电工电子课程设计报告智能抢答器的设计与制作.docx
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电工电子课程设计报告智能抢答器的设计与制作
课程设计
题目
智能抢答器的设计与制作
学院
自动化
专业
电气工程及其自动化
班级
姓名
指导教师
2011
年
07
月
05
日
课程设计任务书
题目:
智能抢答器的设计与制作
初始条件：
（1）可同时供8名选手抢答输入，每人一个开关；
（2）稳定显示与输入开关编号相对应的数字0-7；
（3）主持人一个开关以控制开始或显示清0
（4）当有人抢答时，其对应编号立即显示并锁存，且其他选手被禁止
选作:
设计具有定时抢答功能的电路，由主持人预先设定时间
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）设计任务及要求
（2）方案比较及认证
（3）系统框图，原理说明
（4）硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明
（5）调试记录及结果分析
（6）对成果的评价及改进方法
（7）总结（收获及体会）
（8）参考资料
（9）附录：
器件表，芯片资料
时间安排：
6月27日——6月30日：
明确课题，收集资料，方案确定，仿真
7月1日——7月4日：
硬件电路制作与调试
7月5日——7月8日；报告撰写，交设计报告，答辩
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月
目录
摘要3
1设计内容及要求4
1.1设计内容4
1.1.1基本内容4
1.1.2扩展内容4
1.2设计要求5
2电路设计方案5
2.1智能抢答器总体框图5
2.2单元电路的设计6
2.2.1基于RS锁存器的抢答电路6
2.2.2基于D锁存器的抢答电路8
2.2.3定时电路10
2.2.4方案的选择12
3电路仿真12
3.1仿真软件Multisim的介绍12
3.2用Multisim对电路进行仿真13
3.3仿真结果分析14
4电路扳的制作与调试14
4.1电路板的制作14
4.2电路板的制作过程中的调试15
5．总结16
5.1课题的实用价值16
5.2对课题的建议16
5.3个人心得体会17
6附录19
6.1元件表19
6.2芯片引脚图19
参考文献20
摘要
抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器存在分立元件使用较多，造成每路的成本偏高，而现代电子技术的发展要求电子电路朝数字化、集成化方向发展，因此设计出数字化全集成电路的多路抢答器是现代电子技术发展的要求。
在进行智力竞赛时，需要一种反应准确、显示方便的抢答装置。
按照这一要求，并且根据74LS148的编码器与锁存器的功能特点，我们决定用74LS148和其它几块常用的74LS系列数字集成电路设计出了一种带有定时功能的多路抢答器。
关键词：
抢答器设计仿真定时功能
智能抢答器的设计与制作
1设计内容及要求
1.1设计内容
1.1.1基本内容
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）和抢答的开始。
3.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，并在LED数码管上显示出选手的编号。
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。
1.1.2扩展内容
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，要求定时器立即减计时，并用显示器显示。
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。
1.2设计要求
1.思考用中小规模集成电路组成智力竞赛抢答器电路。
2.比较各种方案的优缺点及方案的选择理由。
3.画出各单元电路图和总体逻辑框图，并且说明原理。
4.正确描述各单元功能，合理选用电路器件，画出完整的电路设计图。
5.调试电路与结果分析。
6.对成果的总结，并且提出改进方案。
7.写出设计总结报告
2电路设计方案
2.1智能抢答器总体框图
本抢答器主要有以下几个部分的设计：
抢答器电路设计与定时器电路设计等。
图1智能抢答器总体框图
整体框图如图1所示。
它由主体电路和扩展电路两部分组成，主体电路完成基本抢答后，选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答，扩展电路是完成定时抢答的功能。
整个电路的工作原理为：
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，定时器倒计开始。
选手在定时时间内抢答时，抢答器完成工作优先判断、锁存、编号显示。
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。
2.2单元电路的设计
我们知道抢答电路的功能有两个：
一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，提供给译码显示电路用；二是要使其它选手按键操作无效。
在锁存优先抢答者的编号这个功能中，我们需要用到锁存器。
锁存器（Latch）是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。
关于锁存器我们可以这样简单的描述：
输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，只有在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号。
通常只有0和1两个值。
常见的锁存器有RS锁存器和D锁存器。
针对这种情况，我设计了两种抢答电路，下面一一介绍。
2.2.1基于RS锁存器的抢答电路
如图2所示为必做实验电路参考图。
电路选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS297来完成。
抢答电路的工作原理:
主持人将控制开关S置于“清除”端时，RS触发器的、端均为低电平，4个触发器输出置全为低电平，使而74LS148的优先编码工作标志端为低电平，使之处于工作状态。
锁存器此时不工作。
当控制开关S置于“开始”端时，优先编码电路与锁存电路同时处于等待工作状态。
当有选手将抢答按键按下时，如编号为3的选手优先按下3号键，则74LS148输出=100，，输出经RS锁存后，=1,七段显示电路74LS48处于工作状态，=011,经译码显示为“3”。
