四人智力抢答器优秀课程设计优质报告.doc

数字电子技术课程设计汇报

设计课题:
四人智力竞赛抢答器

学 院:

专 业:
电子信息工程

班 级:
级电信(1)班

姓 名:

学 号:

日 期
12月9日——12月23日

指导老师:

摘 要
在多种智力竞赛场所，抢答器是必不可少最公正用具。
经过本年《数字电路技术》学习我们知道了它原理其实是比较简单，关键就是经过四D触发器74LS175为中心组成编码锁存系统控制选手抢答情况，再经过逻辑电路将输入开关、脉冲及输出LED灯、数码管和扬声器连接起来即可。 电路由主体电路和扩展电路两部分组成，主体电路关键由74LS175，即4D触发器来组成抢答锁存器，由主持人来控制74LS175清零端。当清零端为高电平“1”时，选手开始抢答，最先按键选手对应LED发光二极管发光，而且扬声器发出声音，同时，由4个Q及门电路组成锁存电路来控制其它选手再按键时不再起作用。 扩展电路关键包含秒脉冲发生电路和定时电路，而且在设计中加入了报警电路，以提醒选手和观众。
经Proteus仿真软件验证抢答器原理图无误，可实现设计所要求功效。

关键词：四人智力竞赛抢答器、74LS175、脉冲、锁存器

目 录

1 设计任务及要求 ..................................................................................1
2 比较和选定设计系统方案、画出系统框图 ..................................1
2.1 方案比较 .....................................................................................1
2.2 系统框图 .....................................................................................3
3单元电路设计、参数计算和器件选择 ...............................................3
3.1抢答电路设 .................................................................................3
3.2 定时电路设计 ............................................................................6
3.3报警电路设计 .............................................................................9
4完整电路图及电路工作原理 ......................................................10
4.1完整电路图 ................................................................................10
4.2 工作原理..............................................................................11 5经验体会 ..............................................................................................12
参考文件 ..........................................................................................12
附录A：系统电路原理图......................................................................13
附录B：元器件清单 ............................................................................14

四人智力竞赛抢答器
1 设计任务及要求
（1）设计一个供四人参赛抢答器，能正确分辨、统计第一个有效按下抢答键者，稍后其它人按下开关则无效。抢答器含有显示功效，即选手按动按钮，对应LED发光二极管发光，同时扬声器发出声音。
（2）主持人没有宣告抢答开始时，抢答不起作用。主持人宣告抢答开始时，按“开始”键，抢答开始，同时开启计时器计时；
（3）计时器计时采取倒计数方法，以加强现场气氛，增加紧迫感。若预定时间内无人抢答，自动给出信号停止抢答，以免冷场。倒计数 定时器时间能够随意预置；电路含有回复问题时间控制功效，要求回复时间小于等于100秒（显示为99到0），当达成限定时间时，发出声响以示警告。

