流水灯设计论文

1、编号： 摘 要抢答器作为一种工具，已经广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。本设计以八路智力竞赛抢答器为基本概念，从实际应用出发, 用数字、模拟电子器件设计具有扩充功能的抢答器。该设计数字抢答器就是利用数字电子技术实现的。主要为了实现抢答、显示功能。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出。当有选手按下按钮时，优先锁存，其他选手在按时无响应，直到主持人按下清零按钮之后，才能开始下一轮的抢答。比较实用。该数字抢答器可以广泛应用于各种竞赛，确保竞赛的准确，公平。该数字抢答器虽然可以用单片机程序来完成，但繁琐和代价高。而用集成电路设计制作抢答器：方便，价格便宜，还易于扩展。关键字：

2、编码；译码；抢答器目 录引言11. 设计要求与概述21.1 设计要求21.2 系统概述22. 设计方案分析与论证32.1 设计方案分析32.2 设计方案论证与选择33. 电路原理图设计43.1 编码电路设计43.2 锁存电路设计53.2.1 RS触发器功能53.3 译码电路设计63.4 电路设计综述74. 智能抢答器实物制作84.1 PCB设计84.2 抢答器实物焊接与调试84.2.1实物焊接94.2.2实物调试和检查遇到问题解决过程95. 测试结果分析与设计体会105.1 测试结果与分析105.2 设计体会与实验总结10参考文献11谢 辞12附 录13元器件清单1312第 12 页 共 13

3、 页引言 进入21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛,抢答记分器是必要设备。过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器

4、使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。 今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求时无法实现，例如参赛人数的增加。随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片、CD系列集成电路芯片和55

5、5芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。1. 设计要求与概述1.1 设计要求 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，8个抢答按钮分别用编号S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8来表示。 2设置一个控制开关S，由节目主持人控制系统的清零和抢答的开始。 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，编号立即锁存，并在LED数码管上显示相应编号。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。1.2 系统概述总的电路设计框图如图1-1：图1-1 抢答器设计框图

6、如设计框图所示电路包括主体电路和扩展电路两部分。其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，该选手对应LED灯点亮，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，当主持人将控制开关置于 “开始”时，抢答器处于工作状态。当选手在按动抢答键时，电路要完成以下功能： （1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，用八个排在一排的开关，将按下开关，表明选手抢答。 （2）设置一个系统清除和抢答控制的开关，该开关由主持人控制，按下开关，为接地端，清零处理。 （3）抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按

7、钮，锁存相应的编号，同时相应的发光二极管灯亮。选手抢答实行优先锁存，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. 设计方案分析与论证2.1 设计方案分析方案一：原理：在选手抢答前， “清除/起始” 开关S使基本RS触发器输出端Q为0，使集成8线-3线优先编码器禁止；当主持人按下“清除/起始”开关S时，基本RS触发器输出端Q为1，与优先扩展输出端Yex共同作用，使集成8线-3线优先编码器选通输入端ST为0，允许编码，等待数据输入。此时优先按动序号的组号立即通过编码器按8421BCD码输出，经RS锁存器74LS279将该数码锁存到LED显示器上。与此同时，Yex（引脚为14）由1翻转为0

8、，与非门G1输出为1，选通输入端ST为1，编码器被禁止。方案二：在方案一的基础上采用了74LS148优先编码器来实现抢答器的选号，采用了74LS279芯片实现对号码的锁存。2.2 设计方案论证与选择方案一中，主要多了一个基本RS触发器，以及相对的74LS148引脚与74LS279之间连线的相应改变，这又涉及到之后的提高方案中的连线的改变。它有自身的优点，即基本RS触发器又相当一锁存器（74LS279），它可以对主持人的指令进行进一步的锁存，这样就可以增强它的抗干扰能力，但其线路过于复杂，另外此次实验所用的电路板对电路设计的大小要求很高，而且在布局和焊接上要越精练越好，所以它不是首选方案。而由于

9、方案二已能满足基本设计和提高设计的要求，而且它的原理更简单易懂，直观明了，元件更少，连线更方便，焊接更可靠，且比较容易实现，所以最终选用了方案二。方案二总体仿真如图2-1： 图2-1 抢答器仿真图 按下仿真开关后，可以按动按钮进行抢答，当某一选手按下抢答键后，需要主持人按键确认之后才能保存结果，支持人再次按下按键则可将抢答器重置。3. 电路原理图设计 抢答电路的功能有三个：一是能分辨出选手按键的的先后；二是锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用，并使其他选手的按键操作无效；三是要将成功抢答的选手所对应的LED灯点亮。3.1 编码电路设计编码电路需要将按下抢答按钮的选手所对应的编号转换成二进制数

10、码，所以本部分电路选用8线-3线优先编码器74LS148（引脚图如图3-1所示，其真值表如表3-1所示）。该芯片的功能为将 8 条数据线（07）进行 3 线(4-2-1)二进制（八进制）优先编码，即对最高位数据线进行译码。 利用选通端（EI）和输出选通端（EO）可进行八进制扩展。 图3-1 74LS148引脚图表3-1 74LS148功能表输入输出 1X X X X X X X X1 1 11 101 1 1 1 1 1 1 11 1 11 00X X X X X X X 00 0 00 10X X X X X X 0 10 0 10 10X X X X X 0 1 10 1 00 10X X

