八路定时抢答器课程设计(共30页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上八路定时抢答器的设计摘 要：众所周知，定时抢答器在我们的生活中的运用越来越广泛。本论文主要是应用常用集成器件来设计数码显示的八路抢答器。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时抢答和报警功能。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则抢答器正常工作；若在规定的时间内无人抢答、或抢答还没开始就有选手抢答，则系统中的扬声器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能。关键词：八路, 抢答器，定时，报警Abstract： As we known, Intelligence answering racer has being

2、widely used in our daily life .In this paper, The 8-wire answering races function includes timing and alarming besides the basic function of an answering racer. The host sets the provided time for the answering race through the time-setting switch, after this the system will count down the time auto

3、matically. If anybody answer the question on time, the answering races will work normally; If nobody answer the question on time or some person press the button of the answering race before it begins working, the alarm will give out some sound, helping the host know the race in this turn is of no us

4、e, so the function of alarming is achieved. .Keywords：8-wire, answering racer, timing, alarming目 录 专心-专注-专业1 前言在我们的生活当中，经常会参加一些文体文艺等活动。比如公司、学校和电视台等单位举办的各种智力竞赛, 抢答器是必要设备。在我校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。为解决这个问题，我们小组准备就本次课程设计的机会制作一个成本低但又能满足学校需要的八路数显抢答器。设计

5、背景：定时抢答器是我们生活中经常用到的简易工具。在平常的数模电学习过程中对其有了一定认识和了解，其设计要求主要是对一些常用的集成器件的应用，为了检验我们的知识掌握程度和锻炼我们的动手实践能力，提出了八路定时抢答器的设计方案。设计目的：1） 主体电路抢答器具有锁存与显示功能，能完成八路抢答；2） 扩展电路定时器能完成抢答题目的倒计时；3） 报警电路能完成违规竞赛时的发声报警；实施计划：1) 先在草稿纸上画出主体及扩展电路的大体框图；2) 选择相关电子元件并查阅其参数；3) 用Tina软件做出电路图；必备条件：计算机、Tina8.0软件2 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识

6、，我主要提出了两种技术方案来实现本设计要求的功能，下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述最终选择方案的原因。如下： 2.1 方案比较通过对三种方案的比较，我发现主要是在主体电路中锁存器与优先编码器的应用先后问题，从理论上看，似乎两种方法的效果都一样，即当选手按下抢答器后是先对其相应的编号编码后锁存还是先把选手号锁存再编码的问题。2.1.1 方案一方案一原理框图如图2-1所示。 译码显示译码电路锁存器优先编码电路抢答按钮 报警电路主持人控制开关控制电路 图2-1 方案一的原理框图如图2-1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

7、到清零状态，抢答器处于禁止状态；主持人将开关置”开始状态，宣布开始抢答器工作，选手在抢答。抢答器完成：锁存、编码、编号显示、扬声器提示，当一轮抢答之后，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。2.1.2 方案二方案二原理框图如图2-2所示。译码显示译码电路锁存器优先编码电路抢答按钮 控制电路报警电路主持人控制开关 图2-2 方案二的原理框图其工作原理与方案一大致相同，所不一样的是当有选手抢答时，先通过编码器编码，然后由控制电路控制锁存器对其对应的编号进行锁存，最后由译码电路译码最后显示出成功抢答的选手的编号。2.1.3 方案三方案三原理框图如图2-3所示。译码显示译码电路锁存器优先

8、编码电路抢答按钮 控制电路报警电路主持人控制开关 定时电路秒脉冲产生电路显示电路译码电路图2-3 方案三的原理框图如图2-3所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到清零状态，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，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 方案论证通过对以上三种方案的仔细分析及验证，发现方案一和二存在的一些缺点和不足之处，首先是

9、由控制电路控制锁存器来进行对其他选手的禁止锁存功能不好实现；其次是在第一种方案中优先编码器失去了实际工作意义，而其锁存器对选手进行锁存时存在竞争冒险，可能导致抢答器不能正常工作。方案三增加了定时的功能，并是先编码后锁存。相较而言，方案三更优。2.3 方案选择基于以上原因故选择了方案三3 单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为三个单元模块，它们分别是：抢答器电路模块、可预置时间的定时模块、和报警电路模块。各单元