2 比较和选定设计系统方案、画出系统框图
2.1 方案比较
方案一：电路大致能够由四个功效模块组成：以锁存器为中心编码显示电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，音响电路部分。在锁存器为中心编码显示电路部分中，由锁存器74LS373，四选一数据选择器74LS153，显示器，LED发光二极管和门电路组成。使用74LS373作为锁存电路，当有些人抢答时， 利用锁存器输出信号号将时钟脉冲置零，74LS373立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫0.5s，这时抢答无效，使用74LS153作为数据选择器，对输入型号进行选择，使选手对应LED发光二极管发光，同时扬声器发出声音；在脉冲产生电路部分中，用石英晶体振荡器给予实现，因为石英晶体稳定性和正确性比较高，所以用其产生脉冲信号愈加稳定，同时在显示更能靠近预定值，受外界环境干扰较少；在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS190，显示器组成。利用74LS190计数器作为倒计时芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS190被置九，同时将显示上次抢到题目标选手LED灯灭掉，并开始倒计时，并经过74LS48编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时时间。假如在9秒内有些人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，严禁选手抢答，蜂鸣器鸣叫一秒，停止倒计时。在音响电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器，产生所需要脉冲，然后接入蜂鸣器组成。
方案二：电路大致能够由四个功效模块组成：以四D触发器74LS175为中心组成编码锁存系统电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，报警电路部分。在4D触发器组成抢答锁存器中，由主持人来控制74LS175清零端。当清零端为高电平“1”时，选手开始抢答，最先按键选手对应LED发光二极管发光，而且扬声器发出声音，同时，由4个非Q及门电路组成锁存电路来控制其它选手再按键时不再起作用，这时抢答无效。
在脉冲产生电路部分中，用555定时器给予实现，经过调整电阻阻值最终得到符合要求脉冲，因为能够经过改变电阻电容微调频率，替换了用分频器对高频信号进行分频，从而使电路简单了。
在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS192，数码管显示器组成。利用74LS192计数器作为倒计时芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS192被置初始值，抢搭时间开始倒计时，并经过74LS48编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时时间。假如在要求时间内无人抢答，即抢答时间为0时，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，严禁选手抢答，抢答时间数码管显示为0，蜂鸣器鸣叫一秒；假如在要求时间内有些人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，严禁选手抢答，抢答时间停止倒计时，蜂鸣器鸣叫0.5秒，和此同时，回复时间开始倒计时，并经过74LS48编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时时间，若要求时间内选手没有回复完，则计数器停止倒计时，回复时间数码管显示为0，蜂鸣器鸣叫一秒。
在报警电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成单稳态电路，产生所需要脉冲，然后接入蜂鸣器组成。
选择结果：方案二。原因：即使用555定时器组成多谐振荡器稳定性和正确性没有石英晶体振荡器高，但因为后者设计方便，操作简单，成为了设计时首选。
2.2 系统框图
抢答按钮

LED显示电路

抢答控制电路

主持人控制开关

秒脉冲产生电路
计时控制电路

报警电路

数码管显示时间

图1 四人智力抢答器方案二设计框图

3单元电路设计、参数计算和器件选择
3.1 抢答电路设计
抢答电路功效有两个：一是能分辨出选手按按钮前后，并锁存优先抢答者编号，用LED发光二级管显示表示；二是要使其它选手按钮操作无效。所以，选择四D触发器74LS175、四输入端和非门74LS20和六组反相器74LS04和LED灯显示电路完成上述功效。
74LS175是常见四上升沿D触发器集成电路，里面含有4组d触发器，能够用来组成寄存器，抢答器等功效部件。当清除端MR为低电平时，输出端Q为低电平。在时钟CP上升沿作用下，Q和数据端D相一致。当CP为高电平或低电平时，D对Q没影响。其引脚图及真值表以下图所表示。

图2 74LS175引脚图

表1 74LS175真值表

依据各芯片功效及抢答器功效要求，抢答器电路以下所表示
①

②

③

④

图3 抢答器电路

工作原理：图三四个按钮为四位选手抢答开关，单刀开关为主持人控制开关。当主持人控制开关置于清零状态，即闭合时，清除端MR为低电平，输出端Q为低电平，于是LED灯灭，此时抢答电路不工作。当主持人控制开关置于开始状态，MR为高电平，74LS175Q经四输入和非门(U3:A)输出接入到抢答按钮左边公共端，按钮右边经反相器接到74LS175输入端D，而且同时接到四输入和非门（U3：B)，再经两个反相器延时接到74LS175时钟CLK端，抢答器处于等候工作状态。
若有选手（假设为1号选手）按动抢答开关（即按下按钮①瞬间），此时74LS175输入端D0为高电平，74LS175时钟CLK由低电平变为高电平，在上升沿作用下，输出端Q0和输入端D0一致，即为高电平，1号对应LED灯亮。同时，因为Q0为低电平，和非门（U3：A）输出为高电平，将按钮公共端变为高电平，若此时按钮①还处于闭合状态，则和非门（U3：B）输出为低电平，使CLK变为低电平，此时74LS175处于严禁工作状态，其它选手抢答按钮输入信号不会被接收。这就确保了抢答者优先性和抢答电路正确性。答题结束后，主持人开关置于清零状态，LED灯灭，一但恢复初始状态，方便进入下一轮抢答步骤。

