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智力抢答器课程设计论文

课程设计说明书

学生姓名:

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班级:

题目:

智力竞赛抢答器

指导教师：

职称:

2010年1月10日

目录

TOC\o"1-7"\u引言PAGEREF_Toc313826012\h3第一章设计任务书PAGEREF_Toc313826013\h4

1.1设计目的PAGEREF_Toc313826014\h41.2设计要求PAGEREF_Toc313826015\h41.3设计内容PAGEREF_Toc313826016\h4

第二章系统的概述PAGEREF_Toc313826017\h5

2.1总体设计PAGEREF_Toc313826018\h5

第三章单元电路设计与分析PAGEREF_Toc313826019\h7

3.1智力抢答器装置PAGEREF_Toc313826020\h73.2抢答显示电路分析PAGEREF_Toc313826021\h103.3倒计时显示电路及预置倒计时电路分析PAGEREF_Toc313826022\h113.4多谐振荡器电路分析PAGEREF_Toc313826023\h143.5完整电路图PAGEREF_Toc313826024\h153.6在总体电路图解释说明PAGEREF_Toc313826025\h163.7本章小结PAGEREF_Toc313826026\h163.8元器件清单PAGEREF_Toc313826027\h17

设计心得体会PAGEREF_Toc313826028\h18参考文献PAGEREF_Toc313826029\h19

引言

当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出的问题，如果要是让抢答者用举手等方法，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。

比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这就要有一种抢答设备作为裁判员，这就必然离不开抢答器。

抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。

早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。

现在大多数抢答器均使用单片机或数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。

目前数字电子技术已经广泛地应用到计算机、自动控制、电子测量仪表、电视、雷达、通讯等各个领域。

随着科技的发展，现在的抢答器有着数字化，智能化的方向发展，这就必然提高了抢答器的成本。

鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器必将大有市场。

因此，我选择简易逻辑数字抢答器这一课题。

简易逻辑数字抢答器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。

本课题设计了一种采用数字电路制作的多功能数字抢答器，它主要采用了74系列的常用集成电路，它除了具有基本的抢答功能之外，还具有定时报警的功能，和数显的功能，当抢答开始后，系统会自动倒计时，并且时间是可以预设的，期间有人抢答的话系统会停止计时，如果期间没人抢答，系统会有短暂的报警，提示抢答结束。

通过这次课程设计,了解简单多功能数字电路抢答器的组成原理，初步掌握数字电路抢答器的调整及测试方法，提高思考能力和实践能力。

同时通过本课题设计，巩固已学的理论知识，建立逻辑数字电路的理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。

第一章设计任务书

1.1设计目的

利用数字电路的理论和知识进行设计，完成智力竞赛抢答器逻辑功能的数字逻辑功能控制系统。

1.2设计要求

1．四组参赛者在进行抢答时（用4组彩灯代表），当抢先者按下面前的按钮时，抢答器能准确地判断出抢先者，并以声、光为标志。

要求声响、光亮时间为9秒后自动熄灭。

2．抢答器应具有互锁功能，某组抢答后能自动封锁其他各组进行抢答。

3．抢答器应具有限时（抢答时间、回答问题时间）的功能。

限时档次分别为30秒、60秒、90秒；时间到时应发出声响。

同时，时间数据要用数码管显示出来。

4．抢答者犯规或违章时，应自动发出警告信号，以提示灯光闪为标志。

5．系统应具有一个总复位开关。

1.3设计内容

1．电路各部分的组成和工作原理；

2．元器件的选取及其电路逻辑图和功能；3．电路各部分的仿真与调试方法；4．课程设计的心得体会。

第二章系统的概述

2.1总体设计

一个具有计时，锁存，显示，报警，复位等基本功能的四人抢答器主要由编码译码电路（带锁存功能），定时电路，时序控制电路，报警电路等组成。

它的整机逻辑框图如下：

INCLUDEPICTURE"../AppData/Roaming/Tencent/Users/569602437/QQ/WinTemp/RichOle/M_R1R7E%5bB68CT%60（8WJU8DHI.jpg"\*MERGEFORMAT

图1-1四人智力竞赛抢答器系统框图

抢答电路的功能有三个：

一是能分辨出选手操作按键的先后，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操作无效；三是若在9秒内无人回答则锁存电路，禁止该题再被抢答。

