智能抢答器电力电子课程设计.docx
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智能抢答器电力电子课程设计
课程设计（论文）
题目名称智力竞赛抢答器
课程名称电子技术课程设计
学生姓名
学号
系、专业
指导教师
邵阳学院课程设计（论文）任务书
年级专业
学生姓名
学号
题目名称
智力竞赛抢答器
设计时间
2013．11．252013．12．6
课程名称
电子技术课程设计
课程编号
121202306
设计地点
电工电子实验室机房
一、课程设计（论文）目的
通过课程设计，使学生加巩固和加深对电子电路基本知识的理解，学会查寻资料、方案设计、方案比较，以及单元电路设计计算等环节，及系统电路的构成。
进一步提高学生综合运用所学知识的能力，提高分析解决实际问题的能力。
锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领，通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。
二、已知技术参数和条件
用中小规模集成芯片设计智力竞赛抢答器
1、数字抢答器应具有数码锁存、显示功能、抢答组数分为八组，即序号0，1，2，3，4，5，6，7，优先抢答者按动本组序号开关，组号立即锁存到LED数码管显示器上，同时扬声器发出声音2－3秒，并同时封锁其他抢答者的输入信号。
2、主持人可将系统复位，LED显示器自动清零灭灯，可再次抢答。
三、任务和要求
1.按学校规定的格式编写设计论文。
2.论文主要内容有：
①课题名称。
②设计任务和要求。
③方案选择与论证。
④方案的原理框图，总体电路图、布线图，以及它们的说明；单元电路设计与计算说明；元器件选择和电路参数计算的说明等。
⑤用protuse或其它仿真软件对设计电路仿真调试。
对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。
⑥收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。
注：
1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；
2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。
四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）
胡宴如主编.《模拟电子技术基础》.高等教育出版社.2011年
张克农主编.《数字电子技术.高教出版社出版.第一版.2010年
彭介华主编.《电子技术课程设计指导》.高教出版社出版.第一版.2002年
《电子电工实验指导书》
电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：
示波器 型号规格VP-5220、电子学习机 型号规格WL-V、万用表 MF10；以及分立元件、或中规模集成芯片。
五、进度安排
2013年11月25日--26日：
收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求
2013年11月27日：
总体方案设计，方案比较，选定方案；
2013年11月28日-12月2日：
单元电路设计，参数计算，元器件选择，电路图；
2013年12月3日-4日：
系统调试改进
2013年12月5日5：
整理撰写设计论文；
2013年12月6日：
答辩
六、教研室审批意见
设计目的明确，要求合理，难度适中，符合课程设计教学要求。
教研室主任（签字）：
2013年11月18日
七、主管教学主任意见
符合课程设计要求
主管主任（签字）：
2013年11月18日
八、备注
指导老师（签名）：
学生（签名）：
邵阳学院课程设计（论文）评阅表
学生姓名：
学号
系：
专业班级
题目名称智力抢答器课程名称
一、学生自我总结
课程设计是培养学生综合应用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
随着科学技术的日新月异，中小模块电路已经成为当今工业体系中的新贵，在日常生活中也常常看到。
因此熟练的掌握和应用单元电路设计成为了每个工科学生必不可缺的知识。
这次课程设计使我进一步熟悉和掌握了各种电子元件的共同结构及工作原理。
学生签名：
2013年12月6日
二、指导教师评定
评分项目
平时成绩
论文
答辩
综合成绩
权重
30
40
30
单项成绩
指导教师评语：
指导教师（签名）：
年月日
注：
1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；
2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。
摘要
数字电子技术已经广泛地运用于计算机，自动控制，电子测量仪器，电视，雷达，通信等各个领域。
例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。
随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电路技术的应用范围将会更广泛的渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。
随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，数字电子逻辑课程设计的进行使我们有了这个非常关键的机会。
抢答器的这一产品是各种竞赛活动中不可缺少的设备，它的发展也是比较快的，从一开始的光具有抢答锁定功能的一个电路，到现在的具有倒计时，定时，自动复位，报警，屏幕显示，按键发光等多种功能的技术合并，这就可以说明其多种功用及发展的快速。
当今智力竞赛抢答器。
有锁定功能抢答器，多功能智力抢答器…可以说是多不胜数。
关键词：
抢答器；复位；显示
目录
摘要··············································I
1引言············································1
