多路数字定时抢答器设计仿真与制作

1、 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书学号：课 程 设 计题学专班姓目院业级多路数字定时抢答器设计仿真与制作名指导教师 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书2015 年 7 月 11 日 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：指导教师：专业班级：工作单位：目:多路数字定时抢答器设计仿真与制作题初始条件：本课程设计，要求用集成电路：74LSl48，74LS279，74LS48，74LSl92，NE555，74LS00，74LSl21 和其它器件等，实现八路定时抢答功能。用蜂鸣器作声电器件，工作电源Vcc 为+5V。要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及

2、其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：1 周内完成对多路数字定时抢答器的设计、仿真、装配与调试。2、技术要求： 可同时供 8 名选手（或代表队）参赛，其编号分别是 0 到 7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应。给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯)和抢答的开始。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，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。抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设

3、定(如 30 秒)。当主持人启动“开始”键后，要求定时器立即进行减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间 05 秒左右。参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止；如果定时抢答的时间已到，而没有选手抢答时，本次抢答无效，系统进行短暂的报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示 00。确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。3、查阅至少 5 篇参考文献。按武汉理工大

4、学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用 A4 纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：1） 第 1-2 天，查阅相关资料，学习设计原理。2） 第 3-4 天， 方案选择和电路设计仿真。3） 第 4-5 天， 电路调试和设计说明书撰写。4） 第 6 天，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书指导教师签名年月月日日系主任（或责任教师）签名：年 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书目录目录.1摘要.2多路数字定时抢答器.3一、多路数字定时抢答器电路设计.31.1 抢答器的功能要求.31.2 抢答器的组成结构.4二、原理电路设计.52.1 抢答电路设计

5、.52.2 秒脉冲电路设计.102.3 定时电路设计.122.4 报警电路设计.142.5 整体电路设计.15三、 仿真软件 Proteus.183.1 Proteus 的简介.181 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书3.2 Proteus 功能特点.18四、 课程设计小结.19参考文献.20附录一：元器件清单.20附录二：实物图.23本科生课程设计成绩评定表.24摘要多路数字定时抢答器设计仿真与制作是基于 74LSl48、74LS373、74LS48、74LSl92、NE555、74LS04、74LSl21、7 段数码管设计的。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能

6、。主持人通过时间预设开关预设抢答时间，系统将自动倒计时，8 位选手可以进行抢答。若规定时间内有选手抢答则数码管显示编号且计时停止，再抢答无效；若规定时间内无人抢答，蜂鸣报警器响起，提示本轮抢答无效，实现报警功能。抢答器的抢答按键是由八个开关组模拟，经过 74LS148 编码器、74LS373 锁存器、74LS48译码器和 7 段数码管实现，倒计时功能所用的时钟信号是由 555 振荡器改造的多谐振荡器输出的，输出的信号与两个 74LS192 相连，通过置数功能调整倒计时周期，与 74LS192 相连的是 74LS48 译码器和 7 段数码管。整个电路由一个电源和一个单刀双掷开关控制的，扮演了裁判

7、的角色。2 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书关键词：八路、抢答器、定时、倒计时、报警器多路数字定时抢答器一、多路数字定时抢答器电路设计1.1 抢答器的功能要求1.设计一个多路数字定时抢答器，可同时供 8 人或 8 队参加比赛，它们的编号分别是 0，1，2，3，4，5，6，7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是 S0, S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 。2.给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。3 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书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

8、，编号立即锁存，并在 LED 数码管上显示出选手的编号，同时蜂鸣报警器发声提示。此外要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。4.抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可由主持人设定（如 30s)。当节目主持人按下“开始”按钮后，要求定时器立即开始倒计时，并在数码管上显示。5.参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，数码管显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。6.如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示“00”。1.2 抢答器的组

9、成结构抢答器的总电路框图如图 1 所示，由主体电路和拓展电路两部分组成，主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答按钮时，能显示选手的编号，能同时封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。如图所示定时抢答电路的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止功能工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器上显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时控制开关拨到“开始”的位置，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。定时器时间到，却没有选手抢答时，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抢答按钮时，抢答器要完成

10、以下三项工作：1.优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；2.控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；4 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书3.控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。当选手回答问题完毕时，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。图1 总电路框图二、原理电路设计2.1 抢答电路设计抢答电路的功能有两个：一是能分辨选手按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按按钮操作无效。选用优先编码器 74LS148 和

