数电课程设计抢答器.docx
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数电课程设计抢答器
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
信息工程学院
题目:
多路数字定时抢答器设计
初始条件：
本课程设计，要求用集成电路：
74LSl48，74LS279，74LS48，74LSl92，NE555，74LS00，74LSl21和其它器件等，实现八路定时抢答功能。
用蜂鸣器作声电器件，工作电源Vcc为+5V。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：
1周内完成对多路数字定时抢答器的设计、仿真、装配与调试。
2、技术要求：
可同时供8名选手（或代表队）参赛，其编号分别是0到7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应。
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。
抢答器具有数据锁存和显示的功能。
抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并数码管上显示选手的编号，同时扬声器给出声音提示；同时封锁输入电路，禁止其它选手抢答。
优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
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）。
当主持人启动“开始”键后，要求定时器立即进行减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0．5秒左右。
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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止；如果定时抢答的时间已到，而没有选手抢答时，本次抢答无效，系统进行短暂的报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示00。
确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
1功能介绍……………………………………………….3
1.1主要功能介绍………………………………………………….3
1.2扩展功能介绍…………………………………………………..3
2总体方案设计………………………………............................3
3单元模块设计…………………………………………..4
3．1抢答器电路………………………………………………….4
3．2定时时间电路……………………………………………….5
3．3控制电路和报警电路……………………………………….6
3．4振荡电路…………………………………………………….7
4电路参数的计算及元器件的选择……………………………….8
4．1电路参数的计算.…………………………………………….8
4．2元件清单……………………………………………………..8
5主要芯片介绍…………………………………………9
5．1优先编码器74LS148……………………………………9
5．2锁存器74LS279…………………………………………..11
5．3计数器74LS192………………………………………...11
5．4单稳态触发器74LS121…………………………………...12
6八人抢答器仿真……………………………………….13
7系统调试……………………………………………...14
8参考文献………………………………………………..16
9心得及体会……………………………………………..17
1功能介绍
1.1主要功能介绍
（1）抢答器最多可供8名选手参赛，编号为1~8号，各队分别用一个按钮（分别为S1~S8）控制，并设置一个系统清零和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
（2）抢答器具有数据锁存功能,并将锁存数据用LED数码管显示出来，同时蜂鸣器发出间歇式声响（持续时间为0.5秒），主持人清零后，声音提示停止。
（3）开关S作为清零及抢答控制开关（由主持人控制），当开关S被按下时抢答电路清零，松开后则允许抢答。
输入抢答信号由抢答按钮开关S1~S8实现。
（4）有抢答信号输入（开关S1~S8中的任意一个开关被按下）时，并显示出相对应的组别号码。
此时再按其他任何一个抢答器开关均无效，指示灯依旧“保持”第一个开关按下时所对应的状态不变。
1.2扩展功能介绍
（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，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5秒左右。
（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。
2总体方案设计
如图2.11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、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。
图2.1.1
3单元模块设计
3．1抢答器电路功能介绍
设计电路见图3.1.2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，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，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”。
此外，CTR＝1，使74LS148优先编码工作标志端（图中5号端）＝1，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＝1，使优先编码工作标志端为1，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”然后才可能进行。
3．1．1抢答器电路
图3.1.2
3．2定时时间电路功能介绍
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3.2.2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。
3．2．1定时电路
图3.2.1
3．3控制电路和报警电路
由555芯片构成多谐振荡电路,555的输出信号再经三极管放大,从而推动扬声器发声
控制电路包括时序和报警两个电路,如图所示。
控制电路需具有以下几个功能。
主持人闭合开关扬声器发声,多路抢答器电路和计时电路进入正常状态;参赛者按键时,扬声器发声,抢答电路和计时电路停止工作;
抢答时间到,无人抢答,扬声器发声,抢答电路和计时电路停止工作
由功能表可以看出，要使电路实现倒计时（减法）功能，应使CR=0，PE非=1，CP+=1，CP-=CP。
可用CR端接电平开关来控制计时器的工作与否。
声响显示电路需要在两种情况下做出反应：
一种是当有参赛者按下抢答开关时，相应电路的发光二极管亮，同时推动输出级的蜂鸣器发出声响；第二种情况是当裁判员给出“请回答”指令后，计时器开始倒计时，若回答问题时间到达限定的时间，蜂鸣器发出声响。
声响电路由两部分组成：
一是由门电路组成的控制电路，二是三极管驱动电路。
门控电路主要由或门组成，它的两个输入，一个来自抢答电路各触发器输出Q非的与非，他说明只要有一Q非为低电平，就使该与非门输出为高电平通过或门电路驱动蜂鸣发生器；另一个来自
计时系统高位计数器的借位信号QB，它说明计时电路在30秒向29秒，28秒，……2秒，1秒，0秒倒计时再向30秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲经反相器得到一个高电平。
这个高电平信号也能使蜂鸣器发声。
图3.3.1
图3.3.2
3.4振荡电路
本系统需要产生三种频率的脉冲信号，一种是频率为1KHZ的脉冲信号，用于声响电路；一种是频率为500KHZ的脉冲信号，用于触发器的CP信号。
第三中频率为1HZ信号用于计时电路。