1.1基本功能········································1
1.2扩展功能········································1
2方案设计与论证·····································2
2.1方案一··········································2
2.2方案二··········································2
3主要元件功能分析····································3
3.1优先编码器74LS148·································3
3.2RS锁存器74LS279··································4
3.3七段显示译码器74LS48·······························5
4系统分析与设计·····································7
4.1抢答器电路设计与相关元器···························7
4.2报警电路设计与相关元器件···························8
4.3时序电路与相关元器件······························8
4.4定时电路设计与相关元件·····························9
4.5智力抢答器电路原理图······························10
4.6元器件清单·····································11
5系统仿真与调试····································12
5.1Proteus简介·····································12
5.2Proteus的基本操作································12
5.3抢答电路仿真·····································13
总结··············································14
参考文献···········································15
致谢··············································16
1引言
智力竞赛是一种生动活泼的教育方式，而抢答就是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。
抢答能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们迅速增加一些科学知识和生活常识。
但是，在这类比赛中，对于谁先谁后抢答，在何时抢答，如何计算答题时间等等问题，若是仅凭主持人的主观判断，就很容易出现误判。
所以，我们就需要一种具备自动锁存，置位，清零等功能智能抢答器来解决这些问题。
1.1基本功能
①设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8个代表队参加比赛，他们的编号分别是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）和抢答开始。
③抢答器具有数据锁存和显示功能。
抢答开始后，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，同时扬声器给出音响提示。
此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。
优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
1.2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30S）。
当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声音，声响持续时间2S左右。
②参赛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，并保持到组成人将系统清零为止。
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，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时抢答，时间显示器上显示00。
2设计方案与论证
2.1方案一的设计
用单片机以及外围电路组成，由于采用单片机，使得外围电路非常简单，而且功能一般的抢答器还要多。
组成的抢答器具有智能化，性能好，以及可编程控制等优点，但是考虑到单片机花费成本高以及个人对单片机的知识有限，假如我们的课程设计用单片机来设计就会需要我大量的金钱和时间（花在给单片机知识学习与复习上）显得有点“力不从心”，所以不采用。
2.2方案二的设计
利用数字电路来自行设计抢答器。
自行设计的抢答器针对性强，并且还可以兼顾实用性，可靠性以及经济成本的合理性。
另外我对数字电路技术这门课程中的知识的掌握也比较牢固、扎实，能够比较熟练地利用所学知识发挥个人的设计思路，在设计中改进，在改进中设计，针对我们课程设计课题，采用数字电路来自行设计抢答器的方法还可以检查我对我们所学知识的掌握能力，锻炼我们的动手能力，为以后的毕业设计甚至是在一些项目开发中打下基础。
综上述权衡优劣分析，我选择方案二对抢答器进行设计。
抢答器的总体组成框图如图2-1所示。
图2-1抢答器总体框图
3主要元件功能分析
抢答电路的功能有两个：
一是能分辨出选手按按钮的先后，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钮操作无效。
因此，选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279以及译码显示电路完成上述功能。
