数学逻辑设计-四人智力竞赛抢答设计.docx

数字电路与逻辑设计题目名称：四人智力竞赛抢答设计学生学院：计算机科学与技术学院专业班级：计科15-2班学 号：20151544学生姓名：刘航征指导教师：杨树文2016年11月30日四人智力竞赛抢答器课程设计报告1、 设计题目 题目：四人智力竞赛抢答器 二、设计任务和要求 1）设计任务 设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢器。 用数字显示抢答倒 计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1秒。选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。 2）设计要求 (1)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。 (2)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。 (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，并在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。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（9秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续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，音响持续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。 (6)可用石英晶体振荡器或者555定时器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。3、 原理电路和程序设计1 数字抢答器总体方框图 如下图所示为总体方框图。电路主要由脉冲产生电路、锁存电路、编码及显示电路、倒计时电路和音响产生电路组成。当有选手抢答时，优先判断，编号锁存，阻止其他选手抢答，然后编码，再将数字显示在显示器上同时产生音响。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，而当主持人将开关置“开始”状态，即当主持人宣布开始抢答时，倒计时电路启动由9计到0，选手在定时时间内抢答，如有选手抢答，倒计时停止。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示零。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。2方案选择 方案一：电路大致可以由四个功能模块组成：以锁存器为中心的编码显示 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。在锁存器为中心的编码显示电路部分中，由锁存器74LS373，编码器74LS148，显示器和门电路组成。使用74LS373作为锁存电路，当有人抢答时， 利用锁存器的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1s，这时抢答无效，使用74LS148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入数码管里显示出抢答者的编号；在脉冲产生电路部分中，用555定时器予以实现，通过调节电阻的阻值最后得到符合要求的脉冲，因为可以通过改变电阻电容微调频率，取代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74LS190，显示器组成。利用74LS190计数器作为倒计时的芯片，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的选手编号的数码管清零，并开始倒计时，并通过74LS148编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间。假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，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，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。方案二：电路大致可以由四个功能模块组成：以锁存器为中心的编码显示 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。在锁存器为中心的编码显示电路部分中，由锁存器74LS373，编码器74LS148，显示器和门电路组成。使用74LS373作为锁存电路，当有人抢答时， 利用锁存器的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1s，这时抢答无效，使用74LS148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入数码管里显示出抢答者的编号；在脉冲产生电路部分中，用石英晶体振荡器予以实现，由于石英晶体的稳定性和精确性比较高，所以用其产生的脉冲信号更加稳定，同时在显示更能接近预定的值，受外界环境的干扰较少；在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS190，显示器组成。利用74LS190计数器作为倒计时的芯片，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的选手编号的数码管清零，并开始倒计时，并通过74LS148编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间。假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，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，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。 选择结果：方案一。原因：虽然用555定时器构成的多谐振荡器的稳 定性和精确性没有石英晶体振荡器高，但由于前者设计方便，操作简单，成为了设计时的首选。 3单元电路设计 1）以锁存器为中心的编码显示电路 该单元电路可以分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时显示器显示相应的编号，并且可以禁止其他选手抢答。电路原理：首先使锁存器74LS373的三态允许控制端OC为低电平, 即使其处于正常逻辑状态；当锁存允许端ENG为高电平时，Q随数据D而变，当ENG为低电平时Q被锁存在已建立的数据电平。当单刀双置开关置于“开始”端时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（假如四号手），即把单刀双置开关置于“清除”端时，触发器74LS373的数据输入端4D输入低电平，相应地，触发器的数据输出端4Q置。锁存器锁存四号选手的输入的信号，并且阻止其他选手信号的输入。同时使线线优先编码器74LS148的EI处于低电平，使之处于工作状态。低电平信号经由编码器74LS148编码成相对应的二制数，然后在显示器显示“4”，该抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。当74LS148的输入端EI =1时，使74LS148处于禁止状态，确保不会出现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开关重新置“清除”端后方可进行下一轮抢答。 锁存器74LS373的真值表如下：L-低电平；H-高电平；X-不定态；Q0-建立稳态前Q的电平； OE-使能端，接地。 当G=“1”时，74LS373输出端1Q-8Q与输入端1D-8D相同； 当G为下降沿时，将输入数据锁存。线线优先编码器74LS148的真值表如下：D0-D7是输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，EI是使能输入端，EO是使能输出端，GS为优先编码输出端。 当输入EI=1时，禁止编码，输出（反码）；A2,A1,A0全为1； 当输入EI=0时，允许编码，在D0-D7输入中，D7优先级最高，其余依此为D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0。 以锁存器为中心的编码显示电路如下：2）脉冲产生电路： 该单元电路由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器，产生所需要的脉冲。根据555多谐振荡器的频率计算公式： 2 ln)2(1 21CRRf+= 可以求得1hz的电路电阻均取470k，电容取10uf。 3）倒计时显示电路： 该电路采用十进制同步减计数器74LS190，主持人宣布开始时，按下按钮，同时使计数器置数为“9”，并在脉冲作用下开始倒计时并在显示器上显示，到零时停止。 计数器74LS90的真值表如下： 5）整个电路： 由以上几个单元电路就构成了所需功能的完整电路图如下：5电路元件选择：名称 型号 数量锁存器 74LS373 1个编码器 74LS1481个计数器 74LS1901个显示器 2个555定时器LM555CM2个2与门74LS083个4与门 74LS211个2或门74LS322个非门 74F04 5个电阻4个电容 4个单刀双置开关5个蜂鸣器1个4. 工作原理 抢答电路:当锁存器74LS373有信号输入时，通过与门74LS21将信号反馈回锁存器74LS373的使能端ENG,此时74LS3737立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，停止工作，这时抢答无效。同时将低电平信号反馈回74LS190的倒计时输入端，使其停止工作，保持剩余抢答时间。当倒计时为零时，通过或门74LS32将信号反馈回编码器74LS148的使能端ENG，此时编码器74LS148停止工作，禁止有选手超时抢答。停止倒计时，主持人通过单刀双置开关对锁存器74LS373和编码器74LS148的使能端的控制来清除锁存信号,从而使得抢答器继续工作。当无选手抢答时,倒计时直到倒计为零为止,此时到零点的信号反馈回编码器74LS148，使其停止工作,此时选手再抢答无效,只有当主持人清零后再置为开始状态,才可以继续抢答。然后使用74LS148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入数码管显示出抢答者的编号。 主持人电路：采用计数器74LS190作为倒计时的芯片，当主持人按下按钮时，将74LS190的load输入端先置为高电平，将其置为1001，再通过开关，将load输入端置为低电平，使其开始倒计时。当主持人按下开始按钮时,蜂鸣器响，选手开始抢答,并且倒计时开始倒计, 假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，其他选手抢答无效，蜂鸣器鸣叫一秒，数码管显示剩余时间和选手的编码。相反，假如在9秒内无人抢答时，倒计时数码管显示为0，蜂鸣器响，禁止选手抢答。只有主持人再置为开始状态时,才可以继续抢答,倒计时从新工作,进入下一轮抢答。五总结 对该电路总结如下： 优点：电路清晰，简单易懂，各功能模块基本上达到了要求，显示准确，反应灵敏，基本满足了四人智力竞赛抢答器的要求。 缺点：因为缺少某些芯片而