综合设计报告.docx
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综合设计报告
武汉工程大学
计算机科学与工程学院
综合设计报告
设计名称：
硬件系统综合设计
设计题目：
抢答器的设计
学生学号：
1505120201
专业班级：
2015计算机科学与技术实验班02
学生姓名：
查红胜
指导教师（职称）：
陈艳（讲师）
学业导师（职称）：
陈艳（讲师）
学生成绩：
完成时间：
2016.11.28-12.11
武汉工程大学计算机科学与工程学院制
说明：
1、报告中的第一、二、三项由综合设计负责人在综合设计开始前填写并发给每个学生。
2、学业导师负责批改学生的设计报告，并给出相应的得分。
同时，就设计报告质量撰写评语。
3、指导教师就学生在设计期间的表现及设计完成情况分别给出相应的得分。
同时，就此两项情况撰写评语。
4、设计的总评成绩由上述各部分累加得出，由指导教师汇总，并填写于报告的封面。
5、设计报告正文字数一般应不少于5000字，也可由综合设计负责人根据本项综合设计的具体情况酌情增加字数或内容。
6、此表格式为武汉工程大学计算机科学与工程学院提供的基本格式（适用于学院各项课程设计），各专业也可根据本项综合设计的特点及内容做适当的调整，并上报学院批准。
成绩评定表
学生姓名：
查红胜学号：
1505120201班级：
2015计算机科学与技术实验班2
类别
合计
分值
各项分值
评分标准
实际得分
评语
报告质量
30
10
报告格式规范，表述清晰，章节内容组织恰当。
符号统一，图表完备，符合规范要求。
参考文献数量在5篇以上，格式及引用符合要求。
学业导师（签字）：
10
报告内容翔实，结构严谨合理。
课题背景介绍清楚，综述充分。
设计与实现等主要过程完整，论述具体透彻。
能运用所学专业知识对问题加以分析和求解。
无抄袭现象。
10
设计报告对整个设计过程进行了全面总结，体现了收获，得出了有价值的结论或结果。
平时表现
20
20
遵守学习纪律，表现良好，积极完成课程设计任务，无旷课、迟到、早退等情况。
指导教师（签字）：
设计完成情况
50
30
按照要求完成设计内容，方案合理，功能完善，设计工作量饱满，能运用专业知识和技能去发现与解决实际问题。
20
在设计过程中展现出了较强的学习能力、动手实践能力、团队协作能力和创新意识。
总评成绩
一、综合设计目的、条件、任务和内容要求：
1）设计目的
抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。
但目前使用的抢答器存在分立元件较多，造成每路的成本较高，而现代电子技术的发展要求电子电路朝数字化、集成化方向发展，因此设计出数字集成化全集成电路的多路抢答器是现代电子技术发展的要求
通过本次设计，要求同学们掌握抢答器的工作原理、设计方法，学习Multisim仿真工具，完成简单数字电路的设计；复习巩固逻辑电路及时序电路相关原理、应用知识；进一步学习、掌握各种常用芯片的逻辑功能及使用方法；学习锁存器设计、数字系统的设计、测试方法。
2）条件
本次设计分数字电路仿真和搭建实际电路两部分，分别在专业机房和数字逻辑实验室进行。
数字逻辑实验室为每个小组准备独立的试验台、电源、面包板（可以选用数字逻辑课程实验箱）、万用表、镊子、剪刀、拔线铨、导线若干；提供设计需要的芯片，包括：
锁存器、定时器、段码管、段码管驱动译码芯片及各种门电路芯片及相应的电阻、开关等。
3）任务和要求
（1）设计指标
① 抢答器同时供N名选手或N个代表队比赛，分别用N个按钮S0~ SN-1示。
② 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
③ 抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在数码管上显示选手号码。
选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
④实现抢答倒计时和报警。
（2）设计要求
①画出电路原理图；
②元器件及参数选择；
③系统设计、调试与分析。
（3）制作要求
应用Multisim或Proteus等软件先完成硬件仿真，并在此基础上完成实际的硬件电路设计、装配，达到设计要求，并能发现问题和解决问题。
（4）编写设计报告
依照给定模板完成设计报告，要求体现自己的工作、收获和思考。
二、进度安排：
11月28日之前指导教师将设计题目、相关资料发给学生。
学生自学仿真工具，试做题目。
11月28日确定分组和选题，查阅资料，搭建基本硬件电路。
11月29日~12月4日分析、选择合适的设计方案，完成仿真。
