8位智力抢答器.docx

第1章 概述8位智力抢答器 在现代社会中，智力竞赛正在逐步成为一种生动的教育方式，而抢答就是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。抢答能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们迅速增加一些科学知识和生活常识。但是，在这类比赛中，对于谁先谁后抢答，在何时抢答，抢答是否有效，如何计算答题时间等问题，若是仅凭主持人的主观判断，就很容易出现误判。所以，我们就需要一种具备自动锁存、启动、复位、显示抢答相关信息、判断抢答是否有效等功能智能抢答器来解决这些问题。在本次课程设计中，我们主要设计了一个供八人使用的数字定时抢答器。它主要实现以下功能：1.为8位参赛选手各提供一个抢答按钮，分别编号Key1、Key2、Key3、 Key4、Key5、Key6、Key7、Key8。2.主持人可以对抢答器进行复位以及发出抢答开始的信号。3.抢答器要有数据锁存与显示的功能。当主持人按下“复位”键后，无论是发出抢答信号，无论抢答是否超时，只要有任何一名选手按动抢答按钮，则要显示其编号直至持人再次按下“复位”键，并且扬声器发生相应的提示，同时红绿指示灯亮起，表示抢答是否有效，此时其他人再按对应按钮无效。4.抢答器要有自动定时功能。一次抢答时间由电路中的电容和电阻共同决定（本次设计使用10k电阻和470f电容，使得一次抢答时间在5秒左右）。当主持人按下“启动”键后，集成555定时器自动计时。5.抢答器要有判断抢答是否有效的功能。参赛选手只有在设定时间内抢答方为有效抢答。若抢答有效，则定时器停止工作，直至主持人再次按下“复位”键，同时数码管显示抢答者的号码，扬声器发出短提示，绿色指示灯亮起一段时间，表示抢答有效。若选手抢答时已经超出了设定时间，则扬声器会一直发出报警声，同时数码管显示抢答者的号码，红色指示灯亮起，表示抢答无效。若有选手在主持人按下“启动”键之前进行了抢答，则扬声器会一直发出报警声，同时数码管显示抢答者的号码，红色指示灯亮起，表示该选手抢答犯规。优先编码电路、锁存器、译码电路的作用是将参赛队的输入信号在数码管上输出，即显示抢答者的号码。555定时器的作用是设定抢答器的抢答时间，其中电阻和电容也可换成可变电阻和可变电容，以方便调节抢答时间的长短。以上电路便可构成抢答器的基础部分。另外，本次课程设计还采用了红绿指示灯、扬声器、JK触发器以及各种必要的逻辑门构成了外部扩展电路，来实现抢答的有效性，报警提示等附加功能使抢答器的功能更加完全和人性化。利用本次设计出的电路制造成的定时抢答器，即可轻松实现在8人或8个代表队之间进行的抢答比赛中进行控制，使得这一活动更加趣味、公平。第2章 课程设计任务及要求2.1 设计任务一、设计目的1. 进一步熟悉中、小规模数字集成电路的工作原理及使用方法。2. 掌握数字式抢答器的设计、组装与调试方法。二、设计内容电路上电后在抢答前，由主持人进行系统复位，确定抢答允许时间。主持人发出抢答命令同时按下启动定时开关。抢答者听到抢答开始命令后，通过各自的按钮开关输入抢答信号。数字抢答器具有数字显示抢答者序号功能。同时配有声、光报警，并且有抢答序号锁定功能。对犯规抢答者（包括提前抢答和超时抢答）除有声、光报警外，还有显示抢答犯规者序号功能。2.2 设计要求完成原理图设计、模拟仿真，按要求完成设计报告。1.理论设计部分独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行方案论证，确定设计方案。画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。2.模拟仿真根据理论设计用multisim 7在计算机上进行仿真。验证所设计方案的正确性。分析电路的工作原理，写出仿真报告。3.安装调试部分实现给定的数字式抢答器，进行单元测试和系统调试。若系统出现故障，排除系统故障，分析并记录系统产生故障的原因，并将此部分内容写在报告中。4.写出课程设计总结报告第3章 系统设计3.1 方案论证本次课程设计是基于我们的数字电子技术理论课来进行操作的，也涉及了一些我们写没有见过的电路元件。另外，我们所设计的抢答器应该具有普遍适用性和经济性。总之，对于本次课程设计的整体电路，我们应该从经济性、实用性和设计意义等方面来进行方案论证。首先，从经济性方面来看，本次设计的数字抢答器，主体电路是由功能部件或单元电路组成的。所以在设计这些电路或选择部件时，尽量选择同类型的部件，比如所有的功能部件都选择TTL集成电路或都采用CMOS集成电路，另外整个系统所使用的部件应该尽可能少。