路智力竞赛抢答器数电专业课程设计方案报告.doc

数字抢答器设计

姓 名　 李永宏
学 号 01910034
年 级 14自动化
专 业 自动化
系　（院） 机械与材料工程学院
指引教师 王丹

1 设计任务与规定……………………………………………………1
1.1基本功能.....................................................1
1.2 扩展功能.....................................................1
2 设计原理……………………………………………………………..1
3 电路设计…………………………………………….........................2
3.1 抢答电路......................................................2
3.2 定期电路......................................................6
3.3 有关逻辑电路..................................................8
4元器件使用列表.............................................................................10
5仿真成果……………………………………………………………11
6 设计体会……………………………………………………………11
参照资料………………………………………………………………12

8路智力竞赛抢答器
1 设计任务与规定
1.1基本功能
（1）设计一种智力竞赛抢答器，可同步供8名选手或8个代表队参加比赛，其编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一种抢答按钮，按钮编号与选手编号相相应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。
（2）给节目主持人设立一种控制开关，用来控制系统清零（编号显示数码管灭灯）和抢答开始。
（3）抢答器具备数据锁存和显示功能。抢答开始，若有选手按动抢答按钮，编号及时锁存，并在LED数码管上显示选手编号，同步扬声器发出音响提示 此外．要封锁输人电路，禁止其她选手抢答，并将优先抢答选手编号—直保持到主持人将系统清零为止。
1.2 扩展功能
（1）抢答器具备定期抢答功能，且一次抢答时间长度可以由主持人设定（如30 s）。当节目主持人启动“开始”键后，规定定期器及时减计时，并用显示屏显示，同步扬声器发出短暂音响，音响持续时间为0.5 s左右。
（2）参赛选手在设定期间内抢答，抢答有效；有效抢答结束定期器停止工作．显示屏上显示选手编号和抢答时刻时间，并保持到主持人将系统清零为止。
（3）如果定期抢答时间已到，却没有选手抢答，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后做无效抢答，时间显示屏上显示00。
2 设计原理
定期抢答器总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两某些构成。主体电路完毕基本抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手编号，同步能封锁输入电路，禁止其她选手抢答；扩展电路完毕定期抢答功能。

图1- 1 定期器总体框图
图1所示定期抢答器工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处在禁止工作状态，编号显示屏灭灯，定期显示屏显示设定期间；当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同步将控制开关拨到“开始”位置，扬声器发出音响提示，抢答器处在工作状态，定期器倒计时开始。当定期时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手在超时后抢答。当选手在定期时间内按动抢答键时，抢答器要完毕如下四项工作：
（1）优先编码电路及时辨别出抢答者编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码电路显示编号；
扬声器发出短暂音响，提示节目主持人注意。
（2）控制电路要对输人编码电路进行封锁，避免其她选手再次进行抢答。
（3）控制电路要使定期器停止工作，时间显示屏上显示剩余抢答时间．并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关．使系统回答到禁止工作状态，以便进行下—轮抢答。
3 电路设计
3.1 抢答电路
抢答电路功能有两个：—是能辨别选手按键先后，并锁存优先抢答者编号，供译码显示电路用；二是要使其她选手按键操作无效。
方案一：
选用优先编码器74LS148和八D锁存器74LS573（或74LS373）可以完毕上述功能。通过74LS573可以一次性锁存八个信号输入功能，将八个抢答信号送给它2~9八个输入管脚，再将它19~12八个管脚接74LS148优先编码信号输入八个管脚，最后通过优先编码器GS端经相应门电路解决后接锁存器锁存端进行锁存。74LS573管脚与功能如图3-1所示。

图3- 1 74LS573管脚与功能
方案二：
选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279可以完毕上述功能，其电路构成如图3-2所示。

