蜂鸣器响。并且在数码管上面会显示出先按下抢答按钮的选手的编号。当抢完毕后，需要重新开始新一轮的抢答时，则主持人再按一下，S0按钮就可以了。由于在该抢答器中只需要数码管显示从0—4（其中0的状态为没有选手按下抢答按钮，或者是主持人清零），而CD4511则能从0—9进行译码，故它的D端就直接接地，而C，B，A这三端的驱动方程分别为、、。同时，为了保护数码管，从CD4511引出来与数码管相连接的线上必须接上510的电阻。

图 2   抢答电路图

2.秒脉冲电路设计

图3为555定时器产生的1Hz脉冲信号。由555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43，／［（RI＋2R2）C］=1Hz在设计中我们选择R1=15K,R2=68K,C1=10 uF，C2=0.01uF从而实现产生周期为1s的脉冲

图 3  秒脉冲电路图

3.倒计时电路设计

图4为倒计时部分模块电路图。计时器选用三十进制同步加减计数器74LS192进行设计，采用减计数器工作方式，初始值设置为30秒对应的个位74LS192置数输入二进制为Q3Q2Q1Q0=0000，十位74LS192置数输入二进制为Q3Q2Q1Q0=0011。 其中个位74LS192的减计数端CPD 接秒脉冲，非同步借位段BO接十位74LS192的减计数端CPD，而十位74LS192的借位输出端与与非门控制秒脉冲的输入，两74LS 192的清零端接低电平而两加法计数端接高电平。74LS192的输出通过CC4511译码器译码再由数码管显示，达到显示倒计时目的。

图 4  倒计时电路图

4.报警电路设计

由发光二极管和扬声器构成的报警电路如下图5所示。有选手抢答后，有一高电平流入发光二极管，二极管发光，同时扬声器发出响声；如果三十秒倒计时结束仍无选手抢答，扬声器将发出警报提示。

图 5  报警电路图

5.控制电路设计

锁存控制电路：对输入CC4511的信号各接一个与非门再与输入74HC74的秒脉冲共接一个四输入与非门以此来控制CP从而锁存优先抢答的选手的信号，阻止其他选手抢答。

时间与报警控制电路：时间与报警控制电路采用基本门电路组合而成，此电路形式简单，调试方便；当主持人按清零按钮时计数器处于置数状态，当主持人按开始按钮时计数器进入倒计时状态。如果期间有人抢答，抢答信号经过锁存控制电路再各加一与非门后与秒脉冲共进入一个四输入与非门来控制计数器，让计数器停止工作。与此同时抢答信号经过处理变为一个高电平让报警电路工作。如果计数器倒计时结束

图 6  控制电路图

六、系统调试

首先检查电路连接的正确性，连线是否都一一对应，有无出现漏接、多接等情况；然后检查电路焊接是否正常，要求不出现虚焊、短路等情况；电路检查正常后进行如下调试：

1.抢答电路调试

接通电源，断开与控制电路、倒计时电路的连接 “复位”控制开关复位后打到工作状态；按下抢答按扭，看译码显示是否对应。

可能出现问题以及对策：

1、按下抢答键后译码显示部分无任何反应。可能是因为CC4511处于锁存状态，检查CC4511的LE端是否因为短路而接着高电平，看数码管是否能够正常显示；也可能是因为抢答按键无效，故应检查按下键后对应的指示灯是否亮。

2、译码显示部分出现显示乱码或者显示不完全，可能是因为数码管连线时出现虚焊、短路现象或是数码管因为焊接时温度过高而损坏。

3、抢答键触发无效，可能是因为按键损坏，使用万用表进行检查

2.倒计时电路调试

首先，调试由555组成的秒脉冲产生电路，调节R1、R2阻值，使秒脉冲电路产生1S周期的矩形波；然后将此脉冲直接加到74LS192减计数脉冲输入端，看它能否实现从30到0的连续减计数。

