智力竞赛抢答器设计.doc

数字电路课程设计-智力竞赛抢答器目 录摘要I1绪论11.1设计目的21.2设计要求与任务21.3设计思路22设计过程22.1方案论证22.2各功能电路分析和设计43系统的测试和结果74实验仪器及元器件清单85设计体会与建议95.1设计体会95.2对设计的建设9致谢10参考文献111绪论1.1设计目的（1）熟悉集成电路的引脚安排。（2）掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。（3）了解面包板结构及其接线方法。（4）了解智力竞赛抢答器的组成及工作原理。（5）熟悉智力竞赛抢答器的设计与制作。1.2 设计要求和任务（1）8名选手参加比赛，编号分别为S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，每人一个抢答按钮。（2）节目主持人用开关控制系统的清零和抢答开始。（3）抢答器具有锁存和显示第一个抢答者的编号并禁止其他选手抢答的功能。（4）抢答器在主持人启动后开始抢答，具有30s倒计时的功能，在30s内抢答有效，停止计时并显示抢答时刻。（5）30s内无人抢答时，本次抢答无效，并禁止选手抢答。1.3 设计思路（1）设计抢答器电路。（2）设计可预置时间的定时电路。（3）设计报警电路。 （4）设计时序控制电路。2设计过程 2.1方案论证数字抢答器总体方框图如图2.1所示。 图2.1数字抢答器总体框图它由两部分组成，即主体部分和扩展部分。主体电路完成基本的抢答功能；扩展电路完成扩展功能。 抢答过程：接通电源时，主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灯灭，定时显示器上显示设定时间，当主持人宣布题目后说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。当定时时间到，却没有选手抢答，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动按钮时，抢答器要完成以下工作：优先编电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后直接在BCD数码管上显示编号；扬声器发出短暂声响，提醒主持人注意； 控制电路对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；控制电路要使定时器停止工作，时间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。选手回答完毕时，主持人操作开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。抢答过程流程图如下图2.2所示：图2.2 抢答过程流程图2.2各功能电路分析和设计1.抢答器电路如图2.3所示。 图2.3抢答器电路该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。工作过程：开关S置于“清除”端时，RS触发器的端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的0，使之处于工作状态。当开关S置于“开始” 时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，1Q=1，=1，74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经译码显示为“5”。此外，1Q，使74LS148，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1Q，使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S开关重新置于“清除”然后再进行下一轮抢答。 2.定时电路如图2.4所示。图 2.4 可预置时间的定时电路原理及设计：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2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图4所示。两块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。74LS192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度，本次设计为30s。设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，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，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。下面具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。图中电容C的放电时间和充电时间分别为： （2-1） （2-2）于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为 （2-2）结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得，即秒脉冲。3.报警电路如图2.5所示。图2.5报警电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图5所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo1.43/（RI2R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。4.时序控制电路如图2.6所示。a）抢答与定时电路的时序控制电路 b）报警电路的时序控制电路图2.6时序控制电路 时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能： 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。 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。 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。图中，门G1 的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端。图6的工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自图 2中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则“定时到信号”为 1，门G2的输出=0，使 74LS148处于正常工作状态，从而实现功能的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q1，经 G3反相， A0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能的要求。当定时时间到时，则“定时到信号”为0，=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关门状态，封锁 CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。3系统调试与结果（1）组装调试抢答器电路。（2）可预置时间的定时电路，并进行组装和调试。当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行减计时，当减计时到零时，能输出低电平有效的定时时间到信号。（3）调试报警电路。 （4）定时抢答器的联调，注意各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。4主要仪器与设备设计过程中用到的器件如下表4.1所示：表4.1器件与设备序号编号名称数量说明174LS192十进制可逆计数器2片工作电压5V2NE555单稳态触发器2片工作电压5V374LS48七路显示译码器3片工作电压5V474LS148优先编码器1片工作电压5V574LS279触发器1片工作电压5V674LS121非重触发单稳态触发器1片工作电压5V77400与非门1片工作电压5V87408与门1片工作电压5V97404反向器1片工作电压5V109013三极管1个11R3、R4510电阻3只12R268k电阻2只13R115k电阻 2只14R6100k电阻1只15R51k电阻2只16R710k电阻10只17C10.1uF2只18C10uF1只19C2100uF1只20Speaker蜂鸣器1只8，6V21SW弹片开关9只22单刀双置开关9只23LED发光二极管2只24DPY_7-SEG共阴极七段数码显示管3片5设计体会与建议 5.1设计体会通过这次对数字抢答器的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于抢答器的基本原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。5.2对设计的建议我希望老师在我们动手制作之前应先告诉我们一些关于所做电路的资料、原理，以及如何检测电路的方法，还有关于检测芯片的方法。这样会有助于我们进一步的进入状态，完成设计。致谢 在此次设计中，我得到过老师和同学的帮助与支持。尤其是我的指导老师。在他紧张而又繁忙的工作之中，还要抽出一定的时间为我们申报设计课题，并且不断的为我进行指导，也正是有罗老师的耐心指导，我此次的设计才能够顺利并按时的完成，在这里我深深的对他表示感谢。在这里请接受我诚挚的谢意！谢谢您们！参考文献1 阎石. 数字电子技术基础. 北京：高等