四路抢答器完整版.docx
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四路抢答器完整版
华北科技学院
课程设计说明书
班级：
电子B071姓名：
郭亚立
设计题目：
四路智能抢答器
设计时间：
2010.1.9至2010.1.22
学号：
200703014138
指导教师：
杜志伟
评语：
评阅成绩：
评阅老师：
四路抢答器设计报告
一、设计任务和要求：
1.1设计任务
设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。
用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器鸣响。
选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器鸣响，倒计时停止。
1.2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（抢答显示数码管灭灯）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，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。
抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
抢答器具有定时（15秒）抢答的功能。
4）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（15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）用石英晶体振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。
二、设计方案的选择与论证
2.1方案的选择、论证
方案一：
用一片四D触发器74LS175和四输入2或非门CD4002实现。
四D触发器输出经四输入或非门到四路抢答按键开关，加到触发器的四个输入端，同时经四输入或非门和反相器作为四D触发器的时钟信号，四D触发器清零端经上拉电阻接电源，同时经过清零控制开关到地。
电路简单成本低，稍加扩展就能达到实用化。
方案二：
用一片八线－三线优先编码器74LS148、四RS触发器74LS279和七段译码器74LS48实现数显四路（八路）抢答器，电路稍显复杂，但功能较完善。
方案一电路简单能够满足要求，但是由于需要4个4D触发器，接线繁琐，增加了电路设计与仿真的难度，方案二用集成器件，电路减小了体积，提高了稳定性，并且可以应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。
故采用方案二设计。
2.2设计总方案
本设计电路主要由控制电路、脉冲产生电路、锁存电路、编码及译码显示电路、倒计时电路和报警产生电路组成。
如图1所示为总体方框图。
其工作原理为：
接通电源后，主持人将开关拨到"清零"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置;开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。
定时器倒计时。
选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：
优先判断、编号锁存、编号显示。
当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。
如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。
图1.四人智力竞赛抢答器框图
三、电路设计计算与分析
3.1抢答器控制电路设计
设计电路见图2所示。
电路选用优先编码器74LS148和锁存器74LS279来完成。
抢答器控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：
1）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码管显示）。
2）当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
3）当主持人清零后，可再次进行抢答。
工作过程：
开关J5置于“清除”端时，RS触发器的R、S端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的优先编码工作标志端（图中5号端）=0，使之处于工作状态。
当开关J5断开，J6置于“开始”时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下J2），74LS148的输出经RS锁存后，CTR=1,RBO（图中4端）=1,七段显示电路74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=010,经译码显示为“2”。
此外，CTR=1，使74LS148优先编码工作标志端（图中2号端）=1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。
当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为CTR=1，使优先编码工作标志端为1，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。
如有再次抢答需由主持人将J5开关重新置“清除”然后才可能进行。
仿真结果
3.1.1优先编码器74LS148
74LS148为8线－3线优先编码器，表3.1.1为其真值表，下图为其管脚图。
74LS148管脚图
表3.1.174LS1488线—3线二进制编码器真值表
74LS148工作原理如下：
该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。
此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。
当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。
这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。
当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。
表明编码器处于工作状态，否则为1。
由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS＝0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。
EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。
从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，……，0。
输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。
例如5为0。
且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理。
3.1.2锁存器74LS279
原理：
在74ls279中，由于4回路中2回路置位端子为两个，所以使用其一时，整理两个置位输入作为1个使用，或将另一个输入固定为“H”使用。
另外，作为稍微变化74LS279的使用方法，也可将3组作为RS锁存器使用，剩余的RS锁存器作为2输入NAND门电路使用，复位输入例如①管脚固定为”L”时其输入为“H”，所以可构成将②和③作为输入，输出为④的2输入NAND，此变换如图4.2.所示。
图
74LS279管脚引线图
3.1.374LS121单稳态触发器：
3.2定时时间电路的设计
原理及设计：
该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和1个7段数码管即相关电路组成。
具体电路如图3所示。
一块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。