具体来说，本次课程设计选取了众多的74系列芯片，既有简单的门电路，如74LS00与非门，74LS08与门和74LS32或门等等，也有复杂一点的中等规模集成电路，如74LS373地址锁存器，74LS148优先编码器等。这些芯片与CD系列、MAX系列等等相比，在能满足需要的同时，却便宜许多。其次，从实用性来看，本次设计完全起到了一个八人抢答器所应具备的所有功能，同时做适当处理后也可适用于八人以下的比赛。完全适用于学校、工厂以及电视台等机构举办的各种智力抢答竞赛中。例如，我们需要一种具备自动锁存，启动，复位，显示抢答相关信息，判断抢答是否有效等功能智能抢答器。要实现这些功能，就要使用一些必要的芯片和电路元件。拿555定时器来说，因为数字抢答器对振荡器的要求非常高，所以我们没有使用普通的逻辑门和RC电路组成的定时器，而是选择了集成定时器，使定时更加准确。如果外部使用可变电阻和可变电容，还可以对时间进行手动调节，增加了实用性。在电路的显示和报警部分，我们也利用了红绿指示灯的显示和扬声器发出时间的长短来判断抢答者抢答的有效性，利用扬声器发出时间的长短来提示大家有人进行了抢答。再次，从设计意义上来看，本次设计对于锻炼我们的水平，提高我的动手能力有很大的作用。本次设计用到的74系列芯片和其它电路元件大多数都在我们的逻辑与数字系统设计一书中学到，对电路的一些基本操作在以前的小型数字电子实验中遇到过，增加了本次设计的趣味性与实用性，同时，对于巩固我们在课堂所学到的知识具有重要意义。3.2 系统设计3.2.1 结构及框图说明设计八路数字定时抢答器，可以用以下方案进行。我们可以将八路抢答开关与锁存器相连，使得输入锁存器的直接是各位选手的高低电平，而非BCD码。然后经过优先编码电路、译码电路后显示在LED数码管上；同时，由主持人控制开关以及其他部分的线路通过门电路实现对抢答电路和定时电路的控制。本种方案的设计框图如图3-1所示：图3-1 方案设计框图3.2.2 系统原理图及工作原理数字抢答器由抢答部分电路、定时部分电路、报警电路、显示电路、红绿指示灯几部分组成。其系统原理图如图3-2所示图3-2 数字抢答器系统原理图抢答部分电路完成基本的抢答功能，即抢答开始后，抢答者按动抢答按钮，通过编码电路，锁存电路和显示电路显示优先抢答者编号，同时封锁输入电路，禁止其他选手抢答。定时部分电路：主持人根据抢答题或回答问题所需时间，通过预置时间电路对计数器进行预置（通过调节电阻和电容的大小）。控制报警部分：节目主持人宣布完考题后，按下“启动”键，计时开始，同时通过控制电路允许抢答部分工作。一旦抢答者按动抢答按钮，说明已有抢答者来回答问题，系统通过控制电路来封锁抢答电路，不允许其他抢答者的序号通过，同时报警电路发出报警，指示灯亮起。节目主持人通过“复位”按钮可将计时电路恢复初始状态并可解除报警。总体来说，数字抢答器的工作原理为：接通电源后，节目主持人按下“复位”键，抢答器处于禁止抢答状态，显示器和红绿指示灯均熄灭，扬声器不发出报警声。当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时按下“启动”键，定时器倒计时，报警电路处于工作状态。当定时时间到，有选手超时抢答时，系统报警，红灯亮起，并封锁输入电路，禁止其他选手抢答。 当选手在定时时间内按动抢答键位进行抢答时，抢答器要完成以下四项工作：1.优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由所存器进行锁存，然后译码显示电路显示编号。2.扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意。3.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.使定时器停止工作，并保持到主持人将系统复位为止。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。此外，当选手在主持人按下“启动”键之前就进行了抢答，说明该选手抢答犯规，此时系统报警，红灯亮起，并封锁输入电路，禁止其他选手抢答。3.3 单元电路设计3.3.1 单元电路工作原理数码管显示部分：一、74LS373地址锁存器74LS373是八D锁存器(三态)。一个封装中有八个锁存器,三态总线驱动输出,置数全并行存取,缓冲控制输入,时钟/使能输入有改善抗扰度的滞后作用。74LS373的内部构造图和引脚功能图如图3-3和3-4所示。图3-3 74LS373内部构造图图3-4 74LS373引脚功能图1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态.