八路抢答器报告.pdf

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1、 1 目录 一、设计任务和要求.2 二、设计的方案的选择与论证.3 2.1 系统设计思路.3 2.2 系统设计的原理框图.3 2.3 设计方案的可行性论证.4 三、主要器件介绍.5 3.1 555 定时器.5 3.2 主要芯片介绍.6 四、单元电路设计、分析与仿真.8 4.1 抢答判别和显示电路.8 4.2 定时抢答与六路彩灯循环电路.10 4.3 报警电路.11 4.4 加减计分电路.12 4.5 时序控制电路.13 五、设计心得.15 六、附录.16 元器件明细表.16 七、参考文献.17 2 一、设计任务和要求 1.1 设计目的（1）掌握抢答器电路的原理。（2）了解数字集成电路的使用方法

2、。（3）进行电路设计，并学会运用 Protel 等电路设计及仿真软件。（4）熟悉 Multisim 的基本使用方法，并运用其进行电路的仿真。1.2 设计任务 设计一个智力竞赛抢答器，可同时共 8 名选手参加比赛，并具有定时抢答功能。1.3 设计要求 1.3.1 抢答器的基本功能（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，他们的选号分别是 1、2、3、4、5、6、7、8，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 S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8。（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）和抢答器的开始。

3、（3）抢答器具有数据锁存和显示的功能。1.3.2 抢答器的扩展功能（1）抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如 30 秒）。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用数码显示器及对应选手指示灯显示，同时扬声器发出短暂的声响。（2）参加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，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统发出持续报警声，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。（4）设计计分电路。每组在开始时预置成 60 分，抢答后主持人计分

4、，答对一次加 10 分，答错一次减十分。（5）六路彩灯循环电路。主持人宣布抢答开始按下抢答开关后，六路循环彩灯依次闪亮，直到选手抢答成功或者抢答时间到为止。3 二、设计的方案的选择与论证 2.1 系统设计思路（1）本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可选择使用触发器或锁存器等。在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁，即使其他组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。（2）当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别，也可以用发光二极管直接指示出组别。（3）主持人宣布开始时，循环彩灯闪亮，当选手抢

5、答成功后循环彩灯停止闪亮，选手开始回答问题，由主持人判断正误，正确加十分，错误减十分。（4）在主持人没有按下开始抢答按钮前，参赛者的抢答开关无效；当主持人按下开始抢答按钮后，开始进行 30 秒倒计时，此时，若有组别抢答，显示该组别并使抢答指示灯亮表示“已有人抢答”；当计时时间到，仍无组别抢答，则系统发出报警声表示“时间已到”，主持人清零后开始新一轮抢答。综上，该八路抢答器应包括以下几个部分：抢答判别和显示部分、定时部分、彩灯循环闪亮部分，加减计分部分，时序控制部分、报警部分。2.2 系统设计的原理框图 图 2.1 设计原理框图 4 2.3 设计方案的可行性论证 抢答器的工作过程是：接通电源后，

6、节目主持人置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答节目后，发出“抢答开始”指令，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器计时，彩灯循环电路开始工作。当计时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并锁存输入电路，禁止选手超时后抢答，同时彩灯循环电路停止工作。但选手在定时时间内按动抢答器时，抢答器要完成以下六项工作。（1)首先把选手的编号锁存，然后优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，然后由译码显示电路显示编号。同时 74LS373 芯片将选手编号锁存，然后通过选手对应指示灯亮提示成功抢答的抢答者。（2

7、）彩灯循环电路停止工作。（3)扬声器发出短暂声响，提醒主持人注意。（4)控制电路要对输入电路进行封锁，避免其他选手进行抢答。（5)控制电路要使定时器停止个工作，时间显示器显示剩余的抢答时间，并保持到主持人系统清零为止。（6）当选手将问题回答完毕，主持人判断正误，正确给对应选手加十分，错误减十分。主持人操作控制开关，使系统恢复到禁止工作状态，以便进行下一轮的抢答。综上所述，此方案可实现设计任务的基本功能以及扩展功能，因此，此方案可行。5 三、主要器件介绍 3.1 555 定时器（1）电路组成及其引脚 图 3.1 555 内部电路及其引脚图 （2）555 电路构成多谐振荡器 30k100k10uF

8、5V10nFLMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2 图 3.2 555 构成多谐振荡器及其波形图 振荡周期为 12(2)ln2TRR C 6（3）555 电路构成单稳态触发器 LMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI25V20k100nF10nF 图 3.3 555 构成单稳态触发器及其波形图 输出脉冲宽度 ln31.1wtRCRC 3.2 主要芯片介绍 （1）74LS373 图 3.4 74LS373 引脚图及其功能表 （2）74LS279 图 3.5 74LS279 引脚图及其功能表 7（3）74LS148 图