3.2 定时电路设计
设计要求抢答器含有定时功效，且节目主持人依据抢答题难易程度，可设定一次抢答时间（设为10s）和回复时间（设为60秒）。设计中选择十进制同时加/减计数器74LS192进行设计，74LS192是含有置数和清零功效，其引脚图和逻辑图图4所表示，功效表如表2所表示。

图4 74LS192引脚图和逻辑图

P0、P1、P2、P3——置数并行数据输入；
Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出；
MR————————清零端；
PL————————置数端；
CPu ———————加法计数CP输入；
CPd ———————减法计数CP输入；
TCu ———————进位输出端；
TCd ———————借位输出端。
表2 74LS192功效表

依据设计要求，需要两片74LS192组成100进制减计数器。由功效真值表可知，只需将个位74LS192借位输出端TCd和十位74LS192CPd即可实现100进制减计数。值得注意是，要使其实现减计数，CPu端口必需接高电平。本课程设计采取四片74LS192，其中两片控制抢答时间，另外两片控制回复时间。
计数器时钟脉冲由秒脉冲电路提供。秒脉冲电路由555组成多谐振荡器组成，图5所表示。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形波输出。
矩形波输出
图5 多谐振荡器

因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。图中电容充放电时间分别是：
t1=R7×C2×ln2≈0.7（R7×C2）
t2=(R6+R7)×C2×ln2≈0.7(R6+R7)C2
所以5553端输出频率为： f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2R6+R7)C2]
我们采取电阻和电容值分别是：R6=15KΩ，R7=68KΩ，C2=10uf,满足上式，即得到是秒脉冲。
由以上集成芯片设计定时电路图6所表示。
图6 定时电路

工作原理：首先主持人依据题难易程度改变拨码开关DSW1-4状态，从而改变74LS192输入端D3D2D1D0电平来确定抢答时间（假定为10秒）和回复时间（假定为60秒），555组成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。抢答开始前主持人闭合开关，74LS192置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。抢答开始，主持人打开开关，抢答计数器处于计数状态，555产生秒脉冲和十位74LS192借位输出端（其初始状态为高电平）和抢答按钮公共端反相信号相和。计数器递减计数至00，十位74LS192借位输出端为低电平，计数器停止工作，产生报警。计时期间有些人抢答，抢答减计数器停止计时，抢答显示器上显示此刻时间，同时，回复计数器开始计数，当计数器递减计数至00，计数器停止工作，产生报警。

3.3报警电路设计
由555定时器和电阻电容组成报警电路图7所表示。图中555定时器用来组成单稳态电路。

图7 含有微分步骤555单稳态电路

工作原理:因为外界触发脉冲ui加了进来，电路uo由低电平变为高电平到再次变为低电平这段时间就是暂稳态时间。暂稳态时间Tw计算以下：

显然，改变定时元件R或C即可改变延时时间Tw。我们采取电阻和电容值分别是：R=91KΩ，C=10uf, 满足上式，来产生1秒延时时间；和R=47KΩ，C=10uf,来产生0.5秒延时时间。3端输出信号接扬声器，发出报警信号，当计数器为0时，扬声器发出1秒声音；当有选手抢答时，扬声器发出0.5秒声音。