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Q0Q7输出，OE为高电平时，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Q0Q7 状态与输入端D1D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0D7 数据锁入Q0Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。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Q0Q7 状态与输入端D1D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0D7 数据锁入Q0Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。其中输入端1D8D接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。二、74LS148优先编码器编码器的逻辑功能是将输入信号中的一个有效信号变换成相应的一组二进制代码输出,编码器实现“一对多”译码 。编码器在同一时刻内只允许对一个信号进行编码，否则输出的代码会发生混乱。普通编码器同时按下两个或更多个按键时，输出将混乱，而在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上编码信号。不过在设计优先编码器时已经将所有的输入信号按优先顺序排了队，当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个信号进行编码。74LS148为8线3线优先编码器，即8个信号输入端，3个信号输出端。此外，还设置了输入使能端，输出使能端和优先编码工作状态标志。74LS148的内部构造图和引脚功能图如图3-5和3-6所示。图3-5 74LS148内部构造图 图3-6 74LS148引脚功能图编码数据输入端： 、共8线，优先级最高, 优先级最低。输入使能端：当=0时，编码器工作。编码数据输出端：、 组成三位二进制译码输出。输出使能端：当=0，且无有效信号输入时，=0。优先编码输出端 ：当=0且有信号输入时, =0。功能说明：芯片74LS148的输入端和输出端均为低电平有效。图4是其功能简图，图中电源和地未画， 是输入信号，为三位二进制编码输出信号。为输入使能端，当0时，允许编码器进行编码；当1时，编码器禁止编码。是输出使能端，只有当0，而均无编码输入信号时为0。为优先编码输出端，在0而其中之一有信号输入时，0。各输入端的优先顺序为：级别最高，级别最低。如果0（有信号），则其它输入端即使有信号输入，均不起作用，此时输出只按编码，000。优先编码被广泛应用于计算机控制系统中，当有多个外设申请中断时，优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。 表3.1 74LS148 8线3线优先编码真值表输 入 输 出 1 X X X X X X X X 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 X X X X X X X 0 0 0 0 0 1 0 X X X X X X 0 1 0 0 1 0 1 0 X X X X X 0 1 1 0 1 0 0 1 0 X X X X 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 X X X 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 X X 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 三、CD4511七段译码器CD4511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，特点是具有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。CD4511引脚功能图如图3-7所示其功能介绍如下：BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何， 图3-7 CD4511引脚功能图 七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。