因此一定要用到芯片74LS148来对选手进行优先编码，用RS触发器（74LS148）配合74LS148来锁存住按键选手的号码，同时将锁存器中锁存住的信息发送到译码电路中，译码电路再将其输送给显示电路，显示电路便可以显示出抢答选手的号码直至主持人复位。

还有一个问题就是在怎么实现在有人按下键之后，其他人在按键无效。

这可以通过对编码芯片74LS148片选端的控制来实现。

同样要实现在9秒无人抢答后封锁电路，也是通过控制74LS148的片选端来实现的，即使其不能对选手进行编码了。

定时控制电路设计是定时抢答器设计的关键环节。

在本设计中，可采用2片74LS192来实现30/60/90秒倒计时，根据集成电路的原理，给控制个位数显示的那片74LS192一个秒脉冲，即可以驱动显示电路每一秒中变化一次，当然在本设计中74LS192实行减法计数。

在完成十次变化，即十秒钟以后，此芯片便可以产生一个借位信号（低电平）来驱动控制十位的那片74LS192进行减法计数。

为了实现30/60/90秒计数，必须对控制十位的那片74LS192进行置数，即置数为3/6/9，而将控制个位的那片置数为0。

在定时电路计时30秒以后，有定时电路产生一个超时信号，用于标志其时间到。

用实现定时控制必然要有秒脉冲才可以。

根据《电子电工实验教程》一书中对555定时器的应用可知，只要用555定时器组成多谐振荡器，通过计算合理配置元件参数，便可实现一秒脉冲的输出。

既然是抢答，肯定就会有犯规。

所以我们还要设计一个犯规或超时报警电路。

在本设计中我们采用了声光报警，很显然光报警是很容易实现的，关键是如何实现声音报警。

在正常抢答中，我们同样设置了正常抢答的按键声音，为了方便实现，我们是用直流喇叭实现的。

为了与之区分，在本设计中我们采用一定频率的声音来报警。

同样根据《电子电工实验教程》一书中555定时器的应用，我们可以用555定时器来实现。

用他设计一个产生一定频率交流的信号，然后输出给交流喇叭。

要实现抢答器的连续工作，只有以上电路还是不够的，还必须有一个主持人开关，来完成电路的复位、开始等内容。

此部分要必须结合各部分电路的特点设计。

同样，要使抢答器完美的工作，必须将抢答器的各个单元模块有机的结合到一体，使其相互联系。

这就是一个调试过程，不仅要在理论上行的通，还要在实践中行的通。

必须边做边改进。

这样一个完整功能的抢答器才能设计好。

第三章单元电路设计与分析

3.1智力抢答器装置

INCLUDEPICTURE"../AppData/Roaming/Tencent/Users/569602437/QQ/WinTemp/RichOle/VQC））I10_V@%5d3@HUGH5MUXM.jpg"\*MERGEFORMAT

图3-1智力抢答器装置

INCLUDEPICTURE"../AppData/Roaming/Tencent/Users/569602437/QQ/WinTemp/RichOle/ROHX5D%5dR~XLCQU（E（KD1MUG.jpg"\*MERGEFORMAT图3-2RS触发器

如图3-1和3-2所示，电路选用优先编码器74LS148和锁存器74LS279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；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。

工作过程：

系统清除按键按动时，74LS279的四个RS触发器的置0端均为0，使四个触发器均被置0。

1Q为0，使74LS148的使能端EMBEDEquation.DSMT4=0，74LS148处于允许编码状态，同时1Q为0，使74LS48的灭灯输入端EMBEDEquation.DSMT4=0，数码管无显示。

这时抢答器处于准备抢答状态。

当系统清除按键松开时，抢答器处于等待状态。

当有选手将按键开关按下时，抢答器将接受并显示抢答结果，假设按下的是S4，则74LS148的编码输出为011，此代码送入74LS279锁存后，使4Q3Q2Q=100，亦即74LS148的输入为0100；又74LS148的优先编码标志输出EMBEDEquation.DSMT4为0，使1Q=1，即EMBEDEquation.DSMT4=1，74LS48处于译码状态，译码的结果显示为“4”。

同时1Q=1，使74LS148的EMBEDEquation.DSMT4=1，74LS148处于禁止状态，从而封锁了其他按键的输入。

此外，当优先抢答者的按键松开再按下时，由于仍为1Q=1，使EMBEDEquation.DSMT4=1，74LS148仍处于禁止状态，确保不会接受二次按键时的输入信号，保证了抢答者的优先性。

