《数字电子技术》课程设计-智力竞赛抢答器.doc

数字电子技术课程设计说明书课题名称：智力竞赛抢答器 系 部： 电气与信息工程系 专 业： 电气自动化技术 班 级： 设 计 人： 学 号： 指导老师： 胡新晚 时 间： 2013年5月26日 前言关于这次设计的用于多人竞赛抢答的器件，在现实生活中很常见，尤其是在随着各种智益电视节目的不断发展，越来越多的竞赛抢答器被用在了其中，这种抢答器的好处是不仅能够锻炼参赛选手的反应能力，而且能增加节目现场的紧张、活跃气氛，让观众看得更有情趣。可见抢答器在现实生活中确实很实用，运用前景非抢答器的设计与制作智力竞赛是一种生动活泼的教育形式和方法，通过抢答和必答两种方式能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短时间内，使人们增加一些科学知识和生活常识。常广泛。在知识竞赛中，特别是做抢答题时，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要有一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，只靠人的视觉是很难判断出哪组先答题。这次设计就是用几个触发器以及三极管巧妙的设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计，以及它的实际用途。 目录前言1一 . 设计内容及要求31 . 基本功能32提高部分33 . 抢答器的组成框图4二 . 系统设计方案5三 . 电路工作原理61、抢答电路设计6 2、单元电路的设计.7 (1)、抢答器电路.7 (2)、编码电路.8 (3)、组别显示电路.9 (4)、倒计时电路.10 (5)、秒脉冲发生电路.11四 . 单元电路设计参数计算及元器件选择121 . CD4511122 . 74LS148133 . 74LS192144 . 74LS175155 . 555定时器16五 . 完整电路图18六 .PCB图19七 .需要的元器件清单：20八 .总结与体会21九 .参考文献23十 . 附录.23一 . 设计内容及要求该电路的根本任务时准确的判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可用触发器和锁存器等。在得到第一信号后应立即将电路的输入封锁，即使其他组再次发出抢答信号也无效。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。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，也可以用发光二级管直接指示出组别。 1 . 基本功能(1)抢答器同时供4名选手或4个代表队比赛，分别用4个按钮1 - 4表示。(2)设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。用来控制系统清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。(3)抢答器具有锁存与显示功能。即抢答开始后，选手按动按钮，锁存相应的编号，并在编号显示器上显示该编号,并点亮相应的LED灯，蜂鸣器工作。同时封锁输入编码电路，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除为止。 2提高部分（1）参赛选手在设定时间30秒倒计时抢答，抢答有效，当有选手抢答，计时停止。（2）在选手没抢答的情况下，蜂鸣器响提醒所有人还有10秒抢答时间 3 . 抢答器的组成框图定时抢答器的总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。图1所示的定时抢答器的工作过程是：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，却没有选手抢答时，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抢答键时，抢答器要完成以下四项工作： 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； 扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意； 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； 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。当选手将问题回答完毕，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 二 . 系统设计方案以下设计的是智力抢答器的方案流程图2：图2 智力竞赛抢答器流程图抢答器主要是由一个74LS175 、五个微动开关、四个发光二极管加电阻、和四个非门以及两个四输入或非门构成，其中一个微动开关是与主持人一起配合使用，用来控制是否开始抢答，当主持人将开关按下时，CLR为低电平，当有选手抢答时就通过非门将信号传送给175，175在将信号传送给或非门并将其他选手锁存，同时将信号送给发光二极管与喇叭。其工作原理是当主持人按下抢答开关时，选手能进行抢答。当有选手抢时，抢答信号就通过非门传入175中，并且最先收到抢答信息175送出一个反馈信号将其余三位选手的信号封锁。三 . 电路工作原理 1、抢答电路设计 如图1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“开始”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人将复位开关按下定时器显示设定时间，松开开关并宣布“开始”抢答器工作。定时器倒计时。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“复位”状态开关。图 1 数字抢答器框图2、单元电路设计 (1) 、抢答器电路参考电路如下图所示、74LS175真值表。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：按下“复位”按钮，D触发器的输出端都为，反向输出端都为1，175为工作状态，此时四个LED灯都不发光，当有人抢答时，对应的LED灯发光，蜂鸣器响。清零时钟输入输出工作模式CP1D2D3D4D1Q2Q3Q4Q00000异步清零11D2D3D4D1D2D3D4D数码寄存11保持数据保持10保持数据保持 74LS175功能表（2）、编码电路 电路如下图、74LS148真值表，该电路实现的是将D触发器的四个反向输出端与编码器148的1、2、3、4的四个输入端相连，对反向端的输出进行编码，然后经过非门，得到三位二进制数；当按下键1时，编码器相应输入为11111101，输出为110，经过非门得到001 74LS148真值表（3）、组别显示电路电路如图5、CD4511真值表；该电路为LED 7段显示译码电路，将编码电路的输出值送人CD4511译码芯片中作为输入信号，当没键按下时，译码芯片相当于输入0000，输出abcdefg为1111110。当键1按下时，输入0001，输出abcdefg为0110000显示就为1 输 入输 出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐0111111000000消隐111XXXX锁 存 锁存（4）、倒计时电路电路图如下图所示，该电路为30秒倒计时电路；可实现30秒倒计时、10秒倒计时报警、抢答暂停等功能。