四、七段共阴极LED数码管表3.2 七段显示译码器74LS48的功能表十进制数 A3A2A1A0abcdefg 说明 0 1 1 1 1 1 1 1 1 测试灯 0 0 0 0 0 0 0 0 熄灭 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 灭0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 显示0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 显示1 2 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 显示2 3 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 显示3 4 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 显示4 5 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 显示5 6 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 显示6 7 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 显示7 8 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 显示8 9 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 显示9 10 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 无效 11 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 无效 12 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 无效 13 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 无效 14 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 无效 15 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 无效 七段共阴极LED数码管的功能：1.正常译码显示。=1， =1时，对输入为十进制数l15的二进制码（00011111）进行译码，产生对应的七段显示码。2.灭零。当=1，而输入为0的二进制码0000时，只有当=1时，才产生0的七段显示码,如果此时输入=0 ，则译码器的ag输出全0，使显示器全灭，所以称为灭零输入端。3.试灯。当=0时，无论输入怎样，ag输出全1，数码管七段全亮。由此可以检测显示器七个发光段的好坏。 称为试灯输入端。4.特殊控制端。可以作为输入端，也可以作为输出端。 作输入使用时，如果=0时，不管其他输入端为何值，ag均输出0，显示器全灭。因此称为灭灯输入端。 作输出端使用时，受控于。当=0，输入为0的二进制码0000时，=0，用以指示该片正处于灭零状态。所以，又称为灭零输出端。在这里，我们选用与74LS48对应的共阴极七段数码显示器。74LS48译码驱动器的输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。图10（a）是共阴式LED数码管的原理图，使用时，共阴极接地，7个阳极ag由相应的BCD七段译码器来驱动，如图3-8所示 图3-8-1 七段LED数码管图3-8-2 七段译码器 表3.3 共阴极数码显示器的功能表十进制 D C B A a b c d e f g 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 2 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 3 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 4 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 6 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 7 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 8 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 9 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 定时器部分：集成555定时器在本设计电路中，要进行准确计时，就必须为定时部分电路提供一个精确的输入脉冲。