12.5~12.6完成、完善系统功能，硬件测试，教师检查验收，各小组方案交流。
12.7~12.11完成综合设计报告
三、应收集资料及主要参考文献：
1.康华光.电子技术基础（数字部分）第六版[M].高等教育出版社，2014.1
2.Multisim和Proteus仿真相关资料
3.21IC电子网：
（查芯片datasheet）
4.和选题相关的其它资料
摘要
数字电路产品在生活中有着极其广泛的应用，包括计算机、数字通信、智能仪器仪表、自动控制及航天等领域中。
这些给人们带来了生活，工作等方面带来了极大的方便。
数字电路的发展，使得这门课程对于我们来说是很有必要学好。
数字电路设备实现简单，速度和可靠性好。
在这次的数字电路制作中，本人制作多路智能抢答器。
抢答器在比赛等场合中不可缺少的设备。
本文就是从数字电路芯片的功能简介开始，利用功能不同的数字电路芯片的组合来实现多路抢答器的功能。
首先简要的介绍了课题设计的背景、目的以及课题设计任务和要求。
然后介绍几个主要集成芯片的管脚功能和用法。
最后介绍多路抢答器的原理和设计过程。
总结与改进部分，讲一些电路在实际设计调试中的不足，并加以改进。
该多路抢答器设计为一个八路抢答器，每个编号对应相应的组别或个人。
当其中一人抢答时，抢答成功后，与此人对应编号的显示灯会亮，而其他人的则不会亮。
其次，本抢答器中有抢答时间的限制，当时间超过十秒钟的时候所有人都不能够在抢答。
而我们在完成八人抢答的功能后，扩展到十人抢答。
关键字：
抢答；优先编码器；仿真；
Abstract
Digitalproductsarewidelyusedinlife,includingcomputer,digitalcommunication,intelligentinstrument,automaticcontrol,aerospaceandotherfields.Thesebringlifeandworkbroughtgreatconvenience.Thedevelopmentofdigitalcircuits,sothatthiscourseisverynecessaryforustolearntherealizationofasimpledigitalcircuit.Theequipment,speedandreliability.
Intheproductionofdigitalcircuits,Iproducedmulti-channelintelligentresponder.Theresponderoccasionsincompetitionsindispensableequipment.Thisarticleisfromthedigitalcircuitchipfeatures,toachievemulti-channelresponderfunctionusingacombinationofdigitalcircuitchipwithdifferentfunctions.Firstbrieflyintroducesthedesignbackground.Objectivetoresearchanddesigntasksandrequirements.Thenweintroduceseveralmainintegratedchippinfunctionandusage.Finallyintroducestheprincipleanddesignprocessofmultipleresponder.Summaryandimprovement,somelackofactualcircuitinthedesignanddebuggingof,andtobeimproved.
Themulti-channelResponderdesignforaeightresponder,eachnumbercorrespondingtothecorrespondinggroupsorindividuals.Whenoneanswer,answerinsuccess,andthecorrespondingnumberofthedisplaylights,whileothersarenotbright.Secondly,thereistheanswerintheanswerinthetimelimit,whenittakesmorethantensecondsallthepeoplearenotabletobeintheanswer.Andwefinishedeightintheanswerfunction,extendedtotenoftheresponder.
