四人抢答器.docx
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四人抢答器
成绩
课程设计说明书
课程名称：
数字电子技术
设计题目：
四人抢答器
院系：
电子信息与电气工程学院
学生姓名：
学号：
201102010063
专业班级：
自动化2011级2班
指导教师：
李立
2013年6月7日
课程设计任务书
设计题目
四人抢答器
学生姓名
王森
所在院系
电子信息与电气工程学院
专业、年级、班
自动化2011级2班
设计要求：
1、设计制作一个可容纳四人参赛的抢答器，每人一个抢答开关。
2、设置一个抢答开始按键，同时设置抢答定时电路，且计时起点与抢答命令同步，计时终点是第一个抢答者的抢答信号到来，超时而无人抢答题目作废。
3、系统具有第一抢答信号鉴别和锁存功能，主持人发布抢答命令后，第一抢答者按下抢答键后，电路应记下第一抢答者的组别，并封锁其他各组的抢答信号，即其他任何一组的抢答信号都不会使电路响应。
4、系统采用声光指示第一抢答者：
用扬声器提示第一抢答者产生；用发光二极管指指示第一抢答者。
学生应完成的工作：
设计一个四人抢答器的控制电路，并利用Multisim软件进行电路仿真。
利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。
根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。
参考文献阅读：
[1]秦长海,张天鹏,翟亚芳.数字电子技术[M].北京大学出版社,2012.
[2]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:
高等教育出版社,2005.
[3]邱关源,罗先觉,电路（第五版）[M].北京:
高等教育出版社,2006.
[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京:
高等教育出版社,2005.
[5]谷树忠,刘文洲,AltiunDesigner教程[M].电子工业出版社,2012.
工作计划：
5月27号完成电路图的设计；5月28号进行Multisim仿真；5月29号—5月31进行原理图及PCB设计；6月3号—4号制作PCB板；6月5号—7号电路板安装与调试，提交课程设计报告。
任务下达日期：
2012年5月27日
任务完成日期：
2012年6月7日
指导教师（签名）：
学生（签名）：
四人抢答器
摘要：
设计制作了一个四人抢答器控制电路，该电路具有第一抢答信号鉴别和锁存功能。
该电路主要有抢答电路、报警电路、显示电路、时钟电路四部分构成，其中，抢答电路部分由74LS175、74LS00、555定时器构成；报警电路部分由蜂鸣器构成；显示电路由共阳极显示译码器、74LS192、74LS47构成；时钟电路部分由555定时器、触发器74LS74、74LS192、74LS00、74LS175构成。
利用Multisim10对设计的电路进行仿真，可以得到，当闭合主持人控制的开关后，第一个抢答者按下抢答键，与第一抢答者相对应的LED灯会亮，时钟电路停止倒计时并伴随有报警声，并封锁其他各组抢答信号，使电路不会再响应。
在无人抢答时，时钟电路完成9到0的倒计时后，会有报警声提示。
关键词：
四人抢答器；抢答信号；声光报警；定时电路
目录
1．设计背景……………………………………………………………1
1.1数字电路........................…………………………………1
1.2时钟电路............................…………………………………11.3本次课程设计实验目的......…………………………………1
2.设计方案…………..…………………………………………2
2.1课程分析……………………………………………………………2
2.2方案论证……………………………………………………………2
3.方案实施……………………………………………………………3
3.1电路图设计……………….…………………………………………3
3.2Multisim电路仿真…………………………………………7
3.3利用AltiumDesigner进行原理图设计.............................9
3.4利用AltiumDesigner进行PCB制作…...........................10
3.5安装与调试………………………………………………………11
4.结果与结论…………………………………………………………12
5.收获与致谢…………………………………………………………12
6.参考文献……………………………………………………………13
7.附件………………………………………………………………14
7.1电路原理图……………….......……………………………………14
7.2PCB图......………......………………………………………14
7.3PCB布线图................................................................15
7.4实物图.......................................................................15
7.5元器件清单…….........................………....….………………16
1.设计背景
1.1数字电路
模拟电路是处理模拟信号的电子电路，用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。
由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。
现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。
1.2时钟电路
时钟电路就是产生产生一定频率的脉冲信号，任何工作都按时间顺序。
用于产生这个时间的电路就是时钟电路。
时钟电路主要由555定时器、电阻、电容组成。