为了使数码显示器上显示的时间递减周期与日常时间对应，我们在此设计一个能够产生周期为1.0秒的秒脉冲电路，作为定时部分电路的脉冲。为此，选用555定时器秒脉冲产生电路。集成定时器电路习惯上称为555电路,这是因为内部参考电压使用了3个5K的电阻分压,故取此名。555电路是一种数字和模拟混合型的中规模集成电路,它能产生时间延迟和多种脉冲信号,应用十分广泛。555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的单稳态电路 、多谐振荡器、施密特触发器等。图13为555定时器内部结构的简化原理图，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电管T以及缓冲器G组成。集成555定时器的内部结构简化原理图如图3-9所示图3-9 555定时器内部结构简化原理图555定时器的逻辑功能可理解为：由输入决定两个比较器的输出从而决定RS触发器的输出。 1.当复位端Rd为低电平时，不管其它输入端的状态如何，输出VO为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。2.当输入VI 1大于2/3VCC时，VI 2大于1/3VCC时，比较器C1输出R为低电平，比较器C2输出S为高电平，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；当输入VI 1小于2/3VCC时，VI 2小于1/3VCC时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端VO为高电平；当输入VI 1小于2/3VCC时，VI 2大于1/3VCC时，基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。同时，给出555定时器的引脚图，如图3-10所示图3-10 555定时器引脚功能图555定时器的功能表如下表所示：表3.4 555定时器功能表 触发 TH 阈值 复位 D 放电端 OUT 输出 H 导通 L H 原状态 H 截止 H L 导通 L 下面具体说明一下标准秒脉冲产生电路的原理。结合图15，图中电容C的放电时间和充电时间分别为 于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为 结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得f1HZ，即秒脉冲。报警及指示灯部分：74LS76集成触发器 74LS76集成触发器的引脚功能图如图3-11所示图3-10 74LS76引脚功能图其他电路元件 本次课程设计，除了一些必要的中规模芯片之外，还用到了一些其他的电路元件。例如各种逻辑门，在实际操作中，它们都在中规模芯片中集成。其中，与非门在芯片74LS00中集成，与门在芯片74LS08中集成，或门在芯片74LS32集成。还有一些电容、电阻、开关，以及指示灯、扬声器，在这里不做详细介绍。3.3.2 元件参数选择第4章 软件仿真4.1 仿真电路图由于仿真电路中的电路元件与实际操作使用的元件稍有不同，因此仿真电路在实际电路的基础之上做下述改动：1.实际操作中，所有的开关均使用高低电平直流电源。在仿真电路中，用高电平VCC、1K电阻和普通开关代替。2. 实际操作中，使用10k电阻和470f电容，使得一次抢答时间在5秒左右。在仿真电路中，由于仿真过程中的时间步长非常小，导致得到仿真结果的时间过长，因此将电阻的阻值改为40。3. 实际操作中，我们使用扬声器来实现报警功能。在仿真电路中，由于此部分不能用肉眼观察，也不能在设计报告中得以体现因此将扬声器改为蓝色指示灯，并将5V、1kHz方波脉冲发生器改为5V直流电源，以避免在仿真过程中因灯光闪烁所带来的不便。4.由于实际操作中的扬声器与仿真电路中的指示灯供电方式不同，因此将连与其相连的与非门改为与门。整体电路仿真图如图4-1所示图4-1 数字抢答器的整体电路仿真图4.2 仿真过程一、打开仿真软件Multisim7，新建文件“抢答器.ms7” 过程如图4-2所示图4-2 建立仿真文件二、连接数码管显示电路部分1.插入元件74LS373DW、74LS148D、CD4511BD_5V、共阴极七段LED半导体数码管以及相应的逻辑门、开关、电源、电阻，并放在相应的位置。2.按照事先设计好的电路图，用导线将数码管显示电路部分连接起来。过程如图4-3所示图4-3 连接数码管显示电路部分三、检测数码管显示电路部分连接是否正确1.启动总开关，开始进行数码管显示电路部分仿真。2.闭合每一个抢答开关，检查是否能够正确显示相应抢答者的抢答号码,即检查编码器和译码器的连接是否正确。3.