8路数字抢答器.doc

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1、题目：数字式竞赛抢答器l.任务要求数字式竞赛抢答器广泛应用于各种知识竞赛活动中。它具有数字显示抢答者序号功能同时配以声、光报警，以响应抢先抢答者的信号和序号，对犯规抢答者(包括提前和超前抢答)除声、光报警外，还有显示抢答犯规者序号的功能，同时还可以设置记分和奖罚记录等多种功能。2性能指标要求： （1）设计制作一个可容纳8组参赛的数字式抢答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。 （2）根据数字式抢答器的功能和使用步骤，设计抢答者的输入抢答锁定电路、抢答者序号编码、译码和显示电路。 （3）设计定时电路，声、光报警或音乐片驱动电路。 （4）设计控制逻辑电路，起动、复位电路。 （5）设计计分电路，犯规

2、电路。注:抢答器的使用步骤为：(1)电路上电抢答前，由抢答主持人进行系统复位，确定抢答允许时间。(2)抢答主持人发出抢答命令同时按下定时开关。(3)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。3设计与测试按任务要求，设计电路，计算参数，选择元器件。根据所设计电路原理图，选择所需元器件连接电路，并按照调试步骤进行调试。逐步排除故障最终达到设计要求4. 成果要求(1)课程设计说明书一本。要求：内容完整，图表完备，字迹工整，条理清晰，分析有据(2)所用元器件清单(3)电路实体和仿真。要求：电路必须有仿真结果，该电路实体必须是自己安装调试通过并达到性能指标要求的电路实体。5答辩在规定时间

3、内，完成叙述并回答问题。目 录一、 课题设计任务书1.任务要求2.性能指标要求3.设计与测试4.成果要求5.答辩二 、设计方案1.电路的基本功能及原理方框图2.设计方案三.、单元电路设计1抢答器电路2定时电路3 显示电路4报警电路四、电路调试1.检测与查阅器件2.连接电路3.电路调试五、参考文献二 设计方案选择1电路的基本功能及原理方框图（1） 抢答器同时8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S1-S8表示。（2） 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。（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，并在DPY_7-SEG七段数码管上显示

4、选手号码。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。（4） 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（如30 秒）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时。（5）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。（6） 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。 图1 原理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

5、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设计方案电路原理图如图2所示：图2 方案电路原理图当电路接上电源后，整个电路都处于工作状态。当主持人开关打开时，电路处于清零状态。此时，各个触发器的Q端输出都为，假设芯片编码器74LS148处于工作状态，此时，输入的都是高电平，而两输出使能端EO和GS的输出状态分别为0和，EO的输出控制一个与非门，此时这个与非门被封锁。GS的输出信号送到各触发器的JK端，此时都为高电平。也就是

6、说，只要有触发信号来并且R端为时，各触发器就会被触发翻转。当主持人开关合上，指示灯亮，此时电路处于抢答状态，当六位选手中有其中一个把开关合上，其相应的触发器CP 端就相当于有一个下降沿到来，触发器被触发翻转。其Q端输出为，信号输入到优先编码器74LS148中，经编码输送到74LS48七段译码驱动器，最后在显示器上显示选手的代号。在此时，74LS148的两个输出使能端EO和GS分别输出为1和0。这样与非门打开，并输出为低电平。由连接成的单稳态触发器受到触发，输出为高电平，这样就打开了由连接成的多谐振荡电路，喇叭发出抢答成功的声响。同样地，只要在单稳态和多谐振荡电路中选择合适电阻和电容，就可以控制

7、喇叭发声的时间频率。而此时因为GS输出为，各触发器的JK端也就为，就算此时其它选手再把开关合上，其对应的触发器也不会再触发翻转，仍然会保持原来的状态。当主持人把开关断开时，电路又被清零。三、单元电路设计 1 .抢答器电路 图3 抢答器电路如图3所示，电路选用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：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

8、作标志端（图中5号端）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（如图4），CTR=1,RBO(图中4端) =1,七段显示电路74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。图4 锁存电路此外，CTR，使74LS148 优先编码工作标志端（图中5号端），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（图中5号端），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

9、主持人将S开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。74LS148为8线3线优先编码器，表一为其功能表。表一2定时电路原理及设计：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减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图5所示。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，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

10、阴极七段数码显示管DPY_7-SEG 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，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。下面结合图4具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。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 ，即秒脉冲。3显示电路 显示电路（图6）主要是由一个优先编码器74148，一个七段LED译码驱动器7448和一个七段LED数码显示器组成优先编码器74148的功能表在图

11、中已经列出七段LED译码驱动器7448的功能表如图所示在显示电路中，74148的0和7输入是悬空的，只从16输入端输入信号，只要有一个信号输入，就会输出其相应的二进码，这个二进码送到7448中在7448中，D端是接地的，只从CBA三端输入，再译码输出，最后在七段LED显示器中显示出来图6 显示电路表二（七段LED译码驱动器7448功能表）4报警电路 图7 555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7和图8所示。它是由3个阻值为

12、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，

13、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。图8 555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9所示：图9 单稳态触发器电路图 由555组成的单稳态触发器的电路图如图9所示。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

14、时，输出脉冲宽度为。 在这里,单稳触发器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10 多谐振荡电路由555组成的多谐振荡电路如图10所示。 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。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

15、触发器有两个输出端，分别为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： 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11所示：图11由图中可以看到,接上电源后,当信号

16、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。四、组装与电路调试1.检测与查阅器件 用数字即成电路测试仪检测所用的集成电路。通过查阅集成电路手册，标出电路图中各集成电路输入、输出端的引脚编号。2.连接电路按电路图连接电路。先在电路板上插好各种器件。在插器件的时候，要注意器件的活口方向，同时

17、要保证各管脚与插座接触良好，管脚不能弯曲或折断。指示灯的正、负极不能接反。在通电以前先用万用表检查各器件的电源接线是否正确。3.电路调试首先按照抢答器的功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障。若某些功能不能实现，就要设法查找并排出故障，排出故障可按照信息流程的正向（由输入到输出）查找，也可以按信息流程逆向（右输出到输入）查找。(1)显示电路的调试显示电路主要是由一块74148和一块7448芯片以一个七段LED数码显示器组成的。在调试时，可以在编码器的各输入端接上开关，当接上电源后，用各开关打开或断开来判断七段LED数码显示器是否显示正常。(2)锁存电路的调试在调试锁存电路时，我们可以在

18、各触发器的Q端接各接上一个发光二极管，接上电源。主持人开关打开，任意按下一路抢答开关，看其对应的发光二极管是否亮，然后再按其它开关，这时其它的二极管应该不发亮才算正常。(3)清零电路调试清零是由主持人控制的.这个电路比较简单，只有一个指示灯，当主持人开关断开时，指示灯通过接地连接到各触发器的清零端，这时七段LED数码显示器应显示为0，如果不为零则电路不正常。(4)报警电路调试调试本电路时，可以借助示波器来进行。把由555组成的单稳触发器和多谐振荡器的信号输出端分别接到示波器的两个通道上，接上电源，由示波器的波形来判断报警电路是否工作正常。五 参考文献数字电路设计与制作，彭军主编，科学出版社2005年出版。数字电路设计，胡圣尧主编，科学出版社2007年出版。数字电路，唐颖主编，重庆大学出版社2004年出版。