以上电路可用555定时器组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频得到。
图3.4
4电路参数的计算及元器件的选择
4．1电路参数的计算
发声延迟0.5秒，fo＝1．43／［（R
＋2R
）C］，权衡考虑到元器件的成本和74LS121的相关性质（下文有说明），最终选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF
4．2元件清单
电子元件清单
序号
名称
型号/规格
数量
备注
1
抢答器PCB板
XDA6
1
张
2
共阴极显示器
3
只
3
电阻
510
2
只
4
电阻
1K
9
只
5
电阻
4.7K
1
只
6
电阻
5.1K
1
只
7
电阻
100K
1
只
8
电阻
10
1
只
9
电阻
15K
1
只
10
电阻
68K
1
只
11
瓷片电容
0.1uf
1
只
12
瓷片电容
10uf
2
只
13
瓷片电容
100uf
1
只
14
瓷片电容
4.7uF
1
只
15
瓷片电容
1uF
1
只
16
瓷片电容
100uF
1
只
17
发光二极管
4148
8
只
18
三极管
3DG12
1
只
19
74LS148
1
只
20
开关
8
只
21
74LS121
1
只
22
74LS48
3
只
23
74LS279
1
只
24
74LS192
2
只
25
74LS00
1
只
26
NE555
1
只
27
细直导线
50厘米
1
条
5主要芯片介绍
5．1优先编码器74LS148
74LS148为8线－3线优先编码器，表5.1.1为其真值表，表5.1.2为其功能表,图5.1.1为其管脚图。
74LS148管脚图
表5.1.274LS1488线—3线二进制编码器真值表
74LS148工作原理如下：
该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。
此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。
当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。
这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。
当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。
表明编码器处于工作状态，否则为1。
由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS＝0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。
EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。
从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，……，0。
输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。
例如5为0。
且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理
5.2锁存器74LS279
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2输入NAND门电路使用，复位输入例如①管脚固定为”L”时其输入为”H”，所以可构成将②和③作为输入，输出为④的2输入NAND，此变换如图5.2.所示。
图5.2.74LS279管脚引线图
5.3计数器74LS192
74LS192具有下述功能：
①异步清零：
CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000
②异步置数：
CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0
③保持：
CR=0，LD=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原态
④加计数：
CR=0,LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数
⑤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。
图5.3.74LS192管脚引线图
5.4单稳态触发器74LS121
TTL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（2kΩ），此时将9号引脚（Rint）接至电源VCC（14脚）。
·采用外接定时电阻（阻值在1.4～40kΩ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tW≈0.7RC。
通常R的数值取在2～30kΩ之间，C的数值取在10pF～10μF之间，得到的的取值范围可达到20ns～200ms。
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2kΩ），如希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。
图5.4.174LS121管脚引线图
74LS121功能表
6八人抢答器仿真
按照总体电路图在仿真软件EWB上一一选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。
下面，我们分两部分对设计出的电路进行EWB仿真。
我们将各部分电路在EWB上连接好后，为各个电阻和电容选取适当值，为各个开关设置好适当的键盘打开数值（例如，为某一开关设为1连接，则启动EWB仿真按钮后，在键盘上按1则此开关就由断开状态变为连接状态）然后打开EWB的开关，即可根据显示器上显示的数字以及小灯泡的亮灭情况来判断电路设计是否成功。
7系统调试
把上面所设计的单元电路连接起来可得到整机电路。
然后可在印刷电路板上焊接分立元件并进行调
试。
在调试的过程中可能会遇到由于逻辑门传输延时的存在而带来的竞争冒险问题,主要表现在当按键
大于8时,在连续按键的情况下大约有10%的可能性误显示为8,
1．测试使用的主要的仪器和仪表是万用表。
2．调试电路的方法和技巧是用红黑表笔测试接电源处是否有电压显示，再用表笔分别测试各集成块和电阻，电容的电压，注意用手背触摸一下，检查各仪器是否发热工作，。
3．测试的数据电压显示为6.69伏等。
4．调试中出现的故障，原因及排除方法有的电阻焊接为虚焊，原因是检查发生漏洞，排除方法是再焊接；74LS148接地引角8不为零，可能焊连，去掉焊连部分。
5.系统功能、指标参数
八个抢答按钮电阻R1~R8：
由74系列参数Iil<=Iil（max）=1.6mA,所以R>=（Vcc-Vol）/Iil=3k,取（R1~R8）=10k。
7.1抢答显示功能测试
按图的有关部分在实验箱上连线，将开关A，B，C，全部处于低电平。
首先拨动开关A，该端发光二极管亮，此时再拨动开关B或C，观察其他发光二极管的情况。
7.2清零功能测试
在以上实验的基础上，将74HC74的所有R端连在一起通过开关J控制。
由表可以看出，74HC74的异步控制信号高电平有效，因此可用R=1实现复位功能。
开关J可以利用实验箱上的电平开关。
常态时，它处于低电平。
拨动开关J，观察二极管是否全灭。
7.3倒计时功能测试
按图的电路在实验箱上连线，计数器的输出可接发光二极管，
在CP作用下，观察发光二极管显示情况。
通过控制CR端的状态，在观察发光二极管显示情况。
7.4声响电路功能测试
按图在实验上连线，可将与非门可反向器的输入端分别通过实验箱上的电平开关来控制状态，观察喇叭发声情况。
8参考文献
【1】阎石.数字电子电路.北京：
中央广播电视大学出版社.1992
【2】康华光.电子技术基础（数字部分）.北京：
高等教育出版社.2000
【3】任为民.数字电子电路学习和实验指导.北京：
广播电视大学出版社.1992
【4】赵雅兴编著.PSpice与电子器件模型.北京邮电大学出版社，2004
【5】Nilsson,JamesWilliam. IntroductiontoPSpicemanualforElectricCircuitsusingorcadrelease9.1. 科学出版社，2003.