9、 3.6 74LS148 引脚图及其功能表（4）74LS192 图 3.7 74LS192 引脚图及其功能表（5）74LS121 图 3.8 74LS121 引脚图及其功能表 8 四、单元电路设计与仿真分析 八路竞赛抢答器由抢答判别和显示电路、六路彩灯循环电路、定时抢答电路、加减计分电路、报警电路、时序控制电路组成，从而实现各个要求功能。具体设计如下：4.1 抢答判别和显示电路 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，同时有相应发光二极管点亮和数码显示。使用优先编码器 74LS148，锁存器 74LS279 和 74LS373 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按

10、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），对应选手的指示灯亮；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效，所组成的电路图如下所示：Key=Space5V74LS48D74LS279D74LS279D74LS148D00010k10k10k10k10k10k10k10k10k74LS00D500Key=1Key=2 Key=3Key=4Key=5Key=6Key=7Key=874LS04D74LS279D74LS279D74LS279D74LS279D74LS283D0074LS373N1k5V300Key=Space 图 4.1 抢答判别和显示电路

11、 9 这个电路的工作原理过程：当主持人控制开关 S 置于清零端时，RS 触发器的 R 非端均为 0，4 个触发器输出（Q4Q1）全部置 0，使 74LS48 的 BI的非0，显示器灯灭；74LS148 的选通输入端 EI 的非=0，使之处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人把开关 S 置于开始时，优先编码器和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端的信号输入，当有选手将键按下时（如按下 S5），四个 RS 触发器起到保持信号的作用，输入的信号进入 74LS148，使 74LS148 的输出 A2A1A0 的非=010，GS的非=0，经 RS 锁存后，CTR=1，BI

12、的非=1，74LS279 处于工作状态，Q4Q3Q2=101,74LS48 处于工作状态，经 74LS148 译码后，显示器显示为5。此外，CTR=1，使 74LS148 的 EI 的非为高电平，74LS148 处于禁止工作状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148 的 GS 的非为高电平，但由于 CTR 维持高电平不变，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以及抢答电路的准确性。另外，当主持人控制开关 S 置于清零端时，锁存器 74LS373 的 D1D8为高电位，由于 OC 的非端接地，锁存器允许控制 ENG 为高电平，输

13、出 Q1Q8 随 D1D8 的输入变化，即都为高电平，8 个 LED 灯均不亮；当开关 S1S8 有一个开关 Si 按下时，在输入通道中则有一路 Di 接地为低电平，对应的Qi 也为低电平，对应的 LED 指示灯 Li 发光，由此引起 74LS373 芯片的 ENG电位降低，输出被锁存（Q 不能随 D 再变化），也保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将开关重新置“清除”，电路复位，准备第二次抢答。用 Multisim 仿真结果如下：10 00000 图 4.2 抢答判别和显示电路仿真分析 4.2 定时抢答电路与六路彩灯循环电路 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

14、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。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192 进行设计，具体电路如下：74LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR1474LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14DCD_HEXDCD_HEX30k100k10uF10nFLMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI274LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11B

15、O13CO12CLR1474LS138DY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16G2A4G2B5300300300300300300Key=Space5V10k 图 4.3 定时抢答电路与六路彩灯循环电路 CTR 端的示波器波形：如下图，拨动开关后，CTR为零，有人抢答时，CTR 上跳，主持人“清零”时，CTR 下跳。11 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。完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，进行 30s 倒计时，到 0s 时倒计时指示

16、灯灭。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。另外，当抢答开始时，主持人将开关置于开始位置，随着定时抢答电路倒计时的开始，六路彩灯循环电路开始工作，它由计数器和译码器组成，555 组成的多谐振荡器输出脉冲，送入计数器 74LS192 中，再由译码器译码，驱动六个 LED 灯依次闪亮，当有人抢答或者倒计时结束时，彩灯停止闪亮。用 Multisim 仿真结果如下：74LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR1474LS192DA

17、15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14DCD_HEXDCD_HEX30k100k10uF10nFLMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI274LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR1474LS138DY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16G2A4G2B5300300300300300300Key=Space5V10k 图 4.4 定时抢答电路与六路彩灯循环电路仿真分析 4.3 报警电路 这部分

18、电路我们是用由 555 定时器和三极管构成。报警电路如下图所示：12 U11LMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R310kR420kC2220nFC310nFR51kQ12N2222AR61kU12BUZZER1kHz C410uFVCC5VCP 图 4.5 报警电路 由 555 定时器和三极管构成报警电路。其中 555 构成多谐振荡器，振荡频率121.43/(2)ofRR C，其输出信号经三极管推动扬声器。PR 为控制信号，当 PR 为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。控制输入信号为经过编码的抢答选手的信号，当主持人宣布抢答开始时，有人在有

19、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。4.4 时序控制电路 时序控制电路是八路抢答器设计的关键，因为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人正常抢答工作状态。（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以及抢答器电路，我们设计的时序控制电路如下：13 U27LMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2

20、VCC5VVCC5VR208C9100nFC1010nFU28A74LS04DU30LMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R218C11100nFC1210nFU19A74LS02DU17LMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2VCC5VR18500C710uFC810nFX174LS121CCV0V09Rint9RintCRCRA1A1BBA2A2V0_V0_R22kC16uFVCC5VU15A74LS00DU1A74LS04DU25A74LS04DU26A74LS12DCP定 时 到 信 号G3G1G2时 钟

