数电课设抢答器.doc

数字电路逻辑设计
课程设计报告

系 别： 物理系
专 业： 电子信息工程
指导教师： 薛艳辉
班 级： 1402
姓 名： 李海燕

吕 梁 学 院
2016.6

课程设计任务书
院（系）： 物理系 专业 ：电子信息工程
学 号
20140506213
学生姓名
李海燕
班级
1402
课程设计（论文）题目
竞赛抢答器设计
课程设计（论文）任务
设计目标：
设计并仿真实现一个竞赛抢答器
基本要求：
1、抢答器可供四组使用，抢答指示用发光二极管
2、记分部分独立，并且具有预置、递增、递减功能
指导教师评语及成绩

成绩： 指导教师签字：

年 月 日

摘要
随着我国经济和文化事业的发展，在很多竞争场合要求有快速公正的竞争裁决，例如证券、股票交易以及各种智力竞赛等。在现实生活中很常见，尤其是在随着各种智益电视节目的不断发展，越来越多的竞赛抢答器被用在了其中，这种抢答器的好处是不仅能够锻炼参赛选手的反应能力，而且能增加节目现场的紧张、活跃气氛，让观众看得更有情趣。可见抢答器在现实生活中确实很实用，运用前景非常广泛。
在知识竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，只靠人的视觉是很难判断出哪组先答题。这次设计就是用几个触发器以及三极管巧妙的设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计，以及它的实际用途。数字抢答器有主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛组的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，若有选手安东强大按钮，编号立即锁存，并数码管上显示选手的编号，同时扬声器给出声音提示；同时封锁输入电路，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。

【关键词】智力抢答，数字抢答器，锁存器

目录

绪论
基于数字电子技术的设计创新和产品创新看起来似乎永无止境，而且它们也的的确确在方方面面日益完善和丰富着我们每个人的日常生活和工作。随着科技的进步和社会的发展，现代电子产品设计越来越注重产品的易使用型，人机界面一定要良好。声音、图象等作为人类交往的最重要手段，也被体现在电子产品设计中。采用一颗语音芯片，让产品开口说话，可以起到强化宣传品牌、指导用户使用、故障紧急提示、娱乐等功能，使产品设计新颖实用、先声夺人、出奇制胜。
一、 抢答器的基本工作原理
整个电路框图主要分为两部分，一个是计时部分，一个是抢答电路，其中抢答器电路由，编码器电路，RS触发电路，译码器电路，数码管显示电路组成，封锁电路由三个或门组成，其作用是只让先按下的有效，而后按下的无效，主持人按钮用来将电路复位，并将输出清零和编码电路解除封锁，译码电路用来译出编码，数码显示部分用来显示按下的选手号码，555定时电路用来定答题的时间。

2.2 系统框图
当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时，并通过译码器在显示器中显示。报警电路给出声音提示。当选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状态。最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出

。如图2.1

抢答按钮
触发器
锁存电路
译码电路
主持人控制开关
控制电路
报警电路
秒脉冲产生电路
定时电路
译码电路
显示电路
显示电路

图2.1系统框图

1、当主持人按下“开关”按钮后，选手可以通过按按钮的快慢来决定由谁来回答，按得快的选手的编号显示在电子显示管上。
2、此后选手输入被锁住，如果主持人按下复位键则编号显示处不作任何显示。
3、然后选手开始作答，作答的时间少于30秒，以倒数的方式进行，而且通过显示屏把时间显示出来。
4、主持人按下开关，所有的显示及工作状态回到初始状态以便进行下一次答题。
2.3 方案比较
方案1：采用CD4511芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽然比较简便，但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。
方案2：采用JK触发器和译码器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实现锁存功能时可以简单的实现。
经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案2。然后利用软件proteus来进行仿真调试，再进行逐步改进。

单元电路设计
1、抢答器按键保持与封锁电路

图2 按键保持与封锁电路
该电路可以完成两个功能：一是能够分辨出选手按键的先后顺序，并且能够锁存优先抢答选手的号码，同时译码显示电路显示编号；二是后面的选手按键操作将无效。
工作过程：开关J6开启时，则输入为高电位“1”，经过四个或非门后变成低电位“0”。则四个D触发器的异步复位端将触发器置“0”，抢答电路处于系统清零状态；当J6闭合时，抢答电路处于工作状态。当抢答开始，若J1先按键，则Q1端输出高电位“1”通过或非门变成低电位“0”，将其他D触发器置0，则抢答信号输出为“1110”（J4J3J2J1），然后通过输出选手号码显示电路显示对应号码。