Keywords：
Answer;priorityencoder;simulation
第一章绪论
1.1课题设计的背景
抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。
早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。
现在大多数抢答器均使用单片机或数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。
随着科技的发展，现在的抢答器有着数字化，智能化的方向发展，这就必然提高了抢答器的成本。
鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器必将大有市场。
但目前使用的抢答器存在分立元件较多，造成每路的成本较高，而现代电子技术的发展要求电子电路朝数字化、集成化方向发展，因此设计出数字集成化全集成电路的多路抢答器是现代电子技术发展的要求。
抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。
但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。
作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。
因此设计出结构简单，工作稳定，功能齐全的抢答器电路必将大有市场。
1.2课题设计的目的
抢答器在各种场合、电视台的娱乐节目中得到广泛应用。
在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。
它能根据参赛选手的请求，很好地区分先后顺序并显示选手的编号。
为各种抢答形式的比赛提供了公平公正的比赛环境。
其次，通过这次抢答器的设计，同学们掌握抢答器的工作原理、设计方法，学习Multisim仿真工具，完成简单数字电路的设计，复习巩固所学相关原理和知识，进一步学习、掌握各种常用芯片的逻辑功能及使用方法，学习锁存器、编码器的设计，数字系统的设计及测试方法，并不断改进。
从而可能在之后的学习工作中设计出更加方便，功能更加齐全的抢答器产品。
1.3课题设计任务和要求
（1）设计指标
① 抢答器同时供N名选手或N个代表队比赛，分别用N个按钮S0--SN-1示。
② 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
③ 抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在数码管上显示选手号码。
选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
④实现抢答倒计时。
（2）设计要求
①画出电路原理图；
②元器件及参数选择；
③系统设计、调试与分析。
（3）制作要求
应用Multisim或Proteus等软件先完成硬件仿真，并在此基础上完成实际的硬件电路设计、装配，达到设计要求，并能发现问题和解决问题。
1.4课题设计的理论依据
抢答器系统的原理框图如图1.1所示，设计的数显抢答器通常用TTL集成电路制作，它主要由倒计时数字显示、译码器、编码器、锁存器、显示器等部分组成。
主持人开关控制定时电路；锁存器用来锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；用断码管显示抢答器组别号码，同时与选手对应的显示灯显示抢答者。
用CD4532优先编码器对参赛选手或团队进行编号。
其次将第一个抢答到的选手编号通过74HC373进行储存，此时有个关键的地方，就是74HC373在储存第一位抢答选手的编号后不在接受随后抢答选手的编号输入。
最后将74HC373里储存的第一个抢到答题权的选手编号输出，一方面输出到断码管上，另一方面通过74HC154译码器译码输入到与该选手对应的显示灯上，使之点亮。
回答问题结束后主持人通过断开开关开恢复系统。
图1.1抢答器系统的原理框图
第二章开发工具及相关技术
2.1设计中使用的芯片介绍
（1）
CD4532B的功能是8位输入（D7-D0）3位二进制输出的优先编码器，8个输入端的输入优先级次序依次为D7—D0。
如右图2.1，当片选使能端EI是低电平的时候该优先编码器被禁止工作。
当EI时高电平时编码器工作，即将最高优先级的输入端编为二进制的代码显示在输出端Q2-Q0，同时片选信号端GS为高电平以表示编码器正处于工作状态。
当输入端没有输入时（输入全部为低电平）输出使能端EO为高电平。