11、八 D锁存器 74LS373、74LS48 译码器与共阴极数码管等实现该电路，如图 2 所示。5 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书图 2 抢答电路仿真图及原理图工作原理：一开始，主持人开关 S 置于 0，E0 与开关信号经过异或门连接 74LS373 的使能端 LE 使 74LS373 处于锁存状态，抢答无效。当主持人将开关置于 1，74LS373 使能，当任意一个选手按下抢答按钮后，73LS373 开始工作，与相应输入的输出端口被置低电平，低电平经过 74LS148 编码后输出的是一组与输入对应的三位二进制数，反相后经过译码显示电路将对应的编号显示出来。由于此时 74LS148 工作，

12、根据其功能表可知其 E0 输出高6 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书电平，与开关信号经过异或门后锁存抢答信号，此时由于 EO 与开关信号同为高电平，因此使 LE=0，再次将 74LS373 锁存，即使其他选手再按动按钮，也不会再有输出。这样，一轮抢答完成，当主持人将开关置于 0 时，74LS373 输出全为 1，EO=0，使数码管灯全灭，并且 74LS373 进入锁存状态。等待下一轮抢答的开始。使用的优先编码器 74LS148 和八 D 锁存器 74LS373、74LS48 译码器与共阴极数码管的引脚图和功能表如下所示：（1）优先编码器 74LS148 的引脚图和功能表74LS148 是

13、八线-三线优先编码器，该编码器由 8 个信号输入端，3 个二进制输出端，输入输出均为低电平有效。EI 为输入使能端，低电平有效，当EI 为低电平时，编码器处于工作状态；EO 为输出使能端，只有在 EI=0，且所有输入都为 1 时，输出为 0；GS 表征编码器的工作状态，当且仅当 EI 为低电平，且输入至少有一各为有效电平时，GS 才有效。因此，可根据 EI、EO、GS 功能扩展端的特点，对电路进行相应控制。编码器在抢答电路中功能是判断抢答者的编号。它的引脚图如图 3 所示，功能表如表 1 所示。图3 74LS148 引脚图7 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书表1 74LS148 功能表（

14、2）八 D 锁存器 74LS373 的引脚图和功能表74LS373 是常用的八 D 锁存器，它的引脚图如图 4 所示，功能表如表 2 所示。由功能表可以看出锁存端 LE 由高变低时，输出端 8 位信息被锁存，直到 LE 端再次有效。 当三态门使能信号 OE 为低电平时，三态门导通，允许O O 输出，OE 为高电平时，07输出悬空。当 74LS373 用作地址锁存器时，应使 OE 为低电平，此时锁存使能端 C 为高电平时，输出 O O 状态与输入端 D D 状态相同；当 C 发生负的跳变时，输入端 D D 数701717据锁入 O O 。708 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书图4 74L

15、S373 引脚图表2 74LS373 功能表（3）74LS48 译码器的引脚图七段显示译码器74LS48输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。BI /RBO 为消隐输入端（低电平有效）/脉冲消隐输出端（低电平有效），LT 为灯测试输入端（低电平有效），RBI 为脉冲消隐输入端（低电平有效），当BI =0时，ag全为0.数码管显示全灭。引脚图如图5所示。图5 74LS48 引脚图（4）共阴极数码管的引脚图9 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书共阴数码管由 74LS48 译码器输出高电平驱动，以显示已抢答选手的编号。引脚图如图 6 所示。图 5 共阴数码管引脚图2.2 秒脉冲电路设计设计一个秒

16、脉冲电路为下面的定时电路提供 CP 脉冲，使用的是 NE555 制作脉冲产生电路，如图 6 所示为用 NE555 设计的秒脉冲产生电路，图 7 为用 Proteus 仿真出来的秒脉冲信号。定时电路的要求是需要产生周期为一秒 CP 脉冲信号，所以频率需要设计的是产生频率为 1Hz 。图中电容 C1 的充放电时间分别是：t1=(R5+R7)C3ln20.7(R5+R7)C3，t2=R7C3ln20.7R4C3所以 NE555 的 3 端输出的频率为：f=1/(t1+t2)1.43/(R5+2R7)C3所以可知应采用电阻和电容值分别为 :R5=15K，R7=64K，C3=10uf,满足上式，即得到的