4完整电路图及电路工作原理
4.1完整电路图
经过控制电路将抢答、定时电路进行连接后，组成了抢答器电路整体设计，总电路图图8所表示：
图8 总电路图

4.2 工作原理
下面介绍四路智力竞赛抢答器使用原理。
首先是各个选手分别对应按钮编号是①、②、③、④，抢答后选手对应LED灯被点亮，扬声器发出0.5秒响声。
然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”位置，输出低电平，分为两路：一路和抢答计数器十位74LS192借位输出端TCd相和后接到74LS175清除端MR，当抢答计数器递减计数至00时，十位74LS192借位输出端为低电平，计数器停止工作，此时MR端为低电平，74LS175处于严禁工作状态，即实现预定时间内无人抢答，自动给出信号停止抢答，并产生报警；另一路低电平和四个计数器74LS192PL端相连，使74LS192置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。
接下来主持人依据题目标难易程度设置抢答时间和回复时间，此设定能够经过调整四个拨码开关，从而改变输入四片74LS192四个输入端D3、D2、D1、D0高低电平来进行（比如要设定抢答时间为10秒,就将抢答计数器十位74192D3、D2、D1、D0分别置位为0、0、0、1，而将个位74LS192D3、D2、D1、D0全部置于0；要设定回复时间为60秒,就将回复计数器十位74192D3、D2、D1、D0分别置位为0、1、1、0，而将个位74LS192D3、D2、D1、D0全部置于0）。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此高电平有两路方向：一路输出到抢答计数器74LS192LD端，使其处于高电平而开始减计数；还有一路和抢答计数器十位74LS192借位输出端TCd相和后接到74LS175清除端MR，使其处于高电平而开始工作。
当任意一个选手抢答时，假设为①号选手按动抢答开关，此时74LS175输入端D0为高电平，74LS175时钟CLK由低电平变为高电平，在上升沿作用下，输出端Q0和输入端D0一致，即为高电平，1号对应LED灯亮，同时扬声器发出0.5秒响声，而且电路将信号锁存，74LS175处于严禁工作状态，其它选手抢答按钮输入信号不会被接收。这就确保了抢答者优先性和抢答电路正确性。答题结束后，主持人开关置于清零状态，LED灯灭，一但恢复初始状态，方便进入下一轮抢答步骤。
若到定时部分抢答计数器倒计时到00还无选手按动按钮话，则抢答计数器十位74LS192借位输出端TCd输出为低电平，停止计数，同时抢答不起作用，报警器报警。若有些人抢答，定时部分回复计数器倒计时到00还未答完话，报警器发出1秒报警声。
总而言之，所设计电路基础能够实现要求中功效。

5经验体会
经过此次课程设计，不仅有效巩固了本学期所学数电相关知识，加强了对关键知识点记忆和了解，还学会怎样利用Protues仿真进行仿真，受益匪浅，首先，加深了我对数字电路知识了解，尤其是数字芯片性能和使用。其次，使我对数字电路设计更感爱好，原来它是很奥秘，部分电子功效能够经过组合多种多样元器件，从而产生想要实现功效，关键在于能够设计出符合要求电路。再次，使我对书本知识得到巩固和加强，毕竟书本知识是抽象，只有真正在实践中利用它，做到学以致用，才能加深对它了解，所以设计出这个题目后，我发觉以前对书本有疑问地方全部伴随在课程设计中豁然开朗了。最终，加强了我思索和处理问题能力。
经过此次实践操作，也让我深刻明白：只有将书本上理论知识，结合实践不停练习，不停总结提炼，反复思索实践中经验教训，才能够真正消化为自己知识。

参考文件
【1】《数字电子技术》 （第三版）江晓安、董秀峰、张军、杨颂华 编著
【2】《新型集成电路应用——电子技术基础课程设计》梁宗善 主编，华中科技大学出版社
【3】《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社
【4】抢答器网
【5】baidu文库
附录A：系统电路原理图

附录B：元器件清单
元器件名称
数量：（个）
共阴数码管
4
74LS48
4
74LS175
1
74LS192
4
74LS20
1
74LS11
1
74LS04
2
74LS08
1
7432
1
555
3
蜂鸣器
1
LED发光二极管
4
拨码开关DIPSWC_4
4
排阻RESPACK-8
2

电阻
1K
5
15K
1
47K
1
68K
1
91K
1
200K
2

电容
100nF
3
10uF
3
0.1uF
2