74LS148：

表3-174LS148真值表

Inputs

Outputs

EI_0_1_2_3_4_5_6_7_A2_A1_A0_GS_EO__H_X_X_X_X_X_X_X_X_H_H_H_H_H__L_H_H_H_H_H_H_H_H_H_H_H_H_L__L_X_X_X_X_X_X_X_L_L_L_L_L_H__L_X_X_X_X_X_X_L_H_L_L_H_L_H__L_X_X_X_X_X_L_H_H_L_H_L_L_H__L_X_X_X_X_L_H_H_H_L_H_H_L_H__L_X_X_X_L_H_H_H_H_H_L_L_L_H__L_X_X_L_H_H_H_H_H_H_L_H_L_H__L_X_L_H_H_H_H_H_H_H_H_L_L_H__L_L_H_H_H_H_H_H_H_H_H_L_L_H__

图3-374LS148逻辑图

74LS279：

表3-274LS279真值表

Inputs

Outputs

EMBEDEquation.DSMT4

EMBEDEquation.DSMT4

EMBEDEquation.DSMT4

H

Ｈ

Ｑ０

Ｌ

Ｈ

H

Ｈ

Ｌ

L

Ｌ

Ｌ

Notsure

H-高电平，L-低电平Q0—规定的稳态输入条

件建立前Q的电平

——对于有/SA和/SB的锁存器，H：

/SA和/SB均为HL：

/SA和/SB均为L，或者/SA或/SB为L

图3-474LS279逻辑图

74ls279是四个基本rs触发器，输入的是r非、s非。

当r非端输入1，s非端输入0，则Q为1。

当r非端输入0，s非端输入1，则Q为0。

当r非端输入1，s非端输入1，则Q为保持。

四个锁存器中有两个具有置位端（SA，SB）。

即当S为低电平、R为高电平时，输出端（Q）为高电平。

当S为高电平、R为低电平时,Q为低电平。

当S和R均为高电平时，Q被锁在已建立的电平。

当S和R均为低电平时，Q为稳定的高电平状态。

对SA和SB，S的低电平表示只要有一个为低电平，S的高电平表示SA和SB均为高电平。

3.2抢答显示电路分析

图3-4抢答显示电路

抢答显示模块由3-8线集成译码器74LS138、发光二极管等构成。

74LS138：

3线－8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式，其74LS138工作原理如下：

当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/（G2A）和/（G2B））为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。

表3-374LS138真值表

HYPERLINK"\t"_blank"INCLUDEPICTURE"\*MERGEFORMATINET

HYPERLINK"\t"_blank"INCLUDEPICTURE"\*MERGEFORMATINET

图3-574LS138内部电路

3.3倒计时显示电路及预置倒计时电路分析

INCLUDEPICTURE"../AppData/Roaming/Tencent/Users/569602437/QQ/WinTemp/RichOle/F（HH10RY~JVH%25%7dLV23_J5%60S.jpg"\*MERGEFORMAT

图3-6倒计时装置

74LS48D芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，在本电路中，我使用它驱动七段数码管记性数字显示。

而74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和计数等功能。

具体如下：

74LS48：

INCLUDEPICTURE"\*MERGEFORMATINET

图3-774LS48管脚图

INCLUDEPICTURE"../AppData/Roaming/Tencent/Users/569602437/QQ/WinTemp/RichOle/$P3E61GDW（2GCX%7bG8CUB%7d69.jpg"\*MERGEFORMAT

图3-874LS48真值表

74LS148输出端（YA~YG）为高电平有效，可驱动共阴极VLED。

引脚：

A~D—译码地址输入端；/LT—灯测试输入端（低电平有效）；

/BI.RBO—消隐输入（低电平有效）；/RBI—脉冲消隐输入（低电平有效）

74LS192INCLUDEPICTURE"../AppData/Roaming/Tencent/Users/1944758579/QQ/WinTemp/RichOle/@NKDA（RV5V9MGTER%60KA~）V1.jpg"\*MERGEFORMAT

图3-1074LS192真值表

引脚：

CPU（UP）—加计数时钟输入端；CPD（DOWN）—减计数时钟输入端；

LOAD为预置输入控制端，低电平保持，高电平有效；/CR为复位输入端，低电平有效；BO为借位输出：

0000状态后负脉冲输出

3.4多谐振荡器电路分析

INCLUDEPICTURE"../AppData/Roaming/Tencent/Users/569602437/QQ/WinTemp/RichOle/E@YR4H$EAD4B@QJC1MGV_83.jpg"\*MERGEFORMAT