可能出现的问题及解决办法：

1、译码显示部分出现显示乱码或者显示不完全，可能是因为数码管连线时出现虚焊、短路现象或是数码管因为焊接时温度过高而损坏

2、计数器不能有效计数，可能是因为74LS192清零端（CR）为高电平，置数使能端为低电平。

3、译码显示出现明显的跳跃计数情况，可能是因为555多谐振荡器振荡产生的秒脉冲信号纹波较大，造成波形不规则。

3.报警电路调试

接通电源，给报警电路输入一个高电平，看二极管是否正常发光，同时听扬声器有无发出响声。如果二极管不发光则二极管坏了，扬声器不响则有可能在焊接时把它损坏了。

4.整机调试

各模块电路调试功能正常后，通过控制电路将各模块连接在一起。首先，先连接抢答电路和倒计时电路，实现以下功能：a、有选手抢答时禁止其他选手抢答，并且倒计时能够停止在所抢答时刻上；b、时间到时禁止选手进行抢答。其次，将报警电路接入，实现以下功能：a、主持人按下“开始”键时蜜蜂鸣器发出声音以此提醒选手抢答；b、有选手抢答时蜜蜂鸣器发出声音提醒此次抢答结束；c、定时到信号为低电平时扬声器发出声音。按上述步骤进行整机调试，若出现问题则通过示波器测试控制信号电平，对照时序电路进行必要的调整，直到达到要求为止。

七、设计心得体会：

此次课程设计通过学号组队，老师安排题目，由团队自己查找资料完成设计，并制作出实物，在遇到问题时由指导老师辅导的方式进行。我们查阅了相关资料,并对实验题目及其设计要求进行分析,抓住其中的要点,经过四天的准备画出实验原理图，并对实验要求的有关数据进行计算，通过计算出的数据选取所需的电阻、电容。在设计过程中增加了我们对数字电路理论知识的认识，在设计与制作过程中出现的各种不确定因素，锻炼了我们解决实际问题的能力，和对问题的预见能力；通过社会实践增加了我们的动手能力和团队合作意识，同时又缓解了以往的纯理论学习的枯燥氛围，明确了学习目和学习方法，虽然做的过程充满了不确定性，但我们的团队积极面对和准备着，一起解决每一个理论和实际问题，一起完美每一个细节，我们做到了，虽然调试时暴露出一个问题（计数器倒数完后选手仍可以抢答），这是由于在对抢答电路进行编码锁定时不停地改变设计方法而遗忘了，看来做出来的作品不是完美的，细节决定成败，我希望我们团队记住它！以此为鉴！

八、参考文献：

   《电子技术基础》数字部分            康华光                高等教育出版社

《实验指导书》数字部分

《Multisim9入门及运用》             张俊华                机械工业出版社

《Protel DXP电路设计实例教程》      王莹莹                清华大学出版社

四人数字抢答器全图

第二篇：电子技术课程设计报告

电子技术课程设计报告

题 目： 直流电机调速

专 业： 09自动化

班 级： （1）班

学 号： 35号

 姓 名：**

指导教师： **

设计日期：20**年9月29日

摘 要: 再日常的生活生产中直流电机是经常用到的,然而直流电机转速的智能控制已成为人们越来越关注的问题。为此我们从器件原理入手，着重从硬件电路着手，我们设计了数字式直流电机转速控制系统，它包括控制器、脉宽调制系统、转速检测装置、显示、按键等环节。我们采了AT89C52单片机作为中心控制器,由光电传感器作频率检测装置,脉宽采用D/A—MAX5441来进行调制，近而控制电机转速。真正实现可变脉宽控制电机转速，达到了工程指标，也实现了电机的智能控制。

关键词:单片机 光电传感器 PWM调制 直流电机

一、设计目的作用

数字式直流电机转速控制系统外封装为数码显示、按键、电机及检测装置。左键为设定和退出设定键，在设定状态时数码管跟踪显示设定值。在设定时中间键为加数键，在加数时按下设定键（左键）可实现加速加数。在设定时右键为减数键，同上在减数的基础上按下设定键（左键）可实现加速减数。退出设定为控制状态。在控制状态按下右键实现反向转速。其中指示灯上亮下灭时，为控制状态，全亮时为控制状态。