10、模块功能及相关电路的具体说明如下。3.1.1 抢答器模块设计从以下几方面进行说明：1、此模块的功能有两个，一是能分辨出选手按键的先后，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无效。2、此模块的组成由抢答按钮、优先编码器、锁存器、译码电路和显示电路组成；工作原理是：开关S置于清除端时，RS触发器的 R、S端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的优先编码工作标志端0，使之处于工作状态。当开关S置于开始时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，CTR=1,RBO =1,七段显示电路74LS48处于工作状态，4

11、Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR，使74LS148 优先编码工作标志端，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的 此时由于仍为CTR，使优先编码工作标志端，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。3、模块的结构框图译码显示译码电路锁存器优先编码电路抢答按钮4、模块的具体电路 图3-1抢答器基本结构电路图3.1.2 可预置时间的定时电路模块设计从以下几方面进行说明：1、此模块的功能有两个，一是完成对每个题目的倒计时；二是有提示时间信号灯

12、。 2、此模块的组成由控制开关、十进制计数器、译码电路、显示电路和555定时器组成；工作原理是由555定时器组成的多谐振荡器产生秒脉冲信号接入计数器的时钟脉冲输入端，让其能按秒表一样进行十进制的加减计数，再由译码器译码最后由数显电路显示出时间。3、模块的结构框图控制端多谐振荡器十进制计数器译码电路译码显示4、模块的具体电路图3-2 可预置时间的定时电路图3.1.3 报警电路模块设计从以下几方面进行说明：1、此模块的功能有三个，一是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工作状态；二是当参赛选手手动按抢答键时，扬声器发声，欠发达电路和定时电路停止工作；三是当设定

13、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。2、此模块的组成由555定时器、驱动三极管和扬声器等器件组成；工作原理是其中NE555构成多谐振荡器，振荡频率 1.43（RI2R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为时序控制电路输出的控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。3、模块的具体电路图3-3 报警电路图3.1.4 时序控制电路时序控制电路功能： 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。 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。 当设定的抢答时间到，无人抢答，扬声器发声

14、，同时抢答器和定时电路停止工作。 图3-4 时序控制电路图3.2 电路参数的计算及元器件的选择下面就相关电路中的参数计算以及元器件的选择进行说明。3.2.1 抢答电路此部分电路用的器件主要包括译码电路74LS48、集成锁存器74LS297、优先编码器74LS148和数显七段显示器。因为这些数字集成器件我们在平时的学习中经常接触到，对其逻辑功能和一般的应用都较熟悉，故选择这些元器件。3.2.2 定时电路此部分电路应用到的器件主要包括两片译码器74LS48、两片集成计数器74LS192、555定时器所组成的多谐振荡器和七段显示器。3.2.3 报警电路此部分电路主要用到的器件除基本的电阻电容、三极管

15、和扬声器外，也是555定时器的应用。3.2.4 时序控制电路此部分电路主要用到的器件单稳态触发器74LS121。3.3 特殊器件的介绍本系统中主要使用了如下一些功能器件：74LS148、74LS48、74LS192和555定时器。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。3.3.1 优先编码器74LS148器件介绍优先编码器在同一时间内，当有多个输入信号请求编码时，只对优先级别高的信号进行编码的逻辑电路，称为优先编码器。优先编码器74LS148是一种8线3线优先编码，下面以74LS148为例，介绍它的逻辑功能。表3-1是其真值表，图3-5（a）（b）是其功能简图和管脚引线图。表3

16、-1 74LS148的功能真值表 (a)功能简图 （b）管脚图 图3-5 功能简图和管脚引线74LS148的输入端和输出端低电平有效。图3-5（a）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，1时，编码器禁止编码，当0时，允许编码。是技能输出端，只有在0，而均无编码输入信号时为0。为优先编码输出端，在0而的其中之一有信号时，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输入信号，均不起作用，此时输出只按编码，000。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。3.3.2 译码器74LS48器件介绍设计中选用的译码

17、器型号是74LS48（共阴），其引脚排列如图所示，其中、 BCD码输入端，、 译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。 测灯输入端，“0”时，译码输出全为“1”，数码管七段同时电亮，以检查数码管各段能否正常发光。 灭灯输入端，“0”时，译码输出全为“0”。 作为输出端使用时，称灭“0”输出端，在A=B=C=D=0时，而且 =0时，才会输出低电平，表示译码器把不希望显示的零熄灭了。熄零输入端。用来熄灭不希望显示的零。 图3-6 74LS48管脚图 3.3.3 计数器74LS192器件介绍74LS192是十进制可编程同步加锁计数器，它采用8421码二-十进制编码，并具有直接清零、置