在电路能够正确显示抢答者抢答号码的同时，检查锁存器连接是否正确。在按下一个抢答开关的同时，再按下另一个抢答开关，观察数码管显示是否发生变化。若不发生变化，说明锁存器锁存成功，否则所存失败。过程如图4-4所示图4-4 检测数码管显示电路部分连接是否正确四、连接定时器电路部分并进行检查1.插入元件LM555CM，以及相应的开关、导线，并安放在相应的位置。2.通过测量输出端的高低电平来选择电阻和电容的大小。由于仿真软件在仿真时存在时间步长的问题，仿真过程所需的时间要远远大于实际操作时的时间，因此电阻和电容的大小要取决于仿真过程中的时间步长。为了方便，我们可以只改变电阻阻值大小，并时时测量输出端的高低电平，最终确定一个合适的电阻阻值（最终选择40）。过程如图4-5所示图4-5 定时器的检查五、连接其余的电路部分1.将电路其余的部分连接完整。2.连接过后仔细检查是否有连接错误的地方，并及时修改。3.保存文件“抢答器.ms7”。六、开始进行整体电路的仿真，并对电路做出调整，保证连接正确此过程要检查整个电路是否处于正常工作状态。1.启动主电路并开始仿真，观察电路是否能正常进行仿真。2.分别进行“犯规抢答”、“正常抢答”和“超时抢答”。检查复位开关、启动开关和抢答开关是否工作正常；检查数码管和指示灯是否能正常显示；检查定时器是否工作正常。3.仿真正确后，检查电路连接的规范性，确保电路简洁、美观、操作方便。此过程在4.3（仿真结果）中会进行详细的阐述。 4.3 仿真结果一、仿真开始1.启动总开关，仿真开始。2.仿真计时开始。3.按下“复位”键（字母A），开关闭合后弹起。4.数码管处于熄灭状态。5.红绿指示灯均处于熄灭状态。6.扬声器不发出声音（蓝色指示灯处于熄灭状态）。仿真开始过程如图4-6所示图4-6 仿真开始二、犯规抢答1.在未按“启动”键的情况下，直接按下3号抢答键，开关闭合后弹起。2.数码管亮起数字“3”，表示3号队员进行了抢答。3.红色指示灯持续亮起，表示抢答犯规。 4.扬声器持续发出报警声（蓝色指示灯持续亮起）。犯规抢答过程如图4-7所示图4-7 犯规抢答三、正确抢答1.再次按下“复位”键（字母A），开关闭合后弹起。2.数码管、各个指示灯全部熄灭。 3.按下“启动”键（字母B），开关闭合后弹起。4.在按下“启动”键之后的短时间内按下4号抢答键，开关闭合后弹起。5.数码管亮起数字“4”，表示4号队员进行了抢答。6.绿色指示灯亮起一段时间，表示抢答有效。 7.扬声器发出短暂的提示声（蓝色指示灯亮起一段时间）。8.一段时间后，绿色指示灯熄灭。9.与此同时，扬声器提示停止（蓝色指示灯熄灭）。10.数码管一直显示刚才的抢答号码，直至再次按下复位键。正确抢答过程如图4-8所示图4-8-1 正确抢答（1）图4-8-2 正确抢答（2）图4-8-3 正确抢答（3）四、超时抢答1.再次按下“复位”键（字母A），开关闭合后弹起。2.数码管、各个指示灯全部熄灭。 3.按下“启动”键（字母B），开关闭合后弹起。4.在按下“启动”键之后，等待很长一段时间再按下5号抢答键，开关闭合后弹起。5.数码管亮起数字“5”，表示5号队员进行了抢答。3.红色指示灯持续亮起，表示抢答超时。 4.扬声器持续发出报警声（蓝色指示灯持续亮起）。超时抢答过程如图4-9所示图4-9-1 超时抢答（1）图4-9-2 超时抢答（2）第5章 安装调试5.1 安装调试过程整个安装调试过程均在数字电子试验箱上进行，数字电子实验箱的各个元件及基本操作如图5-1所示。图5-1-1 数字电子实验箱（1）图5-1-1 数字电子实验箱（2）具体安装调试过程如下：1.用直流电源和点评指示灯检查导线是否导电。2.切断电源，按照设计电路图对应的相应管脚，将高低电平开关与锁存器74LS373相连。3.按照电路图，将锁存器74LS373与优先编码器74LS148相连。4.按照电路图，将优先编码器74LS148与译码器CD4511相连。5.按照电路图，将译码器CD4511与七段半导体LED数码管相连。6.按照电路图，连接与74LS373相连的JK触发器。此时，数码管显示部分已经连接完成。7.进行第一次调试。打开总开关，检查七段数码管是否能正常显示。若无法正常显示，则对照电路图仔细检查电路的连接情况，并用实验箱上的逻辑笔检查电路中每一处的高低电平情况。8.按照电路图，连接定时器部分。本次设计使用10k电阻和470f电容，使得一次抢答时间在5秒左右。在此部分电路中，电阻和电容均在模拟电子实验箱上。9. 进行第二次调试。打开总开关，用逻辑笔检测555定时器输出端的高低电平情况，确保定时正确。10.连接电路其余部分。按照电路图，首先连接另一个JK触发器，再连接必要的逻辑门，最后连接红绿指示灯、扬声器和方波脉冲源。此时，电路中的所有部分均连接完成。