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 .12 比较和选定设计系统方案、画出系统框图 .12.1 方案比较 .12.2 系统框图 .33单元电路设计、参数计算和器件选择 .33.1抢答电路设 .3 3.2 定时电路设计 .6 3.3报警电路设计 .94完整电路图及电路工作原理 .104.1完整电路图 .104.2 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=R7C2ln20.7（R7C2） t2=(R6+R7)C2ln20.7(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=15K，R7=68K，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=91K，C=10uf, 满足上式，来产生1秒延时时间；和R=47K，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、，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474LS48474LS175174LS192474LS20174LS11174LS04274LS081743215553蜂鸣器1LED发光二极管4拨码开关DIPSWC_44排阻RESPACK-82电阻1K515K147K168K191K1200K2电容100nF310uF30.1uF2