1、1数字式抢答器的设计一、设计任务与要求1设计一个智力竞赛抢答器，可同时供 8 名选手或 8 个代表队参加比赛，他们的编号分别是 1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8。2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。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，编号立即锁存，并在 LED 数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其它选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。 4抢答器具有
2、定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定(30 秒)。当节目主持人启动“ 开始”键后，要求定时器立即进行倒计时，并用显示器进行显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间 0.5 秒左右。5参赛选手在设定的时间内进行抢答，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。6如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统进行短暂的报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示 00。 二、设计参考 数字抢答器的总体框图如图 8.34.1 所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后
3、，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其它选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。 三、设计报告要求 1.画出数字抢答器的总体框图及完整的逻辑电路图，并说明其设计原理及工作过程。2.说明实验中产生的故障现象及解决方法。3.心得、体会和建议。2四、总体框图抢答按钮优先编码电路锁存电路译码电路主持人开关控制电路报警电路秒脉冲电路定时电路译码电路显示电路显示电路3五、实验内容、各芯片的工作原理及电路图。(1) 74LS373 锁存器74LS373 与单刀双掷开关相连作为 8 位选手的抢答锁存开关，它的4 脚、7 脚、8 脚、13 脚、14 脚、17 脚、18 脚、3 脚分别连
4、接单刀双掷开关 J1-J8。单刀双掷开关的双掷的两个端脚分别接 5V 和 0V 高低电平。1 脚 OE 为 三态允许控制端（低电平有效） 。当三态允许控制端OE 为低电平时，1Q8Q 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE 为高电平时， 1Q8Q 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。本实验中 1 脚接地为低电平。11 脚作为锁存允许端与 74LS76 的 15 脚相连，74LS76 的 15 脚输出电平的高低变化控制 74LS373 的导通与锁存。具体控制过程为 11 脚为高电平时，整个芯片呈“透明”状态，即输出端的电位随输入端的变化而变化；当 11
5、 脚为低电平时，输出的信号被锁存， 不再受输入端的影响。20 脚接高电平 5V，1 脚和 10 脚接地。2 脚、5 脚、 6 脚、9 脚、12脚、15 脚、16 脚、19 脚分别与 74LS148 的 4 脚、3 脚、2 脚、1 脚、13 脚、12 脚、11 脚、10 脚相连。其芯片的连接图如下：4图 1 74LS373 电路连接图(2) 74LS148 优先译码器74LS148 优先编码器，作用是将 74LS373 输出的电信号编码。其 4 脚、3 脚、2 脚、1 脚、13 脚、12 脚、11 脚、10 脚与 74LS 373的输出端 2 脚、5 脚、6 脚、9 脚、12 脚、15 脚、16
6、 脚、19 脚分别相连。6 脚、7 脚、9 脚分别与 CD4511 的 2 脚、1 脚、 7 脚相连。14 脚连接 74LS76 的 1 脚和 6 脚，15 脚接 CD4511 的 4 脚。作用为 74LS148 不译码时，14 脚为高电平；译码时，14 脚为低电平。通过两种状态电平变化产生的高低脉冲来控制 74LS76。当 74LS148 输入端全为高电平，15 脚为低电平，译码时为高电平，从而控制CD4511。5 脚、8 脚接地，16 脚接高电平。74LS148 的真值表和连接电路图如下：输 入 输 出接74LS148接 74LS76 的 15 脚抢答开关574LS148 真值表图 2 7