在此部分电路中，与非门在芯片74LS00中集成，与门在芯片74LS08中集成，或门在芯片74LS32中集成，扬声器在模拟电子实验箱上，由于实验箱上只有一个总电源，因此扬声器也要用数字电子实验箱上的直流电源供 电。11.进行最后一次调试。打开总开关，对电路进行相应的操作，分别进行“犯规抢答”、“正常抢答”和“超时抢答”。若电路不能工作正常，则用实验箱上的逻辑笔检查电路中相应的高低电平情况，并检查整个电路中导线是否连接完好，各元件是否处于工作状态，直至整个电路正常工作位置。此时，安装和调试过程全部完成。上述过程的参考电路如图5-2所示图5-2 参考电路5.2 故障分析一、显示器上不显示数字我们从后级往前级进行测试，首先用1.52V的电压作用各个段,看对应各笔是否亮,判断是否完好。若完好则继续检测74ls148芯片是否完好。在74ls148的A、B、C、D四个输入端随意输入一组二进制数码（用高低电平表示1和0，此处注意要用到8V以上的电源电压），看是否能显示数字。无显示的故障一般问题出在这两个环节。二、显示器上显示的是不符合要求的数字若显示器上显示的是不符合要求的数字，在设计原理正确的前提下，首先通过测试判断74LS148的输出ag与LED管的ag段是否连接有错。其方法是74LS148的输出ag分别按规律输入高低电平，观察LED管是否显示相应的数字。如果这个环节正常，则问题在二极管编码电路，再逐一进行检查。三、锁存器不能锁存如果不能锁存，或是锁存不了1和7，则问题在锁存电路，应该从原理上进行分析。锁存电路的设计原理是：启用CD4511的锁存功能端LE，高电平有效，即输入高电平时执行锁存功能。锁存器应能锁定第一个抢答信号，并拒绝后面抢答信号的干扰。如何设计呢，我们对09十个数字的显示笔段进行分析，只有0数字的d笔段亮与g笔段灭，其它数字至少有一点不成立。由此可以区分0与其它数字。我们将LED管的a笔段与g笔段的输入信号反馈到锁存电路，通过锁存电路控制锁存端LE输入为0或1（锁存与否）。当LED显示器显示为0时，LE=0，CD4511译码芯片不锁存；当LED显示器显示其它数字时， LE=1，芯片锁存。这样只要显示器上显示为0，74LS148译码芯片才不锁定，显示其它数字均锁存。所以只要有选手按了按键，显示器上一定是显示18的数字，LE=1芯片锁存，之后任何其他选手再按下按键均不起作用。例如SB1键先按下，显示器上显示1，LE=1芯片锁存，其他选手再按SB2SB8，显示器上仍显示1，SB1按下之后的任一按键信号均不显示。直到主持人按清零键SB9，显示器上又显示0，LE=0，锁存功能解除，又开始新一轮的抢答。四、倒计时时间过长或过短 造成此种现象的原因主要在于电阻和电容的大小选取不适。五、扬声器不报警 扬声器不报警，很可能是报警部分的电路连接错误，或者是信号源与扬声器不匹配，只要稍加改动即可。六、红绿指示灯不亮 红绿指示灯的亮起与熄灭，主要是由JK触发器和简单的逻辑门来控制的。因此出现这种现象，应该检查芯片74LS76、74LS00、74LS08以及74LS32的连接是否正确，并用实验箱上的逻辑笔测量相应位置的高低电平情况，然后在电路中做出相应的改动。第6章 结论本次设计的电路主要由抢答部分电路，定时部分电路，控制报警部分电路以及指示灯部分组成。控制部分电路是本次设计的关键所在。设计主要是用74系列集成芯片来完成的，成本较低，稳定可靠，电路的连接简单，使用方便，功能齐全。抢答器适用于各类知识竞赛、文娱综艺节目，尤其是在电视上的各种知识竞赛，除了可以把各抢答组号、违例组号、抢答规定时限、答题时间倒计时/正计时在仪器面板上显示外，还可外接大屏幕显示屏显示给赛场与观众，活跃现场气氛，便于监督，公平竞争；有的抢答器功能还被用在电脑游戏的抢占上，谁快谁就有奖；有的小型抢答器还可用来训练小孩的反应能力。我们的设计主要基于74系列集成芯片来完成，在焊接的过程中由于芯片的引脚过多，布线工作不是很方便。有时候还因为某一根线没有焊牢，造成电路不稳定，这些都是有待改进的。我们的想法是根据单片机原理及相关知识，基于单片机，使用可编程逻辑器件来实现智力抢答器的设计，使电路的设计更加简单可靠，性能优越。第7章 使用仪器设备清单仪器设备名称数量74LS373地址锁存器1个74LS148二进制优先编码器1个CD4511七段译码器1个共阴极七段LED半导体数码管1个集成555定时器1个JK触发器（74LS76集成）2个与非门（74LS00集成）3个与门（74LS00集成）1个或门（74LS00集成）1个红色指示灯1个绿色指示灯1个扬声器1个10k电阻1个470f电容1个5V、1kHz方波脉冲发生器1个开关及导线若干参考文献1.逻辑与数字系统设计 清华大学出版社-李晶皎、李景宏 主编2.数字逻辑与数字系统（第三版） 电子工业出版社-王永军、李景华 主编3.可编程逻辑器件及EDA技术 东北大学出版社-李景华、杜玉远