当主持人波动开始键时，电路进入准备状态，再按下复位键数码管显示预置数30秒，松手后电路进入30秒倒计时工作状态，此时如果有人抢答电路暂停，显示剩余时间，如没人抢答倒计时进入10秒时报警 输入 输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011 加计数011 减计数 74LS192功能表（5）、秒脉冲发生电路 电路图如下，输出秒脉冲信号驱动倒计时电路工作 形成的秒脉冲波形四 、单元电路设计参数计算及元器件选择 1 、 CD4511芯片是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器，下面我就给大家介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料。（1）、CD4511引脚图（2）、 CD4511的工作原理锁存功能 ，译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。（3）译码 ，CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数 据B、C进行组合，得出、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。 （4）消隐 ，BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐控制电路。，消隐输出J的电平为 J= =（C+B）D+BI如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D据上式，当输入BCD代码从1010-1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。2 、八线-三线编码器74LS148 如图所示的是八线-三线编码器74148的惯用符号及管脚图引脚图。 74LS148工作原理如下： 该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。 当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。表明编码器处于工作状态，否则为1。由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。 从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，0。输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如5为0。且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理3 . 十进制可逆计数器74LS19274LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：74LS192具有下述功能： 异步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000 异步置数：CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0保持： CR=0，LD=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原态 加计数：CR=0, LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数 减计数：CR=0, LD=1，CPU=1，CPD= CP，Q3Q2Q1Q0按减法规律计数74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。 CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。 CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。 CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出 BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。4、 D触发器74LS175 74LS175的相应逻辑电路图和功能表如下图触发器特点： 8位串行输入，8位串行或并行输出，存储状态寄存器，三种状态，输出寄存器可以直接清除，100MHz的移位频率输出能力，并行输出，总线驱动串行输出；标准中等规模集成电路应用工作原理： 数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。5 . 555定时器 555定时器，它基本原理是，由于电容C的两端的电压不能突变，定时器的2端电压低触发端为低电平，输出端3为高电平。电源经过R1、R2给电容C充电，当电容的电压充到电源电压的2/3时，555内部的MOS管导通，输出为低电平。接着电容通过R2和已经导通的MOS管放电，当电容的两端电压下降到低于1/3的电源电压时，MOS管截止电容放电停止，此时电源通过R1、R2再次向电容充电，如此反复，形成震荡，从而在3端得到时钟脉冲源输出，根据公式：周期T=（R1+2R2）Cln2=0.7（R1+2R2）C 。定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。当VI12/3Vcc，VI21/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。当VI12/3Vcc，VI21/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。当VI11/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。输入输出阀值输入（VI1）R出发输入（VI2）S复位（Rd）输出（Vo ）放电管T00导通2/3Vcc12/3Vcc01/3Vcc110导通1/3Vcc11不变不变 五、整体电路图六 .PCB图七 .需要的元器件清单： 序号品名型号/规格数量配件图号实测情况1数字集成电路74LS17512数字集成电路74LS0423数字集成电路74LS2034数字集成电路555定时器15数字集成电路74LS19226数字集成电路74LS14817数字集成电路CD451138发光二极管BS20558按键SW510碳膜电阻1k411碳膜电阻470612瓷片电容0.01u113蜂鸣器BUZZER214六脚开关115拨动开关116三极管NPN217电解电容1000u118一位数码管共阴级3八 . 总结与体会通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和PCB连接图，和芯片上的选择。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。 我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。 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，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个课程设计对我们的作用是非常大的。 经过对课程设计的制作，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过动手制作，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋； 正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决