课程设计八路抢答器设计报告.doc

华北科技学院课程设计八路竞赛抢答器设计报告目录一、设计任务和要求.2二、设计的方案的选择与论证.32.1系统设计思路.32.2系统设计的原理框图.32.3设计方案的可行性论证.4三、主要器件介绍.53.1 555定时器.53.2 主要芯片介绍.6四、单元电路设计、分析与仿真.84.1抢答判别和显示电路.84.2 定时抢答与六路彩灯循环电路.104.3报警电路.114.4 加减计分电路.124.5时序控制电路.13五、设计心得.15六、附录.16元器件明细表.16七、参考文献.17一、设计任务和要求1.1 设计目的（1）掌握抢答器电路的原理。（2）了解数字集成电路的使用方法。（3）进行电路设计，并学会运用protel等电路设计及仿真软件。（4）熟悉multisim的基本使用方法，并运用其进行电路的仿真。1.2 设计任务设计一个智力竞赛抢答器，可同时共8 名选手参加比赛，并具有定时抢答功能。1.3 设计要求1.3.1抢答器的基本功能（1）设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8 名选手或8个代表队参加比赛，他们的选号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，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s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8。（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）和抢答器的开始。（3）抢答器具有数据锁存和显示的功能。1.3.2抢答器的扩展功能（1）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定（如30 秒）。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用数码显示器及对应选手指示灯显示，同时扬声器发出短暂的声响。（2）参加选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上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。（3）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统发出持续报警声，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。（4）设计计分电路。每组在开始时预置成60分，抢答后主持人计分，答对一次加10分，答错一次减十分。（5）六路彩灯循环电路。主持人宣布抢答开始按下抢答开关后，六路循环彩灯依次闪亮，直到选手抢答成功或者抢答时间到为止。二、设计的方案的选择与论证2.1系统设计思路（1）本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可选择使用触发器或锁存器等。在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁，即使其他组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。（2）当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别，也可以用发光二极管直接指示出组别。（3）主持人宣布开始时，循环彩灯闪亮，当选手抢答成功后循环彩灯停止闪亮，选手开始回答问题，由主持人判断正误，正确加十分，错误减十分。（4）在主持人没有按下开始抢答按钮前，参赛者的抢答开关无效；当主持人按下开始抢答按钮后，开始进行30秒倒计时，此时，若有组别抢答，显示该组别并使抢答指示灯亮表示“已有人抢答”；当计时时间到，仍无组别抢答，则系统发出报警声表示“时间已到”，主持人清零后开始新一轮抢答。综上，该八路抢答器应包括以下几个部分：抢答判别和显示部分、定时部分、彩灯循环闪亮部分，加减计分部分，时序控制部分、报警部分。2.2系统设计的原理框图图2.1 设计原理框图2.3设计方案的可行性论证抢答器的工作过程是：接通电源后，节目主持人置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答节目后，发出“抢答开始”指令，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，定时器计时，彩灯循环电路开始工作。当计时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并锁存输入电路，禁止选手超时后抢答，同时彩灯循环电路停止工作。但选手在定时时间内按动抢答器时，抢答器要完成以下六项工作。（1) 首先把选手的编号锁存，然后优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，然后由译码显示电路显示编号。同时74ls373芯片将选手编号锁存，然后通过选手对应指示灯亮提示成功抢答的抢答者。（2）彩灯循环电路停止工作。（3) 扬声器发出短暂声响，提醒主持人注意。（4) 控制电路要对输入电路进行封锁，避免其他选手进行抢答。（5) 控制电路要使定时器停止个工作，时间显示器显示剩余的抢答时间，并保持到主持人系统清零为止。（6）当选手将问题回答完毕，主持人判断正误，正确给对应选手加十分，错误减十分。主持人操作控制开关，使系统恢复到禁止工作状态，以便进行下一轮的抢答。综上所述，此方案可实现设计任务的基本功能以及扩展功能，因此，此方案可行。三、主要器件介绍3.1 555定时器（1）电路组成及其引脚图3.1 555内部电路及其引脚图（2）555电路构成多谐振荡器图3.2 555构成多谐振荡器及其波形图振荡周期为 （3）555电路构成单稳态触发器 图3.3 555构成单稳态触发器及其波形图输出脉冲宽度 3.2 主要芯片介绍（1）74ls373图3.4 74ls373引脚图及其功能表（2）74ls279图3.5 74ls279引脚图及其功能表（3）74ls148图3.6 74ls148引脚图及其功能表（4）74ls192图3.7 74ls192引脚图及其功能表（5）74ls121 图3.8 74ls121引脚图及其功能表四、单元电路设计与仿真分析八路竞赛抢答器由抢答判别和显示电路、六路彩灯循环电路、定时抢答电路、加减计分电路、报警电路、时序控制电路组成，从而实现各个要求功能。具体设计如下： 4.1抢答判别和显示电路此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应发光二极管点亮和数码显示。使用优先编码器 74ls148，锁存器 74ls279和74ls373来完成。