【6】辛长平著.电工应用电路图说.电子工业出版社，2006
【7】谢自美主编电子线路设计·实验·测试（第二版）华中科技大学出版社，2000
9心得及体会
经过这次课程设计的学习，我确实学习了很多知识，真正的感受到了理论联系实际的重要性，以及这之间莫大区别，到最后看着自己的结果心里还是感到很欣慰的。
首先摆在我们面前的是要先弄懂所要设计电路的原理，于是最开始我们在拿到题目之后就查找了大量的相关的资料，再加上平时理论课的学习以及充分利用了网络资源和在图书馆借了相关的书籍资料，在仔细分析了这个题目所要达到的目的之后，我们初步确定了原理图。
接下来的是单元电路的设计，以及进一步的分析其原理，实现哪些功能需要哪些电路，在此之间我们用到了以前没有用到过的芯片，但最终我们还是弄清楚了其原理。
经过几天的与大家的一起讨论，做种确定好了符合要求的电路。
看似很复杂的电路就这样被我们攻克了。
接下来的是实验的仿真，这阶段刚开始以为原理图都设计好了，那就应该很简单了，首先是确定用何种软件，接下来碰到的问题是虽然是按着原理图来接线画的，可就是达不到期望的结果，经过了N次的摸索最终还是解决了，对照设计的原理图，发现仿真的图形与设计的有小小的出入，总之最后总算达到了目的，心里很是高兴。
在原理图设计和电路仿真完成后就是焊接电路板了，我认为这个阶段很好的锻炼了我们的动手能力。
由于之前的电工实习让我简单的接触到了焊接实物，以为会比较轻松，但实际焊接起来才发现此次与电工实习中的焊接实物有很大的不同，首先要自己对焊板上元件进行布置和焊接电路元件连线，增加了很大的难度。
由于采用了电路板，为了使步线美观、简洁，还真是费了我们不少精力，经过不断的修改与讨论，虽然做出来的板子不太令人满意，但也是我们自己一步一步做出来的。
在这次课程设计过程中，我发现给我留下了很深的印象。
由于没有接触，开始学得很费力，但到后来就好了。
在每次的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是问别人，因为每个人掌握情况不一样，不可能做到处处都懂，发挥群众的力量，复杂的事情就会变得很简单。
这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就已遇到，向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。
通过这次课程设计，我明白了学会与大家合作的重要性，因为从开始到最后，都是大家一起出主意，一起来解决中间出现的各种问题。
从原理图的最终确定，到波形的仿真，
再到元器件的选择与购买，到最后实物的焊接与调试，这都是大家分工合作的结果，正是因为大家相互配合，才使我们很快的完成了任务。
经过这些天的学习我深刻的体会到实际与理论有很大的区别。
在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。
特别是在仿真过程中对参数的改进和电路图的查找过程中，我深有体会。
我认为这次实习不仅仅学习了软件知识，还提高了我们专业素质。
作为一个电信专业的学生，我深知课程设计的重要性。
这次课程设计我从刚开始的什么都不懂不会，到现在的基本了解了一个电路元件是如何构成的，
完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了数电的知识及相关专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。
实践是检验真理的唯一标准。
理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。
这将有助于我今后更加明确学习的方向，可认识到自己的不足，确定自己的目标，从而更加努力的学习。
只有这样我们才能真正的去掌握它，真正的去运用它。
。
虽然只是初步学会了数字抢答器的设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，因为我有学到了课本以外的很多知识，还锻炼了自己的动手能力。
作为一个电信专业的学生，我深刻体会到课程设计的重要性。
我以后会更加注重这方面能力的培养，在学习好理论知识的同时加强时间能力。
附件6：
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
多路数字定时抢答器设计
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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