数字八路抢答器课程设计报告

1、梧 州 学 院课程设计论文（ 2013-2014 学 年 下 学 期 ）课程名称数字电路数字电路论文题目八路数字智力抢答器八路数字智力抢答器系别信息与电子工程学院信息与电子工程学院专业电子信息工程电子信息工程班级12 电本 2 班学号2012001902238学生姓名王涛指导教师郑瑶完成时间2014年6月题号一、实物二、课程设计论文总分满分505030302020202060602020100100评分依据电路设计电路的调试及工作情况回答问题论文规范性设计原理简述及原理图测试结果及分析得分总分总分=实物实物*50%+课程设计报告书课程设计报告书*50%。摘要抢答器作为一种工具，已经广泛应用于各

2、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、定时、显示、报警功能。其电路由主体电路与扩展电路组成。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；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路 。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

3、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：编码，译码，555 定时器，抢答器目录目录第一章 引言.错误！未定义书签。错误！未定义书签。1.1 设计要求. 错误！未定义书签。错误！未定义书签。1.2 系统概述. 错误！未定义书签。错误！未定义书签。第二章 设计方案分析与论证.错误！未定义书签。错误！未定义书签。第三章 单元电路设计.错误！未定义书签。错误！未定义书签。第四章 智能抢答器实物制作.错误！未定义书签。错误！未定义书签。第五章 测试结果分析与设计体会.错误！未定义书签。错误！未定义书签。参考

4、文献附录 元器件清单第一章第一章引言引言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 S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7 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，同时扬声器给出音响提示。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。4抢答器具有定时抢答的功能，一次抢答的时间可以由主持人设定（设为15s） 。当节目支持人按下“

5、开始”按钮后，定时器进行倒计时，并在显示器上显示，同时扬声器发出短暂的声响。5参赛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的时间，并保持到主持人将系统清零为止。6如果定时时间已到，无人抢答，则本次抢答无效，系统报警，并禁止选手抢答，时间显示器上显示 00。1.2 系统概述总的电路设计框图如下：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，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时

6、抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（30s） ，当主持人将控制开关置于 “开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：1.基本功能：（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，选手将按下开关，表明选手抢答。（2） 设置一个系统清除、抢答控制和定时电路置数控制的开关，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。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示， 同时发光二极管灯亮， 并在七段数码管上显示选手号码。选手抢答

7、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.扩展功能：（1） 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（30 秒）。当主持人启动清零键后，定时器进行减数计时。（2） 参赛选手在设定的时间内进行抢答，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的时间，并保持到主持人将系统清除为止。（3） 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示 00。第二章第二章 设计方案分析与论证设计方案分析与论证2.1 设计方案分析方案一：原理：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

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，与非门 G1输出为 1，选通输入端 ST 为 1，编码器被禁止。此外，在 Yex 由 1 翻转为 0 时，还驱动报警电路工作，发出声音。方案二：在方案一的基础上采用了 74LS148 优先编码器

9、来实现抢答器的选号，采用了 74LS279 芯片实现对号码的锁存，采用了 74LS192 实现十进制的减法计数，555 芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时。2.2 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

10、于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。方案二总体仿真图如下：ABCDEFGHJKBCDEFGHJKAFILE NAME:BY:DATE:PAGE:sdkcsj2_A3.DSN2011/12/21杨广杨广D:proteussdkcsjsdkcsj2_A3.DSNPATH:1of1REV:TIME:20:47:31DESIGN TITLE:8路智力竞赛抢答器路智力竞赛抢答器01245678901234567839+5VGNDGNDD1D2D3D4D5D6D7+5VDNDNUPPLGNDGN

11、D+5V+5VPLTCDDCLKA0A1A2PLD0D1D2D3D4D5D6D7+5VTCD4+5VPLUPTCD3TCD3TCD2TCDTCD3DCLKRBORBOA2A1A0+5VPLTCD4D0TCD2CLKCLKD11N4007R110R21k+5VLS1SOUNDERQ2PNPA7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U174LS4801011121231341526374EI5EO15A09A17A26GS14U474LS148+5VR310kR410kR510kR610kR710kR810kR910kR1010k+5VSW1

12、SW-SPDTA7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U774LS48A7QA13B1QB12C2QC11D6QD10BI/RBO4QE9RBI5QF15LT3QG14U874LS48D015Q03D11Q12D210Q26D39Q37UP5TCU12DN4TCD13PL11MR14U974LS192D015Q03D11Q12D210Q26D39Q37UP5TCU12DN4TCD13PL11MR14U1074LS19210010000R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U11555R1115kR1268kC10.1uFC21