此外，＝1，使74LS148优先编码工作标志端为高电平，处于禁止状态，可以封锁其他按键的输入。
当按键松开时，由于此时为＝1依然成立，使得74LS148优先编码工作标志端为高电平，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及抢答电路的准确性。
如有再次抢答需由主持人将控制开关S重新置“清除”端，然后再进行下一轮抢答。
图2基于74LS279的抢答电路
下面介绍一下RS触发器的工作特性：
1.保持状态。
当输入端接入==1的电平时，如果基本SR触发器现态=1、=0，则触发器次态=1、=0；若基本SR触发器的现态=0、=1，则触发器次态=0、=1。
即==1时，触发器保持原状态不变。
2.置0状态。
当=1，=0时，如果基本SR触发器现态为=1、=0，因=0，会使=1，而=1与=1共同作用使端翻转为0；如果基本SR触发器现态为=0、=1，同理会使=0，=1。
只要输入信号=1，=0，无论基本SR触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为0态。
3.置1状态。
当=0、=1时，如果触发器现态为=0、=1，因=0，会使G1的输出端次态翻转为1，而=1和=1共同使G2的输出端=0；同理当=1、=0，也会使触发器的次态输出为=1、=0；只要=0、=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置1。
4.不定状态。
当==0时，无论触发器的原状态如何，均会使=1，=1。
当脉冲去掉后，和同时恢复高电平后，触发器的新状态要看G1和G2两个门翻转速度快慢，所以称==0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。
基本RS触发器的逻辑图、逻辑符号和波形图如图3所示。
抢答电路中所用芯片74LS279就是由四个RS触发器构成的。
（a）逻辑图（b）逻辑符号（c）波形图
图3基本SR触发器
2.2.2基于D锁存器的抢答电路
电路选用优先编码器74LS148和D锁存器74LS175来完成。
抢答电路的工作原理同RS锁存器的抢答电路的工作原理基本相同。
不同之处在于RS锁存器的功能由D锁存器取代，其基本原理还是一样的，这里就不赘述了。
下图为D触发器组成的抢答电路仿真图：
图4基于D锁存器的抢答电路
表1是D触发器的真值表：
表1D触发器的真值表
下面介绍优先编码器74LS148的工作特性：
74LS148的输入端和输出端低电平有效。
~是8位输入信号，~为3位二进制编码输出信号，＝1时，编码器禁止编码，当＝0时，允许编码。
是技能输出端，只有在＝0，而~均无编码输入信号时为0。
为优先编码输出端，在＝0而~的其中之一有信号时，＝0。
~各输入端的优先顺序为：
级别最高，逐次降低，级别最低。
如果＝0（有信号），则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按编码，＝000（见表2真值表）。
优先编码被广泛用于计算机控制系统中，当有多个外设申请中断时，优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。
在这个抢答电路中，74LS148首先能判断出优先按键选手的编号，并传递给锁存器优先抢答者的编号，进而提供给译码显示电路用，然后就处在禁止编码状态，使得其它选手按键操作无效。
表274LS148真值表
输入
输出
1
X
X
X
X
X
X
X
X
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
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0
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0
0
0
0
0
1
0
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X
X
X
X
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1
0
1
0
X
X
X
X
X
0
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0
1
0
0
1
0
X
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X
X
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
X
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X
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1
1
1
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0
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0
X
X
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1
1
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0
1
0
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0
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1
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1
1
1
1
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0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
2.2.3定时电路
如图5为定时电路的电路仿真图。
该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、2个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。
74LS192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。
图5定时电路
下面介绍显示译码器：
二进制译码器
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