3.1优先编码器74LS148
74LS148是一八线-三线优先编码器，该编码器由8个信号输入端，3个二进制输出端，输入输出均为低电平有效。
EI为输入使能端，低电平有效，当EI为低电平时，编码器处于工作状态；EO为输出使能端，只有在EI=0，且所有输入都为1时，输出为0；GS表征编码器的工作状态，当且仅当EI为低电平，且输入至少有一各为有效电平时，GS才有效。
因此，可根据EI、EO、GS功能扩展端的特点，对电路进行相应控制。
编码器在抢答电路中功能是判断抢答者的编号。
74LS148引脚图和真值表：
表3-174LS148真值表
图3-174LS148引脚图
3.2RS锁存器74LS279
74LS279是由4个RS锁存器组成，且均为与非门构成的RS锁存器。
其中，1S和3S有两个输入端，S1和S2均为相与的关系。
本设计中，将S2均接高电平，仅利用S1控制输出。
其引脚图如图四所示，下表为SR锁存器的功能真值表，值得注意的是S和R不能同时为高电平，否则输出不确定。
74LS279引脚图及真值表：
图3-274LS279引脚图
表3-274LS279真值表
3.3七段显示译码器74LS48
74LS48为七段显示译码器。
该集成译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。
BI/RBO为灭灯输入，当BI=0时，所有字形熄灭。
LT为试灯输入，当LT=0且RBO=1时，显示字形为8，常用于检测自身的好坏。
RBI为动态灭灯输入，当LT=1，RBI=0且输入均为0时，输出均为低电平，数码管“灭零”。
74LS48引脚图、逻辑图及真值表：
图3-374LS48引脚图
图3-474LS48逻辑图
表3-374LS48真值表
由真值表可以看出译码器74LS48输出高电平有效，用以驱动共阴极数码管。
七段显示译码器一般与七段数码显示器相连，共同构成四输入端的数码显示电路，如图3-5所示：
图3-57448组成的四个输入端的数码显示组合电路
4系统分析与设计
4.1抢答器电路设计
（1）抢答电路的功能有两个：
一是分辨选手按键的先后，并锁存抢答者的编号，供译码显示电路用；二是是其他选手的按键操作无效。
选用优先编码器74LS148和RS锁存器,74LS138,74LS279可完成上述功能。
译码电路选用74LS48芯片具体电路如图4-1所示，其工作原理为：
（2）当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器R为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。
于是74LS48的BI=0,显示器灭灯；74LS148的选通输入ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存器电路不工作。
当主持人开关拨到开“始位”置，优先编码电路和锁存电路同时开始工作，等待输入信号I7，···，I0。
当有选手按下键时，74LS148的输出Y2Y1Y0=010,Yex=0。
经RS锁存器后，CTR=1,BI=1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101。
经过74LS48译码后，显示器显示选手编号。
此外，CTR=1，是74LS148的ST为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其他选手按键的输入。
当按下的键松开后，74LS148的Yes为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他选手的输入不会被接收，保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。
抢答完后主持人使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
电路图如图所示:
图4-1抢答器电路图
4.2报警电路设计
由555定时器和三极管构成的报警电路如图所示。
555定时器构成多谐振荡器，振荡频率f=1.43/（R1+2R2）C。
其输出信号经三极管推动扬声器，PR为高电平时多谐振荡器工作，否则振荡器停振。
图4-2报警电路图
4.3时序控制电路
抢答器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。
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。
图4-3时序控制电路图
4.4定时电路设计
首先主持人根据题的难易程度改变74LS192的输入端D3D2D1D0的电平来确定抢答时间（假定为30秒），555构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。
抢答开始前主持人闭合开关，74LS192的置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。
抢答开始，主持人打开开关，计数器处于计数状态，555产生的秒脉冲与十位74LS192借位输出端（其初始状态为高电平）相与。
计数器递减计数至00，十位74LS192借位输出端为低电平，计数器停止工作，产生报警。
计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。
图4-4定时器电路图
该倒计时显示电路由两个74LS192及两个译码器及七段显示器构成,高位片置数1,低位片置数5,down端接555输出的脉冲,从而实现30秒倒计时。
4.5整机电路设计
经过以上分析，我们将各部分电路连接，并加以适当控制，即得到了八位定时抢答器的总体电路图。
如图4-5所示：
其工作原理是：
八位选手编号分别为0、1、2、3、4、5、6、7，对应按钮分别为S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7；