7、4LS148 电路连接图(3) CD4511 数码显示器驱动器CD4511 是 BCD 码锁存/7 段译码/驱动器，利用该器件的 7 段码Is I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 A2 A1 A0 E S1000000000 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11 1 11 1 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 11 11 00 10 10 10 10 10 10 10 1接 74LS373接 74LS
8、76接 CD45116a、b、c、d、e、f、g 可直接驱动数码管 LED（共阴极） 。电路的A、B、C 、D 为二十进制 BCD 码（4 位）输入端，a、b、c、d、e、f、g 为 7 段译码输出端。余下的引脚 LT、BI，和LE 为控制端，其中 3 脚为灯测试端 LT，功能是 LT=1 时，不影响数码管 LED 显示； LT=0 时，笔段 ag 全发光，显示 8，以检测数码管的好坏，同时 A、B、C 和 D 输入无效。4 脚为消隐控制端 BI，功能是 BI=1 时，不影响数码管 LED 工作，BI=0 时，其笔段码全关断（呈高阻态） ，数码管不显示。5 脚 LE 为启动控制端，功能是 LE
9、=0时，允许向 A、B、C 、D 端送数，LE=1 时，笔段码锁存。根据其功能，3 脚接 5V 高电平。因为其输入端为二 -十进制 BCD码 4 位输入，而 74LS148 为 8 线 3 线编码器，即输出端为 3 位，因此7 脚、1 脚、2 脚分别接 74LS148 的 9 脚、7 脚和 6 脚。CD4511 的 6脚与 74LS373 的 2 脚经过与非门后的输出端相连，这样才能输出 7 以上的数字。13 脚、12 脚、11 脚、10 脚、9 脚、15 脚、14 脚分别与 7 脚的共阴极数码管的 a、b、c 、d 、e、f、g 相连。其连接电路图如下：图 3 CD4511 电路连接图(4)
10、 74LS76 即单刀双掷开关组成复位开关74LS1487本实验中用到了两个 74LS76 触发器，它在电路中与一单刀双掷开关 J9 相连构成复位开关。74LS76 为可复位性 JK 触发器， 2 脚（A ）或 7 脚（B）为置位端，当为低电平时，输出端 15 脚（A）或 11 脚（ B）输出高电平；3脚（A）或 8 脚（B）为清零端，低电平有效。1 脚（ A）或 6 脚（B）为 CK,下将沿有效。74LS76 的 2 脚（A）和 8 脚（B）连接一单刀双掷开关，开关的两个掷端分别接高低电平。开始前，开关打到高电平。1 脚和 6 脚与74LS148 的 14 脚相连。15 脚连接 74LS37
11、3 的 11 脚锁存允许端。11 脚连接红色信号灯。4 脚为低电平，16 脚为高电平。12 脚连接单稳态触发器的 3 脚输出端。9 脚与 74LS00 与非门输出端相连，其输入端都与单稳态触发器的输出端 3 脚相连。工作原理如下： 、对 LED 数码管的复位 .。复位前，开关 J9 与高电平相连。输出端 15 脚输出高电平，它连接到 74LS373 的 11 脚。因此 74LS373 呈“透明”状态，即输出端的电位与输入端相同，全为高电平。所以 74LS148 的输入端即也全为高电平，这样使得 74LS148 的 15 脚输出低电平。由于 74LS148 的 15 脚于CD4511 的 4 脚
12、 BI 端相连，使得 BI 端也为低电平，所以 LED 数码显示器不显示。有选手抢答后，由于 74LS148 水冷式空调机的性能特征模拟摘要为了提高能源效率，水冷式空调系统（ WACS）被广泛应用于商业领域,但在家庭中很少使用。人们发现，现在还没有数学模型和能量的模拟方案，用于详细的调查和评估水冷式空调机的节能性能。为了提高水冷式空调在国内行业的适用性，预测模型对能源性能分析的发展是必要的。本文论述的实证模型可用于研究使用水冷式空调机的运行性能和能源消耗。该模型包括四个子模型已考虑到冷却水系统的能量消耗。水冷式空调系统设立在环境室，以验证模型所得到的结果。在 90 的额定容量时，水冷式空调系统
13、的整体 COP 被发现是大于 3 的。用 RMS 比较预测结果与实验结果，误差在 11以内。关键词：水冷式空调机；冷却水系统；住宅楼；能耗模拟1 引言香港在过去二十年中，由于经济和城市化进程的快速发展，高层住宅建筑物的能源消耗，特别是电力的使用，在急剧上升。先前对家庭能源统计的研究表明，从 1990 年到 2000 年，空调总耗能增加了 80%，而人口增长率仅为 23%左右。在香港一个典型的住宅建筑内，空调消耗占能源消耗的 25%。这些统计数据清楚的表明，采用节能措施对于减少空调的能源消耗是非常有价值的。香港是是一个亚热带城市，夏天炎热潮湿。在家庭中空调被广泛应用。这些空调大多是风冷式窗口或是
14、分割单元，这在香港和世界其他地方非常常见。鉴于空调设备输出一个给定冷却速率所需要的电力随着进入冷凝器的冷却介质温度的增加而增加，在香港使用空冷机组是非常低效的，而且在夏天室外高度达到 35 度，也是原因之一。大多数空冷机组能达到的制冷系数（COP）比较低，在 2.2 到 2.4 之间。另外一个原因，提高空冷机组节能性能的最常见做法是把空冷机组放置在一个凹空间中，这样的设计在香港是独一无二的。这些空间可以满足大多数居住着的需求。主要的一个原因是为了保证采光和自然通风的最大化，这是有香港有关的建筑法规和业务法规规定的。然而，最有争议的用途是当空调换热器无法进行正常换热时，可以保证空调散热。根据一些