二、设计要求

电路连接后查找电源和地线连接是否正确，否则很容易使芯片烧坏，电路经仔细查找无误后再接通电路。首先对锯齿波发生电路进行测试是否产生锯齿波，其次调节恒流源电流和LM358正输入电压，近而得到大致频率和幅值。然后再与软件结合调试。测试L293D电机驱动电路，它的两个使能控制端EN分别控制一组桥路，每次只有一组有效。分别检测是否正常工作。光电传感器是直接测试电机的部分，要对其特别仔细的检查，并用示波器取其波形验证其波形是否为脉冲波。高电平是否达到5V，低电平是否小于1V。通过调试，无误后，上电进行下一步软件调试。

软件担负着数据计算，数据处理，显示，设定等多项任务。应分别进行测试。首先应作显示，有了显示能更好的调试其它环节。显示部分使用74HC595驱动数码管静态显示，设计中用串口发送数据，定时显示刷新。定时刷新采用定时器T1，由单片机的计数器T0为对外部脉冲触发计数。将得到的计数值代入公式（n：转速N：计数值）计算出转速，送入显示电路显示。将转速与给定的转速相减得到转速偏差量，计算PID参数通过编程实现PID调节。将转速换算成DA值送入DA中反馈给PWM实现对电机的实时控制。最后编写按键程序。

参考题目要求首先通过软件测试，看是否能达到要求的指标，如若不能则修改硬件电路参数。或两者同时调节使设计的系统达到设计的要求。

三、设计的具体实现

1、系统概述

数字式直流电机转速控制系统设计有控制器、PWM驱动器、转速检测电路、按键设定、显示输出五部分。PWM驱动器、转速检测电路、按键设定、显示输出都是由控制器控制实施的。总体框图1-1所示：

图1-1

电机转速是通过光电传感器检测产生触发脉冲经过触发器分频触发单片机中断计数，经定时计数得到标准计数值，由单片机对数据的计算、处理，建立了时间和脉冲的关系式，得到每分中电机的转速。将转速与给定转速作差得到偏差量，再由PID进行调节，使转速趋近给定转速实现控制。电机的速控是通过PWM方式控制的。PWM是由三角波发生电路、比较器、反馈电路。反馈是由单片机输入偏差量给高速的DA，由DA输出反馈值作用PWM中达到闭环反馈控制。电机是由集成H桥芯片驱动，为了防止电压的扰动控制中增，加了型滤波电路平直电流。电机正反转是由电压的正负方向控制的。当切换方向时电路中型滤波电路的电感会产生反电动势会影响系统供电，严重会使系统无法正常工作。所以切换使用了继电器作为切换开关。按键功能可以设定转速，控制电机的转动的正反方向。显示电路是用了高亮数码管显示。系统是以高精度和实时性相协调的原则的基础上设计的。

2、 单元电路设计与分析

（1） PWM电路选择

直流电机是利用PWM进行调速，PWM可以由软件编程实现，也可由硬件电路实现，但在设计要求精度和实时性都比较高的情况下，单独使用二者之一是不能完全实现的。因此我们选择了两种典型电路来实现PWM，方案如下：

（2）由单片机直接控制的PWM

由图2-1所示可以看到是利用单片机给出比较脉冲，可实现PWM脉宽控制。这样占用了单片机资源，更重要的是占用了它的大量时间作计算，这样就失去了控制的实时性。

（3）利用高速的DA实现PWM

（4）PWM控制电路的设计

PWM是由锯齿波发生器、高速比较器、脉冲控制装置组成，其中的每一个环节都影响PWM的品质。在设计中每个环节都经过计算、实验、调节。

为了简单方便设计中使用了RC振荡电路。如图3-1所示，R1、R14、D4、D5和Q3形成恒流源。D4、D5保证三极管Q3保持导通，使电容C1有持续的充电电流。R2和R5分压使LM358的负输入端V-V-的电压稳定在0.3V。当电容C1充电电压大于LM358的负输入端V-时358输出正电压，使Q4导通实现对C1放电。周而复始对C1的冲放电实现了锯齿波产生。锯齿波的振幅为0.9V，周期15KHz。 D6是保护三极管防止C1反电动势击穿三极管。

