四人抢答器课程设计报告作业(共18页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上河南城建学院电子技术基础课程设计报告抢答器电路设计 姓 名： 李雲鹏 学 号： 专业班级： 指导老师： 侯宁/贺伟 所在院系：电气与信息工程学院 2014年6月20日目录摘要随着我国经济和文化事业的发展，在很多竞争场合要求有快速公正的竞争裁决，例如证券、股票交易以及各种智力竞赛等。在现代社会生活中，智力竞赛更是作为一种生动活泼的教育形式和方法能够引起观众极大地兴趣。而在竞赛中往往分为几组参加，这是针对主持人提出的问题，各组一般要进行必答和抢答，对必答一般有时间限制，倒是有声响提示；对于抢答，要判定哪组先按键，为了公正，就要有一种逻辑电路抢答器作为裁判员。本文介绍了一种利用数字电路实现的抢答系统，具有很强的实用性。数字抢答器有主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛组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。抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，若有选手安东强大按钮，编号立即锁存，并数码管上显示选手的编号，同时扬声器给出声音提示；同时封锁输入电路，禁止其它选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。设计了一个四人抢答器控制电路，该电路具有计时起点与抢答命令同步，计时终点是第一个抢答者的抢答信号到来，超时而无人抢答题目作废；主持人发布抢答命令后，第一抢答者按下抢答键后，电路应记下第一抢答者的组别，并封锁其他各组的抢答信号；用扬声器提示第一抢答者产生；用发光二极管指指示第一抢答者等特点（功能）。其中，抢答电路用4D触发器（74LS175），二输入四与非门74LS00，四输入双与门（74LS21）,555定时器实现；报警电路用上拉电阻，发光二极管和蜂鸣器组合来实现；显示电路用七段共阳极数码管和译码器（74LS47）来实现；时钟电路用555定时器和十进制加减计数器（74LS192）来实现。利用Multisim 10对设计的电路进行仿真，可以得到设计要求的结果。关键词： 四人抢答器；抢答信号；声光报警；定时电路 一、设计任务与要求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答器。 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。二、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计2.1、设计方案抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用LED数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。抢答时间设定9秒，报警响声持续1秒。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，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。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“清除”和“开始”状态开关。2.2、系统框图 当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时，并通过译码器在显示器中显示。报警电路给出声音提示。当选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状态。最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。如图1.抢答按钮触发器锁存电路译码电路路路主持人控制开关控制电路路路报警电路路路秒脉冲产生电路定时电路路路译码电路路路显示电路路路显示电路路 图1系统框2.3方案比较方案1：采用CD4511芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽然比较简便，但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。方案2：采用D触发器和译码器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实现锁存功能时可以简单的实现。经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案2。然后利用软件Multisim来进行仿真调试，再进行逐步改进。三.单元电路设计及元器件选择3.1抢答电路 电路如图2所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁定74LS175的功能真值表即优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示选手编号；二是要使其他选手随后的按键操作无效。 图2 抢答电路其工作原理为：当主持人控制开关处于“清除”时，D触发器的清零端为低电平，使D触发器被强制清零，输入的抢答信号无效。当主持人将开关拨到“开始”时，D触发器Q非端前一状态为高电平，四个Q非端与在一起为高电平，再和抢答按键信号和借位信号与在一起给D触发器的脉冲端，当没人抢答时，抢答信号为低电平，与门U11输出端为低电平给D触发器脉冲端，当一有人抢答时，抢答信号为高电平，并和U2的输出信号和借位信号与在一起，使得U11输出端为高电平给D触发器，于是D触发器就有一个上升沿，使得抢答信号经D触发器触发锁存再经过译码器74ls48译码，把相应的信号显示在数码管上。另外，当选手松开按键后，D触发器的Q非前一状态为低电平，与在一起后给与门U11,使得U11的输出端为低电平给D触发器，则D触发器的脉冲输入端恢复原来状态，从而使得其他选手按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性及抢答电路的准确性。当选手回答完毕，主持人控制开关S是抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。3.2定时电路 节目主持人通过按复位键来进行抢答倒计时。如图3。定时9秒，把74LS192对应的9，10，1，15四个端子预置为“1001”。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路555提供。当复位开关按下时，给74ls192一个低电平，从而开始倒计时，每来一个脉冲信号进行减计数一次。当有选手抢答或借位信号时，就使得74ls192的输入脉冲变成低电平，从而实现倒计时的停止。再按复位键时，再一次倒计时。图3定时电路它基本原理是，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。3.3 复位电路JK边沿触发器。将两个的输出端通过异或非门作为输入，送到JK触发器的时钟信号端CLK，因为如果计时器一旦输出“00”，异或非门的输出刚好为1，而触发器的CLK从0到1，接收到一次上升沿的时钟信号，因而JK触发器此时Q输出为1，再把Q送到两个芯片的MR端，此时芯片就不再处于计数状态，因而可以做出来到“00”停止计时的效果。3.4报警电路由74ls121和蜂鸣器构成的报警电路，但仿真中没有74ls121，因此用功能相同的MONOSTABLE VIRTUAL（后文简称A1）来代替仿真，如图4所示。其中A1的脉冲输入端是由复位信号和Q非的与信号和借位信号与在一起来提供的。当其中一个信号为低电平时，使得A1得到一个下降沿脉冲，从而使A1的Q端输出一个宽度为一秒的高电平，那么蜂鸣器就会响一秒。反之，电路停振，蜂鸣器不响。 