13、0uF1R11Q41S121S232R52Q72S63R103Q93S1113S2124R144Q134S15U674LS279123U2:A74LS00R151k123U15:A74LS08456U15:B74LS08456U2:B74LS001098U2:C74LS00131211U2:D74LS001098U12:C74LS00131211U12:D74LS00123U16:A74LS00R1410kD3LED-YELLOWR161k123U5:A74LS08123U3:A74LS00第三章第三章 单元电路设计单元电路设计3.1 抢答电路设计抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的的

14、先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。选用优先编码 74LS148和 RS 锁存器 74LS279 可以完成上述功能。74LS148 引脚图：74LS148 的功能表：图 3-1 抢答部分原理图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， 同时有相应数码显示。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

15、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，BI=1，此时 74LS279 处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经 74LS48 译码后，显示器显示出“5” 。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 74LS14

16、8 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。RS 触发器功能：1. 保持状态。当输入端接入S=R=1 的电平时，如果基本 SR 触发器现态Q=1、Q=0，则触发器次态Q=1、Q=0；若基本 SR 触发器的现态Q=0、Q=1，则触发器次态Q=0、Q=1。即S=R=1 时，触发器保持原状态不变。2. 置 0 状态。当S=1，R=0 时，如果基本 SR 触发器现态为Q=1、Q=0，因R=0，会使Q=1，而Q=1 与S=1 共同作用使Q端翻转为 0；如果基本

17、 SR 触发器现态为Q=0、Q=1，同理会使Q=0，Q=1。只要输入信号S=1，R=0，无论基本 SR 触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为 0 态。3.3.置 1 状态。当S=0、R=1 时，如果触发器现态为Q=0、Q=1，因S=0，会使G1的输出端次态翻转为 1，而Q=1 和R=1 共同使 G2的输出端Q=0；同理当Q=1、Q=0，也会使触发器的次态输出为Q=1、Q=0；只要S=0、R=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置 1。4. 不定状态。当S=R=0 时，无论触发器的原状态如何，均会使Q=1，Q=1。当脉冲去掉后，S和R同时恢复高电平后，触发器的新状态要看 G1和 G2两个门翻

18、转速度快慢，所以称S=R=0 是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。基本 RS 触发器的逻辑图、逻辑符号和波形图如图 1-7 所示。（a）逻辑图(b) 逻辑符号(c) 波形图图 3-2 基本 SR 触发器3.2 定时电路设计该部分主要由 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&QQG1G2RSSRRSQQRSQ置 0置 1保持数电路、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，开始进行倒计时，到 0s 时倒计时指示灯亮。当有人抢答时，计时停止。两块 74LS192 实现减法计数，通过译码电

19、路 74LS48 显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74LS192 的预置数控制端实现预置数 30s，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，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，同时以后选手抢答无效。3.2.174LS192 主要功能介绍：74LS192 的 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。TCU 为进位输出，TCD 为借位输出。其真值表和引脚图

20、如下：74LS192 功能表：图 3-3 74LS192 引脚图3.2.2555 功能介绍：图 3-474LS192 引脚图图 3-5 555 定时器原理图在整个抢答器设计中，要求抢答成功后有声音提示，而且提示声持续 1s，频率为 1.2KHz，在设计报警电路时这里用到了 555 定时器。面先对 555 定时器作简要的介绍。555 定时器的原理图和功能表分别如图 11 和图 12 所示。它是由 3 个阻值为K 欧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BJT TD 以及缓冲器 G4 组成.定时器的主要功能取决于比较器,比较器的输出控制RS 触发器和放电 TD

21、 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。由图可知,当 5 脚悬空时,比较器 C1 和 C2和比较电压分别为 2/3Vcc 和 1/3Vcc。由表二可知：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 TD 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 输出低电平，基本 RS 触发器被置 1，放电三极管 TD 截止，输出端 Vo 为高电平。当 VI11/3Vcc 时，基

22、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。555 定时器功能表：用 555 定时器可以组成单稳态触发器和多谐振荡电路，如图 3-7 和 3-8 所示.图 3-6单稳态触发器电路图由 555 组成的单稳态触发器的电路图。将 555 定时器的 6 号脚和 7 号脚接在一起，并添加一个电容和一个电阻，就可以构成单稳态触发器。电容接在电源与6 号脚之间，电阻接在 7 号脚和地之间。这个单稳态触发器是负脉冲触发的。稳态时，这个单稳态触发器输出低电平。暂稳态时，这个触发器输出高电平。5 号脚悬空时，输出脉冲宽度为。5 号脚接控制电压时，输出脉冲宽度公式为：。在这里,单稳触发器