18、数、加锁计数功能。它的逻辑功能真值表如表3-2所示，外引脚和工作波形如图3-7所示。 表3-2 74LS192功能真值表图3-7 74LS192引脚及工作波形图从表3-2可见： 1) 是异步清零端，且高电平有效；2) 是并行置数端，低电平有效，且在有效，是进位端，是借位端；3) 和是两个时钟脉冲。当，时钟脉冲由端接入，并且时，74LS192处于加法计数状态；当脉冲从端输入，且时，74LS192处于减法计数状态；时，计数器处于保持状态。从图3-7可见：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

19、： 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。3.3.4 555定时器件介绍555定时器（又称时基电路）是一个模拟与数字混合型的集成电路，

20、它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5K电阻的分压器而构成。其内部组成框图如图3-3所示，功能表如表3-3所示。 图3-8 555定时器组成框图表3-3 555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端Qn+1放电管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11Qn不变保持 它的各个引脚功能如下：1) 1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2) 8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。3) 3脚：输出端Vo4) 2脚：低触发端5) 6脚：TH高触发端6) 4脚：是

21、直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。7) 5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。8) 7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。3.3.5 触发器74LS279器件介绍原理：在74ls279中，由于4回路中2回路置位端子为两个，所以使用其一时，整理两个置位输入作为1个使用，或将另一个输入固定为“H”使用。另外，作为稍微变化74LS279 的使用方法，也可将3组作为RS锁存器使用，剩余的RS锁存器作为

22、2输入NAND门电路使用，复位输入例如管脚固定为”L”时其输入为”H”，所以可构成将和作为输入，输出为的2输入NAND，如图3-9所示。 图3-9 74LS279管脚引线图3.3.6 单稳态触发器74LS121TTL集成器件74121是一种不可重复触发集成单稳态触发器 关于定时：单稳态电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。74121的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。若输出脉宽较宽，而采用电解电容时，电容C 的正极连接在Cext输出端（10脚）。对于定时电阻，使用者可以有两种选择： 采用内部定时电阻（2 k），此时将9号引脚（Rint）接至电源VCC（14脚）。采用外接定时电阻（阻值

23、在1.440k之间），此时9脚应悬空，电阻接在11、14脚之间。74121的输出脉冲宽度tw0.7RC。 通常R的数值取在230k之间，C 的数值取在10pF10F之间，得到的的取值范围可达到20ns200ms。 该式中的R可以是外接电阻Rext，也可以是芯片内部电阻Rint(约2k)，如希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。图3-10 74LS121管脚引线图表3-4 74LS121功能表4 系统调试4.1 调试环境本文主要进行的仿真模块是抢答器电路模块和可预置时间的定时模块。所用的软件平台是Tina ，它是一个为设计模拟和分析模拟数字以及混合型电子电路用的强大的而又价格适中的软件包，分

24、析的结果可展现在完善的图表中或显示在一系列虚拟设备里。TINA方便使用的电路图编辑器可迅速地建立任何电路。4.2 硬件调试抢答器电路模块，调试结果如下：可预置时间的定时模块，调试结果如下： 调试方法是在软件见面上把仿真按钮的模式设成transient,然后按下仿真按钮即可完成仿真。如果在次过程中没达到预期的效果，就可用探针检查各处电位及连线的接触问题，然后再修正再调试反复进行直到达到预期的效果。5 系统功能、指标参数5.1 系统能实现的功能本设计能实现的功能主要包括两个即基本功能和扩展功能。如下：5.1.1 基本功能（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，有自己编号

25、，其编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。（2）给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。（3）抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。5.1.2 扩展功能（1）抢答器具有定时抢答，且一次抢答的时间长度可以由主持人设定。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的音响。（2）参赛选手在设定的时间内抢答，抢答

26、有效；有效抢答结束定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。（3）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。5.2 系统指标参数测试 通过对系统的一些技术指标进行了测试，测试的方法如下： （1）测试当主持人把开关拨到清零端时显示器是否为零；（2）测试当主持人把开关拨到开始时是否能正常抢答，抢答信号灯是否亮； （3）测试当有几个人同时抢答时，是否锁存器只锁存最先抢答的选手，译码器是否正常译码，显示出对应的选手编号；（4）测试在数据预置端输入的二进制数是否正常预置，在看脉