图4 报警电路3.5时序控制电路 时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能： 1、主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。 图5 抢答与定时时序控制电路2、当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。 3、当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。 根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图5所示。 图5中，U2与门74ls21作为抢答的控制信号；U12与门74ls11和U13与门74ls21的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止；U11与门74ls11的作用是控制74LS175的输人脉端，U10的作用是控制74ls121的输入脉冲端。工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，74LS175的输出 Q！=1，U2输出为1，借位信号为1，则U12输出为1，使U13输出为1，则时钟信号CP能够加到74LS192的时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则“定时到信号”为1，U11和U13的输出为1，使 74LS175和74ls192处于正常工作状态，从而实现功能（1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，Q！0，U2输出为0，封锁 CP信号，则U12输出为0，使U13输出为0，定时器停止倒计时处于保持工作状态；同时,U11的输出为1使D触发器触发而输出信号 ，也使U10输出为0，给了74ls121一个上升沿，使74LS121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，从而实现功能（2）的要求。当定时时间到时，则“定时到信号”为0，U10输出为0，有给了74ls121一个下降沿，使 74LS121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，禁止选手进行抢答。同时，U13输出为0，封锁 CP信号，使定时电路保持0状态不变，从而实现功能（3）的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。3.6译码器电路和数码管显示电路的设计抢答部分和倒计时部分的译码器均采用74ls48芯片，而数码管则选择与之相对应的7段共阴数码管搭配，为避免电流过小，可在译码器与数码管间接上拉电阻以增大电流，上拉电阻选用1k的9针排阻。译码器电路和数码管显示电路设计如下ItemInputsOutputsRBIDCBAabcdefgLPLHIPHL4.5VGNDGNDGNDINOUT-OUTOUTOUT-4.5VGNDGND4.5VIN-OUT-OUT-4.5VGND4.5V4.5VINOUTOUT-OUTOUTOUTOUTINGNDGNDGNDGNDOUTOUTOUTOUTOUTOUT-3.7元器件列表 表1 序号 器件名称 数量 备注 1 74LS175 1 D触发器2 74LS192 1 同步减法计数器3 555定时器 1 连接成多谐振荡与秒时钟脉冲4 74LS21 1 四脚与门5 74LS11 1 三脚门6 74LS48 2 译码器7 74LS121 1 单稳态振荡器8 开关按纽S 5 9 扬声器 1 10 BCD七段显示器 2共阴极11电容 312电阻 913二极管6 3.8四路抢答器总电路图 图6 总电路图四、电路仿真及PCB制作在各单元电路设计的基础上，用Multisim软件把各单元电路连接起来，画出符合软件要求的系统整体逻辑电路图。系统整体电路设计完成后，对系统整体进行仿真，验证设计的正确性。验证结果表明完全符合电路的设计要求。即主持人开关闭合时，开始进行倒计时，当有人抢答时，对应的LED发光二极管亮，并出现相应的报警。完成总体设计的要求。1、单位采用公制单位（mm）。2、电源线和地线采用0.6mm,如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm。.3、信号线采用0.5mm。如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm。4、 焊盘的内径用0.9mm。外径根据需要进行修改，一般为X方向1.6 mm，Y方向2.0mm， 或是X方向2.0 mm，Y方向1.6mm。5、过孔的大小和焊盘的设置一样。6、数码管的封装采用上下的封装形式。7、PCB板制作的大小紧凑、美观。 PCB大小选用10*15（单位CM）（实际布线范围应比所选规格要小）。五、设计过程中的问题和解决办法优点与不足1、在设计方案时，遇到了信号不能锁存的问题。经过查找资料，了解如何通过D触发器的输出信号来反馈回D触发器的脉冲端来进行锁存。2、在仿真时遇到了555不能仿真和没仿真元件74ls121的问题。通过翻阅书本了解555如何准确使用和上网搜索74ls121的代替元件来解决。3、当焊完电路调试时，数码管没显示。于是对照电路图来逐一检查，发现有些管脚没接上。例如数码管的接地端没接地、74ls192的CLR脚没接地等等。优点：元器件较少，功能满足要求不足：1、在设计时，用了D触发器来进行抢答信号的筛选和锁存，在同时按下S0和S1时（其同时按下的几率较小，其可精确到微秒甚至纳秒级，但情况还是会存在的）会显示“3”，而按S2时也会显示“3”，所以显示“3”的几率大一点，但几率很小。改良：可改用编码器和锁存器来代替D触发器。2、电路跳线较多，使得电路板外观不好。改良：焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接。六、心得体会 这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74LS121、74LS48、74ls192等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一电子设计软件如：Multisim等，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。加上在设计过程中遇到了一些问题，使得我得查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能耐。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。所以在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。感谢老师在课程设计中给我们的指导，感谢学校为我们提供实践的机会和条件，让我明白了学习的方法和方向即理论联系实际，也让我清楚地认识到了自己的不足。参考文献1童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2005. 2臧春华.电子线路设计与应用M.北京:高等教育出版社，2005.3邱关源，罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4阎 石.数字电子技术（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.5张阳天，韩异凡. Protel DXP电路设计M.北京：高等教育出版社，2005.6张乃国.电子测量M.北京：人民邮电出版社1985.7彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，1997.8华容茂.电工、电子技术实习与课程设计M.北京：电子工业出版社，2000.成绩评定·一、评语（根据学生答辩情况及其论文质量综合评定）。二、成绩 指导教师签字： 年 月 日专心-专注-专业