2、选手号码显示电路

图3选手号码显示电路
该电路由优先编码器74LS148N

（1）四路抢答器原理
见图--1

图--1

该电路由四个D触发器、与非门及脉冲触发电路等组成。其中S1，S2，S3、S4为抢答人按钮，S5为主持人复位。74LS175为四D触发器。
无人抢答时，S1~S4均未被按下，1D~4D均为低电平，在555定时器电路产生时钟脉冲作用下，1Q立即变为高电平，对应指示灯X1发光，同时数码管显示为1，将555定时脉冲封锁，此时送给74ls175的CLK端不再有脉冲信号，所以74LS175输出不再变化，其他抢答者再按下按钮也不起作用，从而实现了抢答。若要清除，则由主持人按S5按钮完成，并为下一次抢答做好准备。

3.2 编码器电路的设计
编码器采样74ls148作为编码芯片，将输入的信号进行编码，然后输出2二进制码，输出接到74279上，A0 ，A1 ，A2 均分别接到74279的S上，当输出均为高时表示无选手按下，Ｓ为无效电平，RS触发器输出为低，即无编码输出。
74ls148芯片及真值表如下：
74LS48的引脚排列： 真值表如下：

灯测试输入：LT
灭灯输入 ： RBI
锁存使能输入：BI
A、B、C、D 是输入端
a、b、c、d、e、f、g是输出端

（2）定时器实现
①秒脉冲发生器由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器。F=1Hz
定时器电路见图--2

图--2
②计数器由两片74LS192同步十进制计数器构成
利用错位输出端BO于下一级DOWN相连
30循环设置为，十位片DCBA=0011 个位片DCBA=0000
③译码及显示电路有译码驱动器74LS48和7段数码管组成
④控制电路
与非门U20A和U21A组成RS触发器，实现计数器复位、计数和保持30
电路如图--3所示

图--3
4、8421BCD码递减计数器电路

（3）报警电路

(4)零点锁存电路

3.4 复位电路

图3.3

J
K

说 明
0
0
0
0
0
0

输出状态不变
1
1
0
0
1
1
0
0
0
输出状态与J端状态相同
1
0
1
1
0
0
0
1
1
输出状态与J端状态相同
1
1
1
1
1
1
0
1

每输入一个时钟脉冲输出状态改变一次
1
0

表3.2.JK触发器的功能表
JK边沿触发器。将两个的输出端通过异或非门作为输入，送到JK触发器的时钟信号端CLK，因为如果计时器一旦输出“00”，异或非门的输出刚好为1，而触发器的CLK从0到1，接收到一次上升沿的时钟信号，因而JK触发器此时Q输出为1，再把Q送到两个芯片的MR端，此时芯片就不再处于计数状态，因而可以做出来到“00”停止计时的效果。
4.1 总电路原理图：

图4.1

4.3 元件清单

型号
数量
型号
数量
74190
2
74ls26
6
74191
1
七段显示器
4
74ls04
5
4072
2
74ls48
4
J K触发器
1
74ls148
1
555定时器
1
开关
1

按键
4

表4.1
五、硬件电路的调试
5.1 仿真软件简介
Proteus 是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：
①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：ARM7(LPC21xx)、 8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。
③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2、MPLAB等软件。
④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具,真的很不错。可以仿真51系列、AVR,PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD,RAM,ROM,键盘,马达,LED,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件...）
其实proteus 与 multisim比较类似,只不过它可以仿真MCU！
5.2仿真结果：

六、结论与心得
持续近三个星期的课程设计结束了，我们的设计虽然有一些小毛病，但总体上还是很成功的。三周的时间虽然很短暂，但从中获益匪浅. 毕竟在课堂上学习的内容真真正正能用到实际是有点超乎我们的想象，而且要把理论知识付诸实践确实非一件易事。我从最初的设想设计一个什么样的数字电路到绘制电路图，然后打印排版，最后校正设计中的漏洞与不足。整个过程中我翻阅大量资料，跑遍图书馆各个能找到数电资料的角落，上网查找有关内容，马不停蹄思考如何绘制电路，并和周围同学进行着一遍又一遍的交流与设计思想。

首先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；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。
其次，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proteus 软件的基本应用，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。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。
最后，感谢学校给我们这次机会，锻炼了我们的动手能力。通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距，而且也让我很明确得意识到自己在数电上有很多的知识漏洞，以后应该多钻研一下。从这过程，我锻炼了自己的动手能力，独立思考能力，分析实践能力，并学会了把自己的设计经验和思路拿出来与大家分享。
再次感谢老师的辅导以及同学的帮助。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，由此看来实践的重要，短短两星期的课程设计，学到了很多的东西，最重要的是我自己动手把我学习的知识用于实践，做出成功的作品，这才算真正学习到了东西。总之，这次实验我收获颇多。实践是获得知识的一种最好的手段！

七、参考文献
1、阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1989.
2、张乃国.电子测量.北京：人民邮电出版社，1985.
3、彭介华.电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社，1997.
4、华容茂.电工、电子技术实习与课程设计.北京：电子工业出版社，2000.

七、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
[6]网络资料.六国电子网站
[7]网络资料.三毛电子网站

（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）