数字式竞赛抢答器 数电课程设计报告.doc

数电课程设计报告题目：数字式竞赛抢答器 学院：专业班级：姓名：学号指导老师： 2013 年5 月 20日1、 设计题目数字式竞赛抢答器2、设计要求1）给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。2）4名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。3）抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。4）抢答器具有定时（9秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响持续1秒。参赛选手在设定时间（9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响持续1秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时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。5）如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统扬声器报警（音响持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。3、 设计方案3.1 各功能方案选择抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用LED数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。抢答时间设定9秒，报警响声持续1秒。接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。1）抢答功能实现方案方案一：用一片四D触发器74LS175和四输入2或非门CD4002实现。四D触发器输出经四输入或非门到四路抢答按键开关，加到触发器的四个输入端，同时经四输入或非门和反相器作为四D触发器的时钟信号，四D触发器清零端经上拉电阻接电源，同时经过清零控制开关到地。电路简单成本低，稍加扩展就能达到实用化。方案二：用一片八线-三线八进制优先编码器74LS148、四SR触发器74LS279和七段译码器74LS48实现四路抢答功能。虽然方案一的电路简单能够满足要求，但是由于需要4个4D触发器，接线繁琐，增加了电路设计与仿真的难度；而方案二的电路较简单，更容易实现。所以我决定采用方案二。2） 定时功能实现方案方案一：采用555定时器。方案二：采用石英晶体振荡器。虽然采用石英晶体振荡器可产生高精度的秒脉冲，但因为方案一的555电路相对较简单，更容易实现，所以我决定采用方案一。3） 显示功能实现方案采用74LS48加上共阴极数码管比较容易实现。4）报警功能实现方案采用有源蜂鸣器，并与三极管、电阻、电解电容搭配比较简单。3.2 单元电路设计1） 整体电路流程图由电路流程图可以看出，数字抢答器电路主要分为三个部分：抢答电路、定时电路以及报警电路。2）抢答电路抢答器控制电路要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁定最先抢答者的编号，同时译码显示电路显示选手编号；二是要使其他选手随后的按键操作无效。工作原理：该抢答控制电路的工作原理为：当主持人控制开关处于“清除”时，D触发器的清零端为低电平，使D触发器被强制清零，输入的抢答信号无效。当主持人将开关拨到“开始”时，D触发器Q非端前一状态为高电平，四个Q非端与在一起为高电平，再和抢答按键信号和借位信号与在一起给D触发器的脉冲端，当没人抢答时，抢答信号为低电平，与门U11输出端为低电平给D触发器脉冲端，当一有人抢答时，抢答信号为高电平，并和U2的输出信号和借位信号与在一起，使得U11输出端为高电平给D触发器，于是D触发器就有一个上升沿，使得抢答信号经D触发器触发锁存再经过译码器74LS48译码，把相应的信号显示在数码管上。另外，当选手松开按键后，D触发器的Q非前一状态为低电平，与在一起后给与门U11,使得U11的输出端为低电平给D触发器，则D触发器的脉冲输入端恢复原来状态，从而使得其他选手按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性及抢答电路的准确性。当选手回答完毕，主持人控制开关S是抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。74LS148的真值表74LS279的真值表 74LS48的真值表 3）定时电路该部分主要由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1个共阴7段数码管即相关电路组成。工作原理：由555定时器产生时间基准信号秒脉冲。振荡周期为10秒脉冲信号经两级有预置功能的可逆十进制计数器74LS192对时钟信号进行计数，当计数到达预置的时间，计数器产生溢出而封锁计数脉冲，使计数器停止计数。数码管指示时间值。主持人通过按复位键来进行抢答倒计时。定时9秒，把74LS192对应的9，10，1，15四个端子预置为“1001”。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路555提供。当复位开关按下时，给74ls192一个低电平，从而开始倒计时，每来一个脉冲信号进行减计数一次。当有选手抢答或借位信号时，就使得74ls192的输入脉冲变成低电平，从而实现倒计时的停止。再按复位键时，再一次倒计时。74LS121的真值表74LS192的真值表74LS74的真值表3） 报警电路该电路主要由555时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。集成单稳态触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间，由于Proteus元件库缺少74LS12以用74121代替仿真。工作原理：单稳态触发器74121通过信号/Ys、BO2、S控制报警与否和报警时间，555时钟电路产生脉冲时钟。在规定的时间有人抢答时，/Ys由1跳变到0，74121有状态2，即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为 t秒，依据公式T=（R1+2R2）Cln2 可知当R1+2R2=100K+2*22K=144K欧姆时可得到周期为1秒的振荡信号。如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态1，Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为1秒。3.3 整体电路3.4 元件列表名称数量型号参数自锁开关1按钮开关5接线柱2跳线若干整流二极管11N4002三极管12N222PNP型电阻1010K*5、100K*2、510K、22K、10K瓷片电容110310nF电解电容310uF*2、100uF数码管2共阴蜂鸣器1有源555定时器174LS148174LS279174LS48274LS04174LS08174LS192174LS74 174LS10174LS12114、 电路仿真4.1 Proteus7软件仿真数据频道A接555定时器的第3个引脚即Q端，频道B接74LS148的第5个引脚即EI端，频道C接74LS192的第13个引脚即TCD端，频道D接74LS74的第5个引脚即Q端。1） 无抢答而超时的波形图2） 超时后抢答的波形图3）无超时成功抢答的波形图4）成功抢答后未复位就提前抢答的波形图4.2 Lochmaster4.0洞洞板排版布线软件仿实物焊接电路板图5、 总结分析1） 优点A. 与标准时钟相比计时准确，使用元件较少，电路不会太复杂。B.跳线横平竖直，并且全在非焊面，较美观。2） 不足A.焊工较差，跳线较多，检测出很多短路和虚焊的焊点，影响了整体电路性能。B.数字芯片主要为从旧板上拆下来的旧芯片，性能是否完好不明确，且LS和HC混用，发生了未知故障影响某些功能的实现，比如抢答后锁存编号不能完全实现。C.蜂鸣器不响，表面原因是芯片74LS121的Q和反Q输出端不能翻转，根本原因未知。3） 改进A. 可通过添加少量门控制电路来实现超时抢答报警功能和未计时即抢答报警功能。B. 可把74LS20 四输入二与非门替换为74LS10三输入三与非门，而74LS08二输入四与门的功能可使用多出来的一个与非门与74