如果任何一个输入端有输入（即有输入端为高电平），EO为低电平同时低于该输入端优先级的任何请求将无效。
CD45328线-3线优先编码器
图2.1CD4532引脚图
本次课题设计中运用两片CD4532进行8位以上选手的编码。
选手的抢答方式为开关的闭合使之信息传输到优先编码器的输入端。
（2）74HC373八D锁存器
如图2.2为74HC373外部管脚图。
Vcc接电源，Di为数据输入端，Oi为数据输出端，GND接地。
图2.274HC373外部管腿图
图2.374HC373逻辑图
如图2.3为74HC373的逻辑图，由逻辑图可以看出74HC373内部就是由八个D触发器构成，可以储存八位二进制数。
在设计中我们是利用74HC373对第一个抢答选手的编码信息进行存储的，如果是八人抢答则是是存储三位二进制数，如果是十人抢答则存储的是四位二进制编码。
图2.474HC373真值表
由图2.4可知当OE为高电平时，O0~O7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。
当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。
当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。
在本课题设计中该芯片的功能编码器输出的第一个数据进行储存，同时通过编码器的工作状态标志GS加上三个非门来控制74HC373的使能工作端，因为当编码器有第一个选手的编号输出时，工作转态标志GS为1经过三个非门后变为0后接在74HC373芯片中高电平有效的使能输入端ENG使之不能工作，而在这个GS的信息传输到ENG的过程中由于经过了三个非门，时间较编码器数据输出端的编码信息传送到锁存器的数据输入端长，因此能够保证只锁存第一个从编码器传输过来的数据，并将其输送到输出端，随后便停止工作。
（3）74HC2834位超前进位加法器
74HC283的主要功能是4位二进制与4位二进制数的相加求和，逻辑图如图2.5左边的Ai与Bi为两四位加数各位上的数值，i大的为高位。
C为低位的进位。
右边的Si为输出和，Co为向高位的进位。
本设计中利用74HC283加法器主要是使选手抢答编号加1，区分无选手抢答时编码器输出的0，因为编码选手抢答信息是从0开始的，所以通过编码器的工作标志GS来控制加法器的工作，从而区分开无选手抢答的0和选手抢答信息编码的0。
再将求得的和通过逻辑关系输送到断码管上显示选手编号，同时通过译码器译出选手编号，将信息传送到与选手对应的显示灯上，使之点亮。
图2.574HC283的逻辑框图
（4）74HC192可逆计数器
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。
本设计中主要利用它进行倒计时装置。
首先介绍它的逻辑功能。
图2.6为74HC192引脚图与逻辑符号，通过图2.7很清楚可以看出它的功能。
MR为低电平有效的使能控制端，即当MR接0时，芯片可以正常工作，接1时，芯片不工作，CPu和CPd分别为低电平有效的加减计数控制端，即当CPu接0，CPd接1时，芯片进行加计数，相反则进行减计数。
PL为低电平有效的置数控制端，当PL接0时，置数有效，可以控制计数范围。
图2.674HC192引脚图与逻辑符号
图2.774HC192真值表
2.2设计电路介绍
本次设计主要运用2.1中介绍的几种芯片来实现抢答器的功能，首先主持人通过开关控制倒计时装置开始倒计时，在倒计时时间内，选手可以抢答。
倒计时装置主要通过74HC192的减计数功能实现。
如图2.8所示的倒计时系统。
图2.8倒计时装置
在设计中选手的抢答是通过开关来传递抢答信息，通过CD4532八线三线优先编码器来对选手的抢答信息进行编码，如1号选手抢答则编码器输出000，二号选手抢答输出001，八号选手抢答则输出111。
如选手个数大于8，则可用两片CD4532进行扩展。
当编码器有数据输出时，即有选手开始抢答了，我们需要把第一个输出的抢答信息进行存储，于是我们用到了具有存储功能的74HC373来对第一个抢答选手的编码信息存储，但不能被之后抢答的选手编码信息覆盖，于是我们用编码器的输出信号GS通过三个逻辑非门来作为74HC373的使能控制端，这样就达到了存储器只储存第一个传输过来的选手编码信息。
存储的编码信息最后要被显示出来，本设计中有两方面的显示，其一是将选手的编号输出到段码管上，其二是对应选手的的灯泡点亮，在这个过程中我们首先对编码进行译码。