图3-11多谐振荡器电路

用555定时器组成多谐振荡器输出方波脉冲，频率为1Hz。

设计电路如下。

在此电路中根据产生脉冲振荡频率的计算公式EMBEDEquation.3f=EMBEDEquation.3，取EMBEDEquation.3，EMBEDEquation.3，C=10EMBEDEquation.3即可以实现。

为了从视觉上观察秒脉冲，特设置一脉冲指示灯。

表3-4555定时器的功能表

清零端EMBEDEquation.3

高触发端TH

低触发端EMBEDEquation.3

Qn+1

放电管T

功能

0

EMBEDEquation.3

EMBEDEquation.3

0

导通

直接清零

1

EMBEDEquation.3

EMBEDEquation.3

0

导通

置0

1

EMBEDEquation.3

EMBEDEquation.3

1

截止

置1

1

EMBEDEquation.3

EMBEDEquation.3

Qn

不变

保持

3.5完整电路图

3.6在总体电路图解释说明

本抢答器为四路抢答器J1、J2、J3、J4分别为抢答开关，J5为裁判开关.当裁判开关闭合时，可以进行抢答,最先按下开关的选手对应的号码将在发光二极管上显示，并使对应发光二级管亮。

同时倒计数计时电路还记下选手抢答时的时间.计时器的倒计时的时间可有裁判预先设定为60秒.如果60秒之内没有选手抢答此题无效,并使二极管发光。

从而重新进行下一题的抢答。

3.7本章小结

本章主要讲述了抢答器的工作原理和本设计系统的工作流程。

在说明工作原理的过程中，突出了抢答器设计中的基本电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能；在说明系统的流程时，结合本设计的内容，指出了各单元电路的设计方法和意义，以及如何进行抢答控制。

3.8元器件清单

数量

描述

参考标识

封装

3

74LS,74LS279D

U21,U6,U5

Generic\DO16

2

RESISTOR,10kΩ5%

R11,R9

Generic\RES0.25

2

74LS,74LS192D

U12,U11

IPC-7351\DO16

2

74LS,74LS48D

U14,U13

IPC-7351\DO16

1

74ALS,74ALS04BM

U22

IPC-7351\M14A

1

DSWPK_9

J3

Ultiboard\DIPSW9H

1

RPACK_VARIABLE_1X10,1000Ω

R10

Generic\SIP-11

1

74LS,74LS147D

U4

IPC-7351\DO16

1

1X4SIP,1X4SIP300Ω

R8

Generic\SIP-5

1

74LS,74LS138D

U2

IPC-7351\DO16

1

LED_orange

LED5

Ultiboard\LED9R2_5Vo

2

LED_red

LED4

Ultiboard\LED9R2_5Vi

1

LED_green

LED3

Ultiboard\LED9R2_5Vg

1

LED_blue

LED2

Ultiboard\LED9R2_5Vb

1

74LS,74LS00D

U19

IPC-7351\DO14

1

1X8SIP,1X8SIP10kΩ

R1

Generic\SIP-9

1

74LS,74LS148D

U1

Generic\DO16

1

DIPSW2

J2

Ultiboard\DIPSW2H

1

74LS,74LS11D

U15

IPC-7351\DO14

1

74LS,74LS125D

U8

IPC-7351\DO14

设计心得体会

接近两周的课程设计既考察了我们对数子电路知识的掌握情况,也使学过的知识得到了很好的巩固与复习，更重要的是它把原来所学的理论知识与实际的生活联系在了一起,使学习变成了一种乐趣,使知识能够更加形象具体的被掌握。

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，通过动手设计仿真让我们对各个元件印象深刻。

认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。

挫折是一份财富，经历是一份拥有。

这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

希望以后还能够有像这次一样自己动手的机会。

参考文献

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高等教育出版社，1999年.[2]彭华林等编.数字电子技术.长沙：

湖南大学出版社，2004年.[3]金唯香等编.电子测试技术.长沙：

湖南大学出版社，2004年.

[4]侯建军.数字电路实验一体化教程.北京：

清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005年.

[5]阎石.数字电子技术基础.北京：

高等教育出版社，2001年.[6]郝波.数字电路.北京：

电子工业出版社，2004年.

[7]HYPERLINK"\t"result2"