图3- 2 抢答器电路
其工作原理是：当主持人控制开关处在“清除”位置时，RS触发器端为低电平，输出端（4Q～1Q）所有为低电平，于是74LS48＝0，显示屏灭灯；74LS48选通输入端＝0， 74LS48处在工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同步处在工作状态，即抢答器处在等待工作状态，等待输入端、··· 、输人信号。当有选手将键按下时（如按下S5，74LS148输出＝000，＝0，经RS锁存器后，CTR＝1，B＝1，74LS279处在工作状态； 4Q3Q2Q＝101，经74LS48译码，显示屏显示“5”。此外，CTR＝1，使74LS148端为高电平．74LSl48处在禁止工作状态，封锁了其她按键输人。当选手按下键松开后，74LS148为高电平；但由于CTR维持高电平不变，因此，74LS148仍处在禁止工作状态，其她按键输入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路精确性。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
最后方案：
通过对比以上两种抢答电路，咱们最后选取实验室有所有现成芯片方案二（在最后方案里对方案二也进行了修改）。抢答与按键电路如图3-3和图3-4所示。为了连线以便，图中使用了大量网络标号，如“RBO”、“A0” 、“A1” 、“A2”等。
完整电路原理图请看附录。

图3- 3 抢答电路
通过Proteus ISIS 7.8仿真得图3-2抢答电路未能实现所需抢答规定。重要为74LS279最右边个RS触发器输出Q端接74LS148时，在电路工作状态主持人控制开关不能实现“清零”后再“开始”让抢答电路继续工作。通过改进得如上图3-3完毕了抢答电路规定。RBO从图3-9中产生。

图3- 4 抢答按键电路
图3-4中8个按钮现实中用1个八位拨码开关代替，简化材料同步又更加贴近真实抢答过程中选手会始终按着按钮这种状况模仿。如果电路中再增长一种74LS83到优先编码器与显示译码器之间，实现二进制码加一操作可以使数码管从1~8数码显示可更加贴近真实抢答中显示内容，同步可以去掉图3-4中与门。本电路中与门为对抢答时“0”信号特殊解决，避免抢答时“0”号按钮按下而数码管中不显示“0”状况。
74LS148是有八个输入端，三个输出端优先编码器，它功能是判断抢答选手编号。74LS148功能表如表3-1所示。
表3-1 74LS148功能表

七段显示译码器7448输出高电平有效，用以驱动共阴极显示屏。该集成显示译码器设有各种辅助控制端，以增强器件功能。七段显示译码器普通与七段数码显示屏相连，共同构成四输入端数码显示电路。共阴极数码显示屏功能表如表3-2所示
表3-2 共阴极数码显示屏功能表
十进制
A3
A2
A1
A0
a
b
c
d
e
f
g
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
2
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
3
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
4
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
5
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
6
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
7
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
8
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
9
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1

3.2 定期电路
节目主持人依照抢答题难易限度，设定一次抢答时间长度，通过预置时间电路对计数器进行预置。主持人按键电路如图3-7所示。现选用十进制同步加／减计数器74LS192进行设计，计数器时钟脉冲由秒脉冲电路提供，详细电路如图3-5与图3-6所示。

图3- 5 定期器减计数电路
在现实调试中两个74LS192第5管脚同步接5V高电平才干使计数器正常减计数。否则会发生无法借位状况。
图3-5中74LS192输入所用“0”、“1”逻辑开关，在实际电路中使用一侧接地拨码开关代替。拨码开关导通时，输入为“0”；拨码开关断开时，输入为“1”（TTL悬空输入默以为高电平）。
表3-4 74LS192功能表

图3- 6 定期器1秒脉冲发生电路
555定期器构成一种多谐振荡器，产生一种周期接近1秒方波信号从第3管脚输出。而接一种与非门是为了对方波信号整型。555定期器振荡频率计算公式为：

图3-6中R11=15K，R12=68K，C2=10uF带入公式得：

由以上计算得555电路产生方波周期约为1秒。

图3- 7 主持人按键与抢答批示灯电路
由于光比声音在空气中速度快，而每个抢答按钮与提示开始抢答信号距离不一定相等，因此图3-7电路中使用LED熄灭模仿主持人按下按钮后提示选手开始抢答现象。即图3-7中D3灯灭时，选手开始抢答，同步图3-5中数码管显示每秒减一种数字，直到显示为零。

3.3 有关逻辑电路
逻辑控制电路是抢答器设计核心。它要完毕如下三项功能：
（1）主持人将控制开关SW1拨到图3-7显示状态为定期器减计数电路置数，也是抢答器总复位状态。当控制开关SW1拨到另一种位置时，抢答电路和定期电路进人正常工作状态。
（2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定期电路停止工作。
（3）当设定抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同步抢答电路和定期电路停止工作。
依照上面功能规定以及前面所有电路，设计逻辑控制电路如图3-9所示。