11、 X X 0 1 1 10 1 10 10X X X 0 1 1 1 11 0 00 10X X 0 1 1 1 1 11 0 10 10 X 0 1 1 1 1 1 11 1 00 100 1 1 1 1 1 1 11 1 10 13.2 锁存电路设计 抢答成功的选手编号经由74LS148芯片编码为二进制数码后，需要锁定该选手以避免其他选手的干扰，所以本电路选用RS锁存器74LS279（引脚图如图3-2所示，其真值表如表3-2所示）芯片对抢答成功的选手所对应二进制数码进行锁存。 图3-2 74LS279引脚图 表3-2 74LS279真值表输入输出(Q)LLLHLXHHXLHHHHLLHHH

12、No Change3.2.1 RS触发器功能 74LS279则由四个基本RS触发器（逻辑图、逻辑符号和波形图如图3-3所示）构成，而基本RS触发器功能则如下文所示：1. 保持状态。当输入端接入=1的电平时，如果基本SR触发器现态=1、=0，则触发器次态=1、=0；若基本SR触发器的现态=0、=1，则触发器次态=0、=1。即=1时，触发器保持原状态不变。2. 置0状态。当=1，=0时，如果基本SR触发器现态为=1、=0，因=0，会使=1，而=1与=1共同作用使端翻转为0；如果基本SR触发器现态为=0、=1，同理会使=0，=1。只要输入信号=1、=0，无论基本SR触发器的输出现态如何，均会使输出次

13、态置为0态。3. 置1状态。当=0、=1时，如果触发器现态为=0、=1，因=0，会使G1的输出端次态翻转为1，而=1和=1共同使G2的输出端=0；同理当=1、=0，也会使触发器的次态输出为=1、=0；只要=0、=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置1。4. 不定状态。当=0时，无论触发器的原状态如何，均会使=1。当脉冲去掉后，和同时恢复高电平后，触发器的新状态要看G1 和G2两个门翻转速度快慢，所以称=0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。基本RS触发器的。（a）逻辑图 (b) 逻辑符号 (c) 波形图&Q QG1G2 R SS R R S QQ R SQ置0置1保持图 3-3 基本S

14、R触发器3.3 译码电路设计 本电路最后一个功能则是将抢答成功选手的二进制数码进行译码以点亮LED灯来最终实现抢答器的效果，所以选用3线-8线译码器74LS138（74LS138引脚图如图3-4所示，其真值表如表3-3所示）来完成上述功能。 图3-4 74LS138引脚图 表3-3 74LS138功能表输入输出0XXXX11111111X1XXX11111111100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111103.4 电路设计综述 本电路

15、主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应的显示。本电路的原理图如图3-5所示，工作过程：当主持人控制开关处于“清零”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，既抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1

16、，BI=1，此时74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS138译码后，5号LED灯点亮。此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号仍不会被接受。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。图3-5 原理图设计4. 智能抢答器实物制作4.1 PCB设计本次课程设计的电路设计部分都是在Altium D

17、esigner 09设计。抢答器PCB图设计如图4-1所示：图4-1 抢答器PCB图4.2 抢答器实物焊接与调试4.2.1实物焊接通过实验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊接工艺的重要性：各个芯片的引脚功能不能混淆，必须了解各个芯片的使用方法，内部结构以及使用时的注意事项，该接电源的一定要接电源，该接地的一定要接地，且不能有悬空。同时在电路板上要预先确定电源的正负端，便于区分及焊接。正确焊接各芯片个管脚连接必须查阅各种资料并记录，以确保在焊接过程和调试过程中芯片不被烧坏，同时确保整个电路的正确性。在焊接完后每块芯片都用万用表检测，看是否有短接等，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才

18、有利于在调试过程中检查电路。图4-2 抢答器实物图 4.2.2实物调试和检查遇到问题解决过程（1） 显示电路不稳定问题在完成电路的焊接进入调试阶段时发现抢答器显示选手编号不稳定。主要表现在单选手按下抢答键后点亮的LED灯的不是该选手所对应的。因此着手对电路进食检查，首先检查数码管看是否是关节焊接错误，后又检查电路各个芯片管脚接错均未发现问题，最后发现当触动某按键连线时显示正常由此判断可能是因为出现了虚焊，遂将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。（2） 显示电路部分异常在调试是发现当按下主持人开关时电路断电，当松开后第一个LED灯始终点亮，经过一个多小时对原理图、PCB图及电路板的检查

19、，发现当支持人清零后，由于74LS279被重置，导致74LS138输入端全为低电平，所以经过译码后第一个LED灯常亮，但不影响其他选手抢答。5. 测试结果分析与设计体会5.1 测试结果与分析调试工作是个精细工作。在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。5.2 设计体会与实验总结这次课程设计的电路虽然是比较复杂的。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在通多次对电路的改进，上机仿真以及接线调试，终于使整个电路可稳定工作。设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当繁琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我应在设计前做好充分的准备，如查找详细的资料，为我设计的成功打下坚实的基础。参考文献（1）阎石，数字电子技术基础 （第五版）高等教育出版社 200