21、 信 号EI 图 4.6 时序控制电路 电路图的工作原理是：主持人控制开关从清除位置拨到开始位置时，来自于抢答电路中的74LS279的输出 CTR=0，经 G3 反相，A1，则从 555 输出端来的时钟信号CP 能够加到 74LS192的 UP 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，来自于定时电路的74LS192 的错位输入端 BO2 的非=1，门 G2 的输出 EI 的非=0，使 74LS148 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，CTR1，经 G3 反相，A0，封锁 CP 信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2 的输出 EI

22、的非=1，74LS148 处于禁止工作状态，从而实现功能（2）的要求。当定时时间到时，来自 74LS192 的 BO2 的非=0，EI 的非=1，74LS148 处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门 G1 处于关门状态，封锁 CP 信号，使定时电路保持 00 状态不变，从而实现功能（3）的要求。同理，可分析设计将集成单稳触发器 74LS121 用于控制报警电路及发声的时间。4.5 加减计分电路 加减计分电路实现的功能是，给每位选手预置分数为 60 分，当选手抢答成功并回答问题时，由主持人判断正误，正确加十分，错误减十分，比赛结束时，根据各选手的最后分数确定出选手的名次。其电路图设计如下

23、：14 百DCD_HEX41322314VCC5VVCC1R110k1122U474LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14十DCD_HEX41322314U274LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14个DCD_HEX41322314U674LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14J5Key=S22441133J6Key=R2244113311J3Key=I22441133J1Key=

24、D22441133置 数减 10分加 10分清 零11 图 4.7 加减计分电路 该部分主要由三个十进制同步加减计数器 74LS192 组成。其工作原理是：开关 J4 是置数端，当按下此开关时，三个计数器的 LOAD 端为低电平，处于置数状态，将抢答者的初始分数置为 60；开关 J1 为清零端，当按下此开关时，抢答者的分数清零；开关 J2 为加分端，当按下此开关时，抢答者的分数加十分；开关 J3 为减分端，当按下此开关时，抢答者的分数减十分。用 Multisim 仿真结果如下：百DCD_HEXVCC5VR110kU474LS192D0十DCD_HEXU274LS192D0个DCD_HEXU67

25、4LS192D0J5Key=SJ6Key=RJ3Key=IJ1Key=D置 数减 10分加 10分清 零 百DCD_HEXVCC5VR110kU474LS192D0十DCD_HEXU274LS192D0个DCD_HEXU674LS192D0J5Key=SJ6Key=RJ3Key=IJ1Key=D置 数减 10分加 10分清 零 图 4.8 加减计分电路仿真 15 五、设计心得 刚接到课设的题目时，我们就开始查找资料，阅读相关书籍，比较各种方案，最终选择了这种。我们认真分析原理，画部分电路图，一步一步的仿真，开始做的时候，遇到了很多问题，总是调试不成功，我们就认真找错误，修改电路的参数，耐心的解

26、决每一个问题，当部分电路调试成功时，我们又把这些电路连成一个整体，经多次调试修改才得以成功实现它的功能，当时心里别提有多开心了。通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的。这次课程设计是我明白做任何事都得有耐心，只要按照总体思路一步步进行下去，我们就可以设计出合适的电路，千万不可以半途而废。然而团队合作是非常重要的，毕竟

27、一个人的想法是有限的，通过小组讨论可以解决很多自己解决不了的问题，在这次设计过程中，通过我们全组成员共同的努力，终于完成了这个八路竞赛抢答器的设计。总之，通过这次练习我有了很多收获。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了动手能力。在改进电路的过程中，同学们共同探讨，最后的电路已经比初期设计有了很大提高。这让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。16 六、附录 6.1 总电路图 6.2 元器件明细表 元器件 数量 元器件 数量 共阴极数码管 6 电阻 500 2 扬声器 1 电阻 10K 1 555 定时器 5 电阻 62K 1

28、 74LS192 6 电阻 2K 1 74121 1 电阻 10K 12 发光二极管 16 电阻 20K 1 74LS04 4 电阻 300 7 74LS00 1 电阻 8 2 74LS48 1 电阻 1K 3 74LS373 1 电容 0.1uF 2 74LS138 1 电容 10uF 3 74LS283 1 电容 10nF 5 74LS279 6 电容 220nF 1 74LS148 1 电容 6uF 1 74LS12 1 导线 若干 74LS02 1 单刀双掷开关 1 17 七、参考文献 1 阎石数字电子技术基础（第四版）北京：高教出版社，1998 2 刘鸣电子线路综合设计实验教程天津：天津大学出版社，2008 3 贾更新电子技术实验与课程设计西安：西北工业大学出版社，2010 4 王彩君，杨睿，周开邻数字电路实验北京：国防工业出版社，2006 5 苗松池电子实习与课程设计北京：中国电力出版社，2010