27、冲信号灯是否正常闪亮，计时器是否正常工作。得出的测试数据与系统要求基本一致，其测试参数记录表3-5如下：表3-5序号编号名称数量说明174LS192十进制可逆计数器2片工作电压5V2NE555555定时器2片工作电压5V374LS48七路显示译码器3片工作电压5V474LS148优先编码器1片工作电压5V574LS279触发器1片工作电压5V67400与非门2片工作电压5V79013三极管1个8R3、R4510电阻3只9R268k电阻2只10R115k电阻 2只11R6100k电阻1只12R51k电阻2只13R710k电阻10只14C10.1uF2只15C10uF1只16C2100uF1只17

28、Speaker扬声器1只8，6V18SW弹片开关7只19LED发光二极管2只5.3 对系统的一些技术指标进行测试通过与设计要求对比进行分析主要有以下几点：1）编号显示分析：我们设计的编号对应是正确的，是0-7八路编号。七段显示器也能正确的现实出来与之对应的编号。但是我们在抢答的实际中没有0号选手，所以需要进的是让显示显示1-8；2）定时分许：在主持人设定时间后，我们的电路能够正确的执行减数计数，可以在抢答竞赛过程中实现倒计时。定时电路需要改进的是可以实现加法计数器；3）报警分许：此部分实现的是报警功能，由于TINA软件本身具有局限性，我们的报警电路在设计过程中遇到困难，报警装置不能正确发声，但

29、是逻辑灯测试正确的。此部分还需要改进，运用到我们的抢答电路中去；总之，我们的设计可以基本实现抢答器要求的功能，但是，由于时间紧迫，软件的局限性等条件的限制，要设计出完美抢答器还需要下来继续去改进实现。5.4 系统功能及指标参数分析通过与设计要求对比进行分析主要有以下几点：1）编号显示分析：我们设计的编号对应是正确的，是0-7八路编号。七段显示器也能正确的现实出来与之对应的编号。但是我们在抢答的实际中没有0号选手，所以需要进的是让显示显示1-8；2）定时分许：在主持人设定时间后，我们的电路能够正确的执行减数计数，可以在抢答竞赛过程中实现倒计时。定时电路需要改进的是可以实现加法计数器；3）报警分许

30、：此部分实现的是报警功能，由于TINA软件本身具有局限性，我们的报警电路在设计过程中遇到困难，报警装置不能正确发声，但是逻辑灯测试正确的。此部分还需要改进，运用到我们的抢答电路中去；总之，我们的设计可以基本实现抢答器要求的功能，但是，由于时间紧迫，软件的局限性等条件的限制，要设计出完美抢答器还需要下来继续去改进实现。6 设计总结通过对这次设计的认真完成，我觉得我们的设计能完成系统要求的功能，其最后仿真效果也比较理想。让我们真正地学到不少东西，收益不少。但还不是很完美，虽然其主体电路效果较好，但在扩展电路方面，还存在一些问题和缺点，可能在一些特殊的场合不能很好的完成一些功能，比如要求能计分的系统

31、。由于软件的局限，不能仿真报警功能，因而没仿真报警部分。故还需要进一步改进。通过对这次课程设计的设计和完成，我学到了很多东西，也体验到了许多以前未体会过的辛苦。总的来说，受益良多！只要敢于尝试，就会有收获，让我深刻地认识到实践与理论相结合是培养学生基本知识和操作技能的一个重要环节，而基本知识和技能的形成则是学生通过观察、模仿、写论文来重复教师在课堂上所讲的知识来实现的。7 谢辞（致谢）在老师的指导下，让我圆满地完成此次课程设计。在此非常感谢张老师对我们的严格要求，使我们学到了很多实用的知识，增强我们的自信心，同时也使自己明白自己存在着很多不足之处，认识到了自己的缺点。在以后的学习中，我会加强理论和实践的结合，不断完善自己，成为一个真正具有综合能力的人才。再次向张健老师和在这次设计中帮助我们的同学表示衷心的感谢！8 参考文献1 姜立华等常用电工电子线路中国电力出版社，2008.22 康华光电子技术基础.数字部分（第五版）北京：高等教育出版社，20063 曹汉房脉冲与数字电路武汉：华中理工大学出版社，19994 张惠敏数字电子技术北京：化学工业出版社，20015 刘守义、钟苏数字电子技术西安：西安电子科技大学出版社，2001 6 李海 74系列芯片手册重庆：重庆大学出版社，1999.9. 9 附录附录1 总原理图附录2 仿真图