由上述的锯齿波产生的波形如下

由锯齿波发生电路产生的锯齿波输入到高速比较器LM311的负输入端，MAX5441的输出接到比较器的正输入端两者经过比较输出可变的脉宽。比较器的速度是一个非常重要的参数，LM311响应时间是200ns，这个时间可以快速的响应比较过程。

MAX5441是MAXIM公司生产的高精度十六位串行DA。 其电压基准是2.5V，则它输出的电压为0V—2.5V。DA的分辨率为=0.038mV。如此高的分辨率可产生成精细的电压值。再经过高速比较器与锯齿波比较可产生精细可变的脉宽。其周期为锯齿波的周期20kHz。

电路接线如图3-3所示，MAX5441的CS、SCLK、DIN、CLR接单片机I/O端口、OUT是锯齿波、PWM是输出的可变脉宽。

（5）检测电路的设计

转速检测是在现场环境下工作，其抗干扰和测量的准确性是整个系统设计的根本。选择光电传感器LTH-301A，它具有抗磁干扰、高可靠性、快速性。传感器每受光一次产生一个低脉冲。通过计算一个低脉冲周期单片机的时钟数，测算出电机转速。设计中利用了D触发器74LS74将脉冲进行二分频。具体电路图如上图5。

脉冲通过D触发器进行二分频把信号传给单片机的外部中断INT0，INT0设置成下降沿触发，由于此巧妙的设计，单片机计数值是电机每转一圈的计数值，实现了脉宽计数，电机的转速是以转/每分计，而单片机使用的是12MHz的晶振，每一次计数是1us，一分钟为6000000us，则设转速为n，计数值为N。则。

（6）电机驱动电路和正反转切换电路

电机驱动需要足够的电流，设计中使用集成H桥L293D，L293D驱动电流1.2A，内集成H 桥组成推挽电路。L293D接收PWM的电压组成两组驱动，这样可交替使用便于控制电机的旋转方向。系统中加入LC滤波电路，滤除电路中的纹波，消除电路的扰动队单片机的干扰，同时加入继电器控制正反转为了防止开关切换时电机产生的反电动势影响系统工作。经过一系列的保护措施，可保障电机平稳的调速。设计电路图如图6所示：

电路连接后查找电源和地线连接是否正确，否则很容易使芯片烧坏，电路经仔细查找无误后再接通电路。首先对锯齿波发生电路进行测试是否产生锯齿波，其次调节恒流源电流和LM358正输入电压，近而得到大致频率和幅值。然后再与软件结合调试。测试L293D电机驱动电路，它的两个使能控制端EN分别控制一组

桥路，每次只有一组有效。分别检测是否正常工作。光电传感器是直接测试电机的部分，要对其特别仔细的检查，并用示波器取其波形验证其波形是否为脉冲波。高电平是否达到5V，低电平是否小于1V。通过调试，无误后，上电进行下一步软件调试。

（7）测试结果与分析

对上述测试数据统计分析作图如下

理想曲线是经过多次测量取其平均值作商得到理想直线斜率。从而作出图中的直线。而曲线是经过反复的测试的道的数据利用描点法作出的。图5-1所示实际曲线与理想曲线相比差别很大，设计中避免以理想曲线控制，造成不良影响。将DA值和对应的转速值以数组的方式存入单片机中。用查表的方法进行反馈控制。使控制系统指标。

四、总结

数字式直流电机转速控制系统是由硬件和软件巧妙相结合做到最大限度的消除误差完成了基本要求。在反复修改系统调节功能达到了发挥部分的要求。实现了电机转速控制的智能化。

五、附录

1、MAX5441单片机、发光二极管、光敏三极管

2、电容C1、D触发器

3、光电传感器、PWM调制、直流电机

六、参考文献

1、 翟玉文，梁伟，艾学忠，施云贵. 电子设计与实践. 中国电力出版社.2005.

2、 邓星钟. 机电传动控制.华中科技大学出版社.2004.

3、 张毅刚. 单片机原理及应用. 北京：高等教育出版社.2004。

4、 陈润泰，许琨. 检测技术与智能仪表. 湖南：中南工业大学出版社.2002.

5、 夏路易.石宗义 编著.电路原理图与电路板设计教程. 北京希望电子出版社2002.6