23、主要是用于控制喇叭声响的时长,这就要通过控制触发器的输出脉宽来实现.设计要求喇叭声响时长为 1 秒.经计算得到在单稳触发器中的各参数如下:C=0.01 微法Rp=91M 欧图 3-7多谐振荡电路由 555 组成的多谐振荡电路可知：电阻和电容构成一个积分电路，其输入端接施密特触发器的输出端，其输出端接施密特触发器的输入端。用 555 定时器构成多谐振荡器就是这个思路。于是，先用 555 定时器构成一个施密特触发器，再把这个施密特触发器改接成多谐振荡器。与 555 定时器内部的放电管构成了一个反相器5。逻辑上，这个反相器的输出与 555 定时器的输出完全相同。因此，这个施密特触发器有两个输出端，分

24、别为 555 定时器的 3 号脚和 7 号脚。我们看到，电阻和电容构成了积分电路，施密特触发器的一个输出端（7 号脚）接积分电路的输入端，积分电路的输出端接施密特触发器的输入端。这样，一个多谐振荡器就成了。多谐振荡器用在报警电路中,主要是用于控制喇叭声响频率.这里要求为 1.2KHz.在方案一中,还用到了多谐振荡器来产生CP脉冲.经计算得到多谐振荡器各参数如下6：R1=0.6K 欧R2=2.4K 欧C1=0.22 微法C2=0.01 微法报警电路主要就是由以上所介绍的一个单稳触发器，一个多谐振荡器，再加一个扬声器组成的.其组成原理图如图 3-9 所示。控制输入信号为经过编码的抢答选手的信号，当

25、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。图 3-8报警电路原理图由图中可以看到,接上电源后,当信号输入为高电平时， 第一个 555 连接成的单稳态触发器的输出为低电平，处于稳定状态，这时，右边的多谐振荡器的复位输入为低电平，所以其输出也为低电平，扬声器不发音。当信号输入为低电平时，单稳态触发器被触发，处于暂稳态，此时其输出为高电平，输入到多谐振荡器的复位端，多谐振荡工作，输出为频率为 1.2KHz 的脉冲波形。这样扬声器就会以 1.2KHz 的频率发出间歇式声响。图 3-9 定时部分原理图3.3 时序控制电

26、路设计时序控制电路是抢答器的关键，它要完成以下三项功能：（1）主持人将按下控制开关时，EI 端为 0,抢答和定时电路进入正常工作状态；（2）当参赛选手按动抢答器开关时，抢答电路和定时电路停止工作；3 当设定的抢答时间到，但无人抢答时，抢答电路和定时电路停止工作。根据上面的功效，设计出如图 5 所示的控制电路。（a）（b）（a）抢答与定时电路的时序控制电路（b）报警电路第四章第四章 智能抢答器实物制作智能抢答器实物制作4.1 原理图设计及 PCB 设计本次课程设计的电路设计部分都是在 Altium Designer 13.0 设计，13 版的 AltiumDesigner 新增了一些快捷功能，

27、使本次电路设计更为方便。 抢答器总的原理图和 PCB图设计如下：图 4-1 抢答器总的原理图图 4-2 抢答器双层板 PCB 图图 4-3 抢答器单层板 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

28、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，这样才有利于在调试过程中检查电路。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数码管显示选手编号不稳定。 主要表现在单选手按下抢答键后数码管显示的不是选手当前号码。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） 控制开关无法控制电路在调试是发现当按下主持人开关时电路断电，当松开

29、后数码管显示始终为 7，经过一个多小时对电路用万用表逐个检查，发现是开关触焊接错误，通过改正焊接后电路能正常工作。（3）数码管不能正常倒计时在进入定时电路调试时，发现数码管不能正常倒计时，出现乱码。对这问题我们检查了芯片是否完好，电路界限是否正确均未发现问题，后来经过几次实物焊接实验后，发现与 74LS192 的置数端相连的数码管不能悬空，于是改成通过杜邦线和排阵相连直接给高低电平置数，定时部分才成功数码管也能正常工作了。4.3 实物展示：图 5-1 整体实物图图 5-2 实物焊接背面图图 5-3 倒计时到 10 秒时的实物图图5-4 三号选手抢答时的实物图第五章第五章 测试结果分析与设计体会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