15、研究，热空气射流将产生一个上升的空气柱来提高环境温度。这种效应在上层尤为突出。然而，它们只要用于大型商业建筑在家庭中很少使用。由于为了保证水和空气进入蒸发式冷却塔来冷却冷凝水，泵和风机需要额外的电力，而且现在缺乏水冷式空调系统在家庭中广泛应用的整体效益的详细分析。计算机模拟是研究水冷式空调系统运行性能和能量消耗的一个非常有用的工具。参考了近年来水冷式空调系统在商业建筑中的应用研究，值得注意的是，虽然性能数据和仿真工具被广泛使用，但他们也很难用于对家庭用水冷空调系统的性能进行评估。主要原因是它们在不同的制冷量，不同的压缩机设计，不同的容量控制中相差很大。此外，不同于中央冷水机组，至今没有数学模型
16、用于预测家庭用水冷冷水机组的性能和能量使用。有两种基本的数学模型，用于分析空调系统的性能。首先是一个很详细的模型，考虑到组成单元各部件的相互作用。详细的模型一般基于质量和能量的平衡，并用于研究机组的动态性能。然而，这些模型是非常复杂的，需要消耗大量的计算时间和输入非常详尽的能量模拟。另一种是经验模型，通过代数方程把输入和输出直接联系起来。代数方程由性能数据和详尽的模型输出推导出的。这样就减少了输入的要求以及模拟运行的计算时间。在这项研究中，由于各部件的动态信息不可用于能量分析，所以才用实证研究的方法。实验模型的开发，参考了制造商的数据，这些数据是现成的但不能展现成一个用于定性和定量分析的表格形
17、式。因此，由此得到的模型可用于预测在不同操作条件下的单位制冷量，冷凝器的散热量，性能系数，水冷式空调系统的性能和水冷式空调机的整体耗电量。在验证所得到的模型时，在水冷式空调系统的工作原型组成的实验室实验。该水冷式空调系统包括一个 3.36KW 的水冷式分体装置和一个独立的冷却水系统。独立的冷凝器系统包括一个自组装的冷却塔和一个恒定转速的循环泵，它一对一的连接到水冷式分体装置。在试验中，动态特性对不同的负载条件作出反应，对所得到的 COP 和能量消耗进行测定和评价。此模型在成功验证后在未来可用于评定高层建筑采用水冷式空调系统的节能性能。2 实验模型的开发在香港，典型的现代高层住宅楼包含大量的公寓
18、，每一个公寓包括一至数间卧室，一个组合的客厅和餐厅，对于更大的公寓，包括独立的客厅和餐厅及其他房间如厨房和浴室。卧室，客厅和餐厅（或组合的客厅和餐厅）通常设有独立的窗口或独立式空调。假定每个房间都设有独立的水冷式空调，水冷式空调器可以是窗口式或分体式加上一个独立的冷却水系统。测试水冷式空调系统性能的试验模型包括四个相互联系的部分，分别是蒸发器，冷凝器，冷却塔和能量消耗模型。能量消耗模型考虑到了包括恒定速率的循环泵和冷却塔的独立冷却水系统的能量使用。2.1 冷凝器模型冷凝器模型利用能量平衡原理来确定冷凝水系统的散热量和操作条件，它满足下面的公式：= （ ） （1）-= （2）-R N G =（
19、）= （3）-+2.2 蒸发器模型蒸发器通常是直接膨胀（DX）型，类似于冷凝器模型，蒸发器模型满足下列能量平衡方程：= （ ） （4） = （ ） （5） 下面的理性气体方程可用于确定湿空气的性质：h=1.006T+（2501+1.805T） （6）= （7）（ 25012.381） 1.006()2501+1.8054.186由于水冷式空调各部件操作条件的动态变化，直接用 和 计算蒸发器的冷量（ ）是很困难的，因为在蒸发器中热量和质量传递的动力是蒸发器和冷凝器之间的压力差，这相应地取决于室内空气温度（ ）和冷凝器进水温度（ ） 。为方便起见， 假定为室内空气温度（ ）和冷凝器进水温度（T ）
20、的函数。为了提高该模型的适用性，把不同容量的同类机组安装在一个住T宅公寓内，机组性能数据以额定条件下的分数值为标准。因此 Eq（5）可以假定为= = + （8） 01+2T系数 和 根据制造商提供的性能数据用回归分析法求得。0 12.3 冷却塔模型通过冷凝器的冷却水循环由吹入冷却塔的空气冷却。在冷却塔中的传热包括潜热部分和显热部分，根据冷却塔模型的性能传热量可由下面的公式表示：（9） =()（10 ） =()RNG = （11）=()冷凝器进水温度（ ）取决于冷却塔的性能，通常认为是环境湿球温度和在施加恒定的水流量时冷却塔的范围（RNG）的函数。冷凝器进水温度可用下面的公式表示： =0+1+2
21、2+3+42+ 5+62+72+822（12）其中系数 到 由根据制造商提供的性能数据用回归分析法求得。注意，0 8小容量的冷却塔不适用于商业市场，回归模型是参照更大容量冷却塔的性能数据开发的。得到的系数见表 1。表 1 冷却塔模型系数 2.526400.856610.002822.18493-0.06044-0.074550.0004624.94477-0.000028表 2水冷式空调模型系数设备容量2KW 2.6KW 3.36KW 5.3KW0.3491 0.2855 0.3567 0.31670-0.0076 -0.0070 -0.0071 -0.0072 10.0322 0.0339 0.0318 0.0331 20.3298 0.4687 0.3062 0.4061 00.0206 0.0172 0.0167 0.017010.0186 0.0105 0.0163 0.0103 20.1364 0.1261 0.0947 0.1032