该电路主要完成两个功能：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（显示电路采用七段数字数码显示管），对应选手的指示灯亮；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效，所组成的电路图如下所示：图4.1抢答判别和显示电路这个电路的工作原理过程：当主持人控制开关s置于清零端时，rs触发器的r非端均为0，4个触发器输出（q4q1）全部置0，使74ls48的bi的非0，显示器灯灭；74ls148的选通输入端ei 的非=0，使之处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人把开关s置于开始时，优先编码器和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端的信号输入，当有选手将键按下时（如按下s5），四个rs触发器起到保持信号的作用，输入的信号进入74ls148，使74ls148的输出a2a1a0的非=010，gs的非=0，经rs 锁存后，ctr=1，bi 的非=1，74ls279 处于工作状态，q4q3q2=101,74ls48 处于工作状态，经74ls148 译码后，显示器显示为5。此外，ctr=1，使74ls148的ei 的非为高电平，74ls148处于禁止工作状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74ls148的gs的非为高电平， 但由于ctr 维持高电平不变，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以及抢答电路的准确性。另外，当主持人控制开关s 置于清零端时，锁存器74ls373的d1d8为高电位，由于oc的非端接地，锁存器允许控制eng为高电平，输出q1q8随d1d8的输入变化，即都为高电平，8个led灯均不亮；当开关s1s8有一个开关si按下时，在输入通道中则有一路di接地为低电平，对应的qi也为低电平，对应的led指示灯li发光，由此引起74ls373芯片的eng电位降低，输出被锁存（q不能随d再变化），也保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将开关重新置“清除”，电路复位，准备第二次抢答。用multisim仿真结果如下：ctr端的示波器波形：如下图，拨动开关后，ctr为零，有人抢答时，ctr上跳，主持人“清零”时，ctr下跳。 图4.2抢答判别和显示电路仿真分析4.2 定时抢答电路与六路彩灯循环电路由节目主持人根据抢答题的难易程度，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。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74ls192 进行设计，具体电路如下：图4.3定时抢答电路与六路彩灯循环电路该部分主要由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2个7段数码管即相关电路组成。完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，进行30s倒计时，到0s时倒计时指示灯灭。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。另外，当抢答开始时，主持人将开关置于开始位置，随着定时抢答电路倒计时的开始，六路彩灯循环电路开始工作，它由计数器和译码器组成，555组成的多谐振荡器输出脉冲，送入计数器74ls192中，再由译码器译码，驱动六个led灯依次闪亮 ，当有人抢答或者倒计时结束时，彩灯停止闪亮。用multisim仿真结果如下：图4.4 定时抢答电路与六路彩灯循环电路仿真分析4.3报警电路这部分电路我们是用由555定时器和三极管构成。报警电路如下图所示：图4.5 报警电路由555定时器和三极管构成报警电路。其中555构成多谐振荡器，振荡频率，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。控制输入信号为经过编码的抢答选手的信号，当主持人宣布抢答开始时，有人在有效时间内抢答时，定时时间到时无人抢答时，输入信号为高电平，报警电路发出报警信号；反之，输入信号为低电平时，报警器不工作。4.4时序控制电路时序控制电路是八路抢答器设计的关键，因为它要完成以下三项功能：（1）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。（2）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。（3）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。根据上面的功能要求以及抢答器电路，我们设计的时序控制电路如下：图4.6 时序控制电路电路图的工作原理是：主持人控制开关从清除位置拨到开始位置时，来自于抢答电路中的74ls279的输出ctr=0，经g3 反相，a1，则从555 输出端来的时钟信号cp 能够加到74ls192的up 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，来自于定时电路的74ls192的错位输入端bo2 的非=1，门g2 的输出ei 的非 =0，使 74ls148 处于正常工作状态，从而实现功能（1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，ctr1，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ei 的非 =1，74ls148 处于禁止工作状态，从而实现功能（2）的要求。当定时时间到时，来自74ls192 的bo2 的非=0，ei 的非 =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（3）的要求。同理，可分析设计将集成单稳触发器74ls121 用于控制报警电路及发声的时间。4.5加减计分电路加减计分电路实现的功能是，给每位选手预置分数为60分，当选手抢答成功并回答问题时，由主持人判断正误，正确加十分，错误减十分，比赛结束时，根据各选手的最后分数确定出选手的名次。其电路图设计如下：图4.7 加减计分电路该部分主要由三个十进制同步加减计数器74ls192组成。其工作原理是：开关j4是置数端，当按下此开关时，三个计数器的load端为低电平，处于置数状态，将抢答者的初始分数置为60；开关j1为清零端，当按下此开关时，抢答者的分数清零；开关j2为加分端，当按下此开关时，抢答者的分数加十分；开关j3为减分端，当按下此开关时，抢答者的分数减十分。用multisim仿真结果如下： 图4.8 加减计分电路仿真五、设计心得刚接到课设的题目时，我们就开始查找资料，阅读相关书籍，比较各种方案，最终选择了这种。我们认真分析原理，画部分电路图，一步一步的仿真，开始做的时候，遇到了很多问题，总是调试不成功，我们就认真找错误，修改电路的参数，耐心的解决每一个问题，当部分电路调试成功时，我们又把这些电路连成一个整体，经多次调试修改才得以成功实现它的功能，当时心里别提有多开心了。通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的。这次课程设计是我明白做任何事都得有耐心，只要按照总体思路一步步进行下去，我们就可以设计出合适的电路，千万不可以半途而废。然而团队合作是非常重要的，毕竟一个人