在译码过程中，有一个问题需要解决，就是将无选手抢答信息时编码器输出的000和第一号选手抢答时的编码000区分开来，这里我们用到了74HC283四位加法器对有选手时输出的编号进行加1，使得以前的000到111表示的8位选手改为0001到1000，从而区分开无选手抢答时编码输出的0000。
然后把加法器输出的和连接到断码管上显示选手编号。
同时通过74HC151对和进行译码，因为译码器输出的是底电平有效，所以将译码信息反向连接在与选手对应的灯泡上，即可使与选手对应的灯泡点亮。
整个电路图如图2.10。
2.3Multisim仿真软件介绍
Multisim是Interctive Image Technologies公司推出的一个专门用于电子电路仿真和设计的软件，目前在电路分析、仿真与设计等应用中较为广泛。
该软件以图形界面为主，采用菜单栏、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟练程度自如使用。
下面主要针对Multisim13.0软件中基本的仿真与分析方法做简单介绍。
功能：
1．直观的图形界面
整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的。
如下图2.9为Multisim13.0的工作界面。
图2.9Multisim13.0的工作界面
件。
2．丰富的元器件
提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。
图2.10整体电路图
3．强大的仿真能力
以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。
包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。
在应用电子仿真软件MultiSIM进行虚拟仿真时，有许多传感器或新器件，只要知道了它们的电特性或在电路中的作用，完全可以灵活采用变通的办法代替进行仿真，本来软件就是进行虚拟实验的。
这样可以大大地拓宽电子仿真软件MultiSIM的应用范围。
再说用软件仿真时不存在损坏和烧毁元件、仪器的问题，只要设计好了电路都可以试一试，仿真成功了就可以进行实际电路的组装和调试，不成功再修改电路重新仿真。
第3章系统设计
3.1方案设计
方案一
采用CD4532构成八路编码器，74HC373进行存储，为了区分无选手抢答编码输出的0有编码为0的选手抢答了这两个相同的编码输出，用逻辑门来实现。
74LS148与74LS48译码器接到七段显示数码管显示出选手编号。
如下图3.1，此图为简单的八路抢答器，就用了CD4532编码，74HC373存储，和相关逻辑门的转换，最后用段码管显示选手编号。
图3.1方案一的逻辑电路
方案二
用两片组合逻辑器件CD4532并联构成十路抢答器。
74HC373实现优先抢答的锁存、编号进直接把锁存器的输出转化8421BCD码，数码管显示先抢答者的编号，同时十路抢答器对应的显示灯点亮；主持人通过“复位”按钮清除 数码管的显示。
还增加倒计时装置，利用74HC192来做10进制倒计时来控制抢答时间，如图2-12。
结论：
通过比较可以得，方案二更全面，功能更齐全。
相对来说，74系列芯片在Multisim仿真软件中能够找到，且现实中比较容易购买。
芯片组上集成的功能高，用较少元器件的数目就能实现抢答器的各项功能。
此外，74系列芯片用的比较普及，数字电路课上详细介绍74HC系列芯片，因此运用起来比较熟悉。
因此，本设计主要以第二种方案为主体来实现抢答器的设计。
该方案逻辑电路如图2.10。
3.2电路工作分析
首先要在主持人闭合倒计时开关后选手才能抢答，开始开关打开，段码管显示倒计时置数9，如图3.2所示，当主持人闭合开关后，倒计时装置开始倒计时，从9开始按脉冲频率递减。
如图3.3所示是该倒计时系统倒计时到4的状态。
当倒计时到0后，一般计数器会又回到9进行循环，为了让倒计时系统在倒计时到0后停止，直到主持人搬开倒计时的控制开关后，倒计时装置才回到图3.2状态。
如图3.4，是倒计时装置倒计时到0停止的状态。
实现该功能主要是通过74HC192的输出端BO与脉冲做与运算后输送到减计数的脉冲输入端DOWN。
当倒计时没到0时，BO输出1，是脉冲接通工作，当倒计时到0后，BO输出0，与脉冲做与运算后使脉冲不能输送到DOWN端，从而无脉冲作用，计时状态维持在0。
如图3.4为倒计时装置到0后停止计时状态。
图3.2倒计时系统初始状态
图3.3倒计时系统工作状态
图3.4倒计时系统到0后停止状态
在倒计时时间内，选手可以抢答，选手通过开关的闭合传输抢答信息，第一个抢答的选
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