首先主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的D、C、B、A四个管脚的高低电平来进行（例如要设定时间为60s,就将十位的192的D、C、B、A分别置位为0、１、１、0，而将各位的192的D、C、B、A都置于0）。
当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此高电平分为三路：
一路输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为2S的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能；另一路输出到74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减计数；还有一路输出到锁存器的C端；若没有选手安东按钮，则74LS373输出全为高电平，74LS148也输出高电平，E0端输出低电平至7448的灭灯输入ＲＩ/ＲＢＯ端，使得信号经7448到显示器上时无显示；当任意一路（设1）抢答器按下按钮时，八D锁存器74LS373工作，与输入端相对应的输出端
（1）输出高电平，则锁存器输出的八位电平经8～3八位优先编码器74LS148编码输出的A0～A2成为与输入信号相对应的三位二进制码，而74LS148的管脚15（E0）的输出电平由低变高，输出到七段译码显示器74LS48的二进制码经其译码后输出到七段共阴数码管上，则显示器上显示对应的编号
（1）。
此时，7448的RI/RBO端输出高电平，开关出也输出高电平，二者经过与非门输出低电平，经过与门还是低电平输出到锁存器373的C端，起到所存功能，其他选手若再按动对应按钮也无对应输出，，即实现了抢答功能；同时，由于74LS148的E0段输出高电平输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为2S的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能；同时，74LS148的GS端输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得无脉冲抵达计数器192的Down端。
计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能；当选手回答完问题后，主持人将开关置于“清零”的位置，输出低电平，也是分为三路：
一路与74148的E0端（高）与非后变为高电平输出到373的使能端C，使得锁存器不再锁存数据，此时，抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零；另一路低电平输出到计数器192的LD端，而CR端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据；若在定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，两片74LS192的借位输出端都输出高电平，二者相与后输出高电平到单稳态触发器74121的B端口，使其产生周期为2s的脉冲刺激报警电路发声提示。
图4-5定时器整体电路图
4.6元器件清单
型号
数量
型号
数量
74LS48
3
10K
电阻
11
74LS279
1
100K
电阻
1
74LS192
2
20K
电阻
1
74LS148
1
62K
电阻
1
74LS121
1
100uf电解电容
1
74LS20
1
0.1uf电解电容
2
74LS04
1
10uf电解电容
2
NE555N
2
按键开关
8
1N2222三极管
1
拨档开关
9
1N4148二极管
8
8
喇叭
1
1K
电阻
4
发光二极管
2
表4-1元器件清单
5系统仿真与调试
5.1Proteus简介
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
5.2Proteus的基本操作
首先点击启动界面中的“P”按钮（PickDevices，拾取元器件）来打开“PickDevices”（拾取元器件）对话框从元件库中拾取所需的元器件。
在对话框中的“Keywords”里面输入我们要检索的元器件的关键词；搜索到所需的元器件以后，我们可以双击元器件名来将相应的元器件加入到我们的文档中，那么接着我们还可以用相同的方法来搜索并加入其他的元器件。
当我们已经将所需的元器件全部加入到文档中时，我们可以点击“OK”按钮来完成元器件的添加。
添加好元器件以后，下面我们所需要做的就是将元器件按照我们的需要连接成电路。
首先在元器件浏览区中点击我们需要添加到文档中的元器件，如果其方向不符合你的要求，你可以通过点击元器件调整工具栏中的工具来任意进行调整，调整完成之后在文档中单击并选定好需要放置的位置即可。
接着按相同的操作即可完成所有元器件的布置，接下来是连线。
事实上Proteus的自动布线功能是如此的完美以至于我们在做布线时从来都不会觉得这是一项任务，而通常像是在享受布线的乐趣。
布线时我们只需要单击选择起点，然后在需要转弯的地方单击一下，按照你所需走线的方向移动鼠标到线的终点单击即可。
5.3抢答电路仿真
图5-1抢答器电路仿真图
总结
转眼间两周数字电子课程设计转眼就结束了，通过这次课程设计，我学会了许多课本上学不到的东西，同时也加强了我的动手、思考和解决问题的能力，受益匪浅。
通过本次课程设计，不仅有效巩固了本学期所学数电的相关知识，加强了对重要知识点的记忆和理解，还学会如何运用Protues仿真进行仿真，以及如何使用面包板进行实物制作，受益匪浅，现总结如下。
抢答器的设计在本学期数电实验中操练过，因此对其并不陌生。
但它的功能要求相对于数电实验中的抢答器要更深一步，不仅添加了定时电路、报警电路，其时序控制电路也要比原先复杂。
对于单元电路的设计，均较顺利的完成。
而本设计的难点在于时序控制电路的设计，如何在第一位抢答者抢答题目后让编码器停止工作；如何使计时电路在抢答后停止倒计时；如何让定时电路和抢答电路同时清零。
设计过程中，根据以往抢答器设计思路，及查阅相关资料，可运用74LS279的输出1Q完
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