17、是秒脉冲，该电路中，电容 C4 的作用是抗干扰。10 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书图 6 秒脉冲电路图11 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书图 7 产生秒脉冲信号仿真2.3 定时电路设计抢答过程中有时间限制，需设计倒计时电路即定时电路，选用十进制同步加 /减计数器 74LS192 进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供，倒计时电路的实现主要依靠74LS192 的减法计数功能，所需的 CP 脉冲信号由 555 振荡电路提供。74LS192 是具有置数和清零功能的同步十进制减计数器。74LS192 引脚图和功能表如图 8 和表 3，设计的定时电路如图 9。74LS192 芯片

18、P ，P ，P ，P 为预置数输入端，Q ，Q ，Q ，Q 为计数数据输出端，1TCD0123023为借位输出端（低电平有效），TC 为进位输出端（低电平有效）。U12 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书图8 74LS192 引脚图表3 74LS192 功能表图9 定时电路定时电路实现的基本功能：（1）主持人将控制开关拨到“开始”位置时，定时器电路进入正常抢答工作状态即开始进行倒计时。（2）当参赛选手按动抢答按钮时，定时器电路停止工作并且锁存抢答时刻剩余时间。13 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书（3）当设计的抢答时间到，无人抢答时，定时电路停止工作即显示 00。定时电路的工作原理：

19、74LS192 具有预置数功能，通过 74LS192 的置数端主持人根据需求将初始时间输入，抢答开始前开关 S 置低电位，74LS192 处于清零锁存状态，当主持人将开关置于高电平此时，由秒脉冲电路产生的秒脉冲信号进入 74LS192，使芯片由预置数进入减计数转态，若没有选手抢答，一直减计数，当计数至 00 时触发报警电路蜂鸣器产生报警信号，同时计数高位 TCD 由高电平变成低电平，阻止了秒脉冲信号进入计数器，计数器停止工作。若计时期间有人抢答，74LS11 的 4 输入由高电平变成低电平，同样使减计数器停止计时，显示器上显示此刻剩余时间。2.4 报警电路设计由于设计要求电路中添加报警电路，即

20、可用 NE555 驱动蜂鸣器发出警报。555 定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成单路，其应用极为广泛。集成单稳态触发器74LS121 的输入端接收到高电平时，会使其产生单个周期为 0.5S 的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了蜂鸣报警器发声提示的功能。555 芯片的引脚图如图 10，报警电路的设计电路图如图 11。图10 555 引脚图14 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书图 11 报警电路2.5 整体电路设计通过设计完成多路数字抢答器的仿真和制作，实现了 8 人抢答、主持人控制电路的正常工作、定时电路的定时功能、秒脉冲电路的产生脉冲信号功能、报警电路的报警功能、抢答后的锁存功

21、能等。先设计出各分电路图并使各部分功能可以单独实现，再通过使用仿真软件 Proteus 来进行整个电路的仿真，最后设计出总的电路图，并实现所要求设计的所有功能。设计的总电路图如图 12 所示。下面是多路数字抢答器功能的实现过程的描述及实现的原理和方式：15 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书8 个选手分别对应 8 个抢答按钮 S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是 0、1、2、3、4、5、6、7。主持人按下复位开始按键对整个电路进行“清零”，输出低电平，分为 3 路：一路低电平输出到计数器 74LS192 的PL 端，而 CR 端也是低电平，所以使得对应

22、显示器输出预置的数据；另一路与 74LS148 的 E0 端异或后变为高电平输出到 74LS373 的使能端 LE，此时锁存器不锁存数据，所以抢答部分数码管无显示即处于消隐状态，实现了清零，同时，EO 由高电平变成低电平，与清零端异或后输出 0，使 74LS373处于锁存状态；三是与集成单稳态触发器 74LS121 相连，因为是低电平所以没有报警信号。主持人通过时间预设开关预设抢答时间，此设定可以通过调节输入两片 74LS192 的四个输入端 P3、P2、P1、P0 的高低电平来进行（例如要设定时间为 20 秒,就将十位的 74LS192的 P3、P2、P1、P0 分别置位为 0、0、1、0，

23、而将各位的 74LS192 的 P3、P2、P1、P0 都置于 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，此高电平有三路方向：一路输出到集成单稳态触发器 74LS121 的输入端，使其产生单个周期为 0.5S 的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了蜂鸣报警器发声提示的功能；另一路输出到 74LS192 的 PL 端，使其处于高电平而根据秒脉冲电路信号开始减计数；还有一路与 EO 信号（此时为 0）异或后将高电平输入 LE 端，使八 D 锁存器 74LS373 处于传输状态，此时任何选手抢答有效。在抢答时间限制内，若有任何一位选手按键抢答时，八 D 锁存器 74