74192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，输出低电平到时序控制电路，控制74LS48使0闪烁，同时以后选手抢答无效。
由555定时器产生时间基准信号秒脉冲。
振荡周期为15秒脉冲信号经两级有预置功能的可逆十进制计数器74LS192对时钟信号进行计数，当计数到达预置的时间，计数器产生溢出而封锁计数脉冲，使计数器停止计数。
数码管指示时间值。
具体电路如下图：
仿真结果
3.2.1计数器74LS192
十进制可逆计数器74LS192（54/74194）两个引脚图管脚及功能表如下：
74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：
（a）引脚排列 （b）逻辑符号
图中：
为置数端，
为加计数端，
为减计数端，
为非同步进位输出端，
为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，
为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
其功能表如下：
输入
输出
MR
P3
P2
P1
P0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
×
×
×
×
减计数
3.3控制电路和报警电路
由555芯片构成多谐振荡电路，震荡频率
f=1/（R1+R2）C㏑2≈1.43/（R1+R2）C
555的输出信号再经或门控制显示闪烁。
控制电路包括时序和报警两个电路，如图所示。
控制电路需具有以下几个功能：
●主持人闭合开关，多路抢答器电路和计时电路进入正常状态；
●参赛者按键时，抢答电路和计时电路停止工作；
●抢答时间到，无人抢答，0闪烁，抢答电路和计时电路停止工作。
由功能表可以看出，要使电路实现倒计时（减法）功能，应使CR=0，PE非=1，CP+=1，CP-=CP。
可用CR端接电平开关来控制计时器的工作与否。
闪烁显示电路需要在一种情况下做出反应当裁判员给出“请回答”指令后，计时器开始倒计时，若回答问题时间到达限定的时间，扬声器发声及灯闪烁。
报警电路
控制电路由两部分组成：
一是由门电路组成的抢答与定时控制的时序控制电路，二是74LS121驱动报警电路的时序电路。
门控电路主要由或门组成，它的两个输入，一个来自由555芯片构成多谐振荡电路，另一个来自计时系统高位计数器的借位信号QB，它说明计时电路在3秒，2秒，1秒，0秒倒计时再向9秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲经反相器得到一个高电平。
这个高电平信号或上方波信号就使显示器闪烁。
集成单稳态触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间,具体原理如下：
主要由555时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。
单稳态触发器74121通过信号/Ys、BO2、S控制报警与否和报警时间，555时钟电路产生脉冲时钟。
在规定的时间有人抢答时，/Ys由1跳变到0，74121有状态2，即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为=2.15秒；如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态1，Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为
结合警电路，分析计算如下：
。
取C＝100uF,R=25K,。
有＝2.15秒。
仿真结果
1、倒计时
2、时间到，蜂鸣器响，绿灯闪烁
3.3.1振荡电路
本系统需要产生频率为500KHZ的脉冲信号，用于触发器的CP信号，及频率为1HZ信号用于计时电路。
以上电路可用555定时器组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频得到。
图5
主要参数：
电源电压为4.5-18V，最大输出电流为200mA，工作温度范围为-55oC-125oC。
3.3.274LS121单稳态触发器
3.4整体仿真
四、总结及心得
经过了一段时间的努力我终于完成了四路抢答器的设计，对数字电路这门课程有了更深的了解，因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去，在电路的设计过程中，无形中便加深了对数字电路的了解及运用能力，对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解；从方案的选择，再到设计的实现。
在这个过程中我学习到了很多在课本上不能学习到的知识，对一个产品也有了一个新的认识，以前我都很简单的认为一个产品很容易就做出来了，现在我知道了每一个产品都需要。
通过这次的课程设计我学到了主要有如下几点：
1．提前做好准备工作在开始动手之前，我们要把各器件的功能弄清楚，以及如何拓展，只有把这些真正的搞懂之后才能顺利完成设计。
以前的数字实验只是针对某一个小的功能设计，而课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计。
例如：
555定时器的使用原理和作用，用它构成触发器和振荡器的方法，还有一个难题就是怎么来选择我们所需要的芯片，从而实现我们所想实现的功能。
2.耐心分析，解决问题设计与实现的过程中我们会遇到一些困难这是很正常的事，但是不能一遇到问题就慌了，要耐心的分析问题并解决，这次课程设计的时候我就遇到了这样的情况。
以前没有接触过仿真软件，这次审计要使用仿真软件，所以学会了multisim软件的基本应用，但是在电路仿真的过程中出现大量问题，需要我们细心解决，所以，我对电路故障的排查能力有了很大的提高。
但由于是自己学习没有专业指导难免有一些我们不了解的功能。
所以我们以后要多接触和了解一些仿真软件，多向老师请教学习。
3.团队合作，不懂请教。
这次课程设计培养了团队合作，有些时候我们也需要别人的帮助，比如当我把元器件连接错误的时候，自己一个人很难找到错误，就需要同学帮忙，无形中培养了团队合作的精神。
有的时候可能遇到一些问题自己的确不能解决，这时应该虚心向同学请教很有必要了，只有这样才能更好的解决问题。
持续近一个星期的课程设计，问题可谓连续不断，但总体上还算成功的。
开始找不到元器件74LS121，电路图不能画出来,后来经过老师的指点，换成了具有相同功能的390，但是由于设计不完善仿真频频出错，又进行全面检查，并对电路作了细致地修改，才满足了设计要求。
一周的时间虽然很短暂，但从中获益匪浅.从课堂到实际操作是有点超乎我们的想象，理论应用到实践确实非一件易事。
从最初的设想设计一个大概的数字电路到绘制电路图，然后仿真修改，校正设计中的漏洞与不足。
整个过程感觉很紧张。
课程设计虽然结束了，但是还有很多的事情要做，对仍然不熟悉或不了解的知识点要尽快的去学习去了解，弥补自己的知识盲点，对课程设计中出现的问题我还要去认真的分析研究，错了的知道错在哪里，对了的也要知道成功在哪里。
另外还需要去增强自己的动手能力，去不断的锻炼，只有这样该课程设计才能实现课设的最终目的。
五、附录
5.1主要元器件列表
集成芯片
74LS279
2个
74LS74
1个
CD4606
1个
74LS121
1个
74LS48
2个
74LS148
1个
74LS192
1个
显示器
LCD5011-11
2个
发光二极管
1个
开关
6个
反相器
7404N
3个
报警器
SONALERT
1个
门器件
7410N
1个
7402N
1个
7400N
1个
基时电路
555
1个
蜂鸣器
1个
5.2总原理图
六、参考文献
1.康华光.电子技术基础数字部分.北京：
高等教育出版社，2006
2.王彦朋.大学生电子设计与应用.北京：
中国电力出版社，2007
3.张钦双.实用电子电路200例.北京：
机械工业出版社，2003
4.陈有卿.实用555时基电路300例.北京：
中国电力出版社，2004
5.常华.仿真软件教程.北京：
清华大学出版社，2006
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