图3- 8 有关逻辑控制电路
图3-9中，U2:B、U2:C、U2:D三个与非门通过反演律构成一种或门（5、9脚悬空即为高电平）。U12:C、U12:D、U16:A功能与前面相似。
反演规则：
i.变换时应保持原函数运算顺序不变。
ii.变换运算符号优先顺序，遵循 “先进行括号里运算变换，再进行逻辑乘运算变换，最后进行逻辑加运算变换”。
iii.不属于单个变量上非号应保存不变。
当74LS279输出A0、A1、A2有信号时，则RBO为高电平，实现74LS148封锁输入。
由图3-9得逻辑函数表达式如下：
RBO=(A0+A1)+A2= A0+A1+A2
TCD4=RBO’= (A0+A1+A2)’
TCD2=(TCD4)(D0) 注：D0在图3-4中
TCD3=(TCD2)(TCD)
DCLK=(CLK)(TCD3) 注：CLK在图3-6中

表3-4 函数RBO与TCD4真值表
输入
输出
A0
A1
A2
RBO
TCD4
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
当74LS279输出为零二进制码，即A0、A1、A2都为0时，不能使RBO为1，因而不能实现74LS148封锁输入。在本抢答器电路中对0号按钮（抢答选手相应0号）做了特殊解决。U15:B中只要TCD3=0则使DCLK不能随着CLK变化而变化，74LS192就不会计数。
4元器件使用列表
表3-5 元器件清单
元器件
数量
74LS192
2
74LS48
3
74LS148
1
74LS279
1
74LS00
2
74LS08
1
NE555
1
8位拨码开关
2
一位7段共阴数码管
3
10KΩ电阻
9
1KΩ电阻
3
15KΩ电阻
1
68KΩ电阻
1
10Ω电阻
1
Φ3LED
1
0.1uF无极性电容
1
10uF有极性电容
1
1N4007
1
电源开关按钮
1
8550三极管
1
蜂鸣器
1
小型面包板
7
导线
若干

5仿真成果
仿真效果良好，完毕所有设计规定。
6 设计体会
通过这次课程设计学习，我的确学习了诸多知识，真正感受到了理论联系实际重要性，以及这之间莫大区别，到最后看着自己成果心里还是感到很欣慰。
在课程设计期间我懂得了如何运用网上资源和图书馆里资源，通过网上资源和图书馆资源我理解了许多电子元件工作原理，如：74LS121、74LS48、74LS192等。但同步也暴露出我在知识上掌握局限性等缺陷。另一方面在本次设计过程中由于咱们频繁使用电子设计软件如：Proteus等，因而使我熟悉了软件使用，同步在电脑电子设计和绘图操作上有了进一步提高。
同步我深刻体会到实际与理论有很大区别。在咱们学习过程中不但考验了咱们对知识吸取和掌握，并且也考验了咱们细心和耐心。特别是在仿真过程中对参数改进和电路图查找过程中，我深有体会。我以为这次实习不但仅学习了软件知识，还提高了咱们专业素质。
完毕这次课程设计我觉得收获诸多，不但进一步掌握了数电知识及有关专业仿真软件基本操作，还提高了自己设计能力及动手能力。实践是检查真理唯一原则。理论知识局限性在这次实习中体现很明显。这将有助于我此后更加明确学习方向，可结识到自己局限性，拟定自己目的，从而更加努力学习。只有这样咱们才干真正去掌握它，真正去运用它。
虽然只是初步学会了数字抢答器设计，离真正掌握尚有一定距离，但学习这段日子的确令我收益匪浅，由于我有学到了课本以外诸多知识，还锻炼了自己动手能力。
作为一种电气工程及其自动化专业学生，我深刻体会到课程设计重要性。我后来会更加注重这方面能力培养，在学习好理论知识同步加强时间能力。
很高兴有这样一种锻炼、提高自己机会。

参照资料
[1]阎石，《数字电子技术基本》，高等教诲出版社
[2]童诗白 华成英，《模仿电子技术基本》，高等教诲出版社
[3]彭介华，《电子技术课程设计指引》 ，高等教诲出版社
[4]李海，《74系列芯片手册》，重庆大学出版社
[5]朱清慧 张凤蕊 翟天嵩 王志奎，《Proteus教程》，清华出版社
[6]邱关源 罗先觉，《电路》，高等教诲出版社

原理图

PCB图

实物八路抢答器背面图

实物八路抢答器正面图