24、LS373 工作，与输入端相对应的输出端 Q Q 输出相对应的低电平，此时锁存器输出的八位电平经 83 八位0 7优先编码器 74LS148 编码输出的 A2A0 再经 74LS86 反相后成为与输入信号相对应的三位二进制码，此时将使得 74LS148 的管脚 15（E0）的输出由电低平变成高电平，输出到 74LS48的二进制码经 74LS48 译码后输出到七段共阴数码管上，数码管显示对应的选手编号。而此时，74LS48 的 EO 端输出为高电平，主持人控制的开关出也输出高电平，二者经过异或门后输出低电平，输出到锁存器 74LS373 的 LE 端，74LS373 的锁存端实现锁存功能，其他选

25、手若再按动对应按钮也无对应输出，即实现了抢答功能；74LS148 的 E0 段输出高电平输出到集成单稳态触发器 74LS121 的输入端，使其产生单个周期为 0.5S 的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了蜂鸣报警器发声提示的功能；74LS148 的端输出电平由高变GS低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为 0，使得计数器 74LS192 的 CP 端无脉冲输D16 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书入，计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能；若没有选手按动按钮，则 74LS373 输出全为高电平，74LS148 也输出高电平，E0 端输出低电平至

26、74LS48 的灭灯输入 RI/RBO 端，使得信号经 74LS48 到显示器上时无显示。若到定时部分计数器倒计时到 00 还无选手按动按钮的话，十位 74LS192 的借位输出端输出低电平，将此输出低电平输入到单稳态触发器 74LS121 的 B 端口，使其产生周期为0.5s 的脉冲使蜂鸣报警器发声提示，即实现无人抢答时抢答时间结束的提示功能。图 12 总电路图仿真图17 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书三、仿真软件 Proteus本次课程设计使用的仿真软件是 Proteus，它可以很好地将设计出来的电路仿真出来，方便于对设计的各部分功能及总电路功能的检验，并且成功的模拟出多路数字抢答

27、器的各种功能要求。在这次数电课设中，自学了 Proteus 并且使用 Proteus 进行设计的仿真，不仅学会了新的仿真软件的使用，而且还方便了课程设计的进行，自己在使用 Proteus 过程中虽然也会遇到问题，但是都能及时得以解决。下面对仿真软件 Proteus 进行简单介绍。3.1 Proteus 的简介Proteus 软件是英国 Lab Center Electronics 公司出版的 EDA 工具软件。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力

28、于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430等，2010 年又增加了 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 IAR、Keil 和 MATLAB 等多种编译器。3.2

29、Proteus 功能特点Proteus 软件具有其它 EDA 工具软件的功能。这些功能是：原理布图、PCB 自动或人工布18 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书线、SPICE 电路仿真。四、课程设计小结数字电子技术基础是非常重要的专业基础课，本次课程设计是在学完数字电子技术基础这门课程之后进行的，是对所学的理论知识的一次检测。本次课程设计不仅使自己对数字电子技术这门课程所学的的理论知识有更好的了解，而且也锻炼了自己对理论知识的应用能力，提高自己的设计能力，做到学以致用。本次课程设计的题目是多路数字抢答器的仿真设计和制作，需要实现 8 人抢答、定时、报警等功能，并运用各种芯片来实现电路的搭建

30、，运用仿真软件来仿真模拟抢答器的这些基本功能。在进行设计的过程中，首先要做的就是弄清楚课程设计的要求，认真分析各部分功能的实现要求及原理，要理清思路再进行各部分电路的搭建和实现，当每部分功能都得以实现后再将这些分电路合成整个总的电路，这样可以避免问题的出现，同时也方便于检查电路的问题。在焊接实物之前，应该先通过仿真软件进行仿真，当仿真成功即各部分功能都可以实现后再进行实物焊接。在完成本次课程设计的过程中，更好地了解了各种芯片的功能，并且根据各芯片的功能来设计所需的电路，利用各芯片的不同功能来完成整个电路的设计，同时也是对所学的数电的理论知识进行了很好的巩固，在设计过程中，遇到没学过的芯片就自己上网搜索并理解芯片功能，学到了很多新的东西。另外，还自学了仿真软件 Proteus 并用来完成电路的仿真，在运用的过程中虽然也会有不熟练的问题，但是还是很好地运用了 Proteus