555定时器能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
555定时器在四人抢答器中构成多谐振荡器，起到了计时的作用。
555集成在应用当中主要有以下三种工作方式：
1．施密特触发器用途：
整形，鉴幅。
2．单稳态触发器用途：
整形，延时，定时。
3．多谐振荡电路用途：
整形，定时，产生矩形脉冲。
1.3设计目的
通过电子技术课程设计，系统地、全面地掌握电子电路系统的基本设计方法、设计步骤，熟悉和掌握电路参数的计算方法，掌握电路元器件的选择与应用方法，学习电子电路原理图设计、PCB板设计和电子电路系统的制作、安装、调试、测试、故障查找与排除的方法和技巧，并在此基础上，逐步调试改进、完善电路的性能。
能够按照设计任务的要求，查阅并理解相关技术文献，能进行方案的论证比较，方案的具体实施生，深入地了解与课程设计有关的知识，培养分析和解决实际问题的能力。
2.设计方案
2.1课程分析
四人抢答器主要包括抢答电路，报警电路，显示电路，时钟电路。
实现抢答电路需要用到4D触发器、555定时器；实现报警电路需要用到蜂鸣箱；实现显示电路需要用到192计数器、显示译码器和共阳极数码管；实现时钟电路需要用到555定时器、D触发器。
在主持人发布抢答命令后，第一抢答者发出抢答信号，此时抢答电路截止，其它抢答者无法抢答。
当第一抢答者抢答成功时，会有发光二极管点亮来指示，同时报警器会发出警报。
在抢答过程中显示电路用来提示抢答者的抢答剩余时间，显示器会有10秒钟的倒计时时间，当抢答成功时，显示器上的时间停止，同时有警报声；10秒内无人抢答时，会有发光二极管点亮提示，同时有警报声。
2.2方案论证
将四个不自锁开关分别接至74LS175触发器的四个输入端，实现抢答信号，555定时器组成的多谐振荡器的OUT端接作用于触发器的CLK端。
若发出抢答信号，触发器对应的
端输出高电平，此时二极管点亮。
同时
与74LS74的截止信号作用于555定时器的out信号，使其无效，从而封锁了抢答电路。
端口的低电平信号通过多个与非门后，接至声光指示模块，此时在规定时间内若有人抢答二极管会发光同时蜂鸣器会报警。
当无人抢答时，555定时器组成的多谐振荡器的频率为1Hz，10s内输出的脉冲信号与74LS74的截止信号共同作用在芯片74LS192计数器CPD端，74LS192和74LS47共同作用后便在显示数码管上显示倒计时的时间。
而74LS47的截止信号则由74LS192的倒计时结束借位信号作用产生，Q端接二极管提示计时结束，
端输出截止信号参与ˉ系统作用。
3.方案实施
3.1电路图设计
1、抢答电路
四个不自锁抢答开关信号分别接至四D触发器的四个D输入端，由555定时器组成的多谐振荡器的OUT端和
端输出的经过多次与非之后的信号接至四D触发器脉冲CLX端。
四D触发器的四个
输出端分别接四个发光二极管，当抢答开关闭合后，输出高电平，相应的二极管会发光。
端输出的信号作用于多谐振荡器的OUT端，其他抢答信号被截止。
该抢答电路所用的74LS175触发器的逻辑图如图1所示。
图174LS175逻辑符号图
该抢答电路所用的74LS175触发器在555定时器脉冲信号作用下的真值表如表1所示
表174LS175真值表
输入
输出
L
L
H
H
H
L
抢答电路需要使用多次与非门，可以用74LS00N实现，逻辑图如图3所示
图274LS00部分逻辑符号图
表274LS00部分真值表
输入
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
输出
C
1
0
0
0
该抢答电路所用的74LS74触发器的逻辑图如图3所示。
图374LS74逻辑符号图
抢答电路所用的74LS74触发器的真值表如表3所示
表374LS74真值表
输入
输出
0
1
×
×
1
0
1
0
×
×
0
1
0
0
×
×
1
1
1
1
↑
1
1
0
1
1
↑
0
0
1
1
1
↓
×
该抢答电路所用的74LS192触发器的逻辑图如图4所示。
图474LS192逻辑符号图
抢答电路所用的74LS192触发器的真值表如表4所示。
表474LS192真值表
输入
输出
CLR
UP
DOWN
D
C
B
A
QD
QC
QB
QA
H
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
L
L
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
L
H
×
H
×
×
×
×
加计数
L
H
H
×
×
×
×
×
减计数
2、抢答者产生报警电路
图6所示电路图中接地的端口，接触发器的四个
端进行与非运算后的端口后，进行与非后输出低电平。
当抢答者按下抢答器抢答成功之后，报警器开始发出警报同时与之并联的二极管会点亮。
具体电路图如图5所示。
图5报警电路逻辑图
3、倒计时显示电路
倒计时显示电路是为了提醒抢答者抢答的剩余时间。
显示电路，需要74LS47驱动器、共阳极显示数码管和可逆十进制减法计数器的共同工作。
因为显示器为
共阳极的，所以需要CA端接至高电平,这样才能正常工作。
具体电路图如图6所示。
图6倒计时显示电路逻辑图
4、时钟电路
题目设计要求倒计时时间为10秒，电路设计为由555定时器组成的多谐振荡器发出的1Hz的时钟脉冲信号，信号接至预置数9的计数器74LS192，此时192工作在减法计数状态，当74LS192倒计时为0时借位信号发出，将借位信号接至74LS74的CLK输入端（D输入端始终接高电平），则从
端口输出低电平。
将此低电平信号与1Hz时钟脉冲相与非后，封锁倒计时。
整个过程由预置数为9的计数器到74LS74触发器的
端口输出低电平信号的产生，恰好为10秒，实现了时钟电路10S倒计时的设计。
具体电路图如图7所示。
图7时钟电路逻辑图
3.2Multisim电路仿真
将以上各电路组合，利用Multisim仿真软件绘制仿真电路。
首先分模块验证各部分电路能否正常工作，如555定时器组成的多谐脉冲发生器产生的信号是否为1Hz；然后加入74LS192，74LS47，共阳极显示数码管，验证能否完成10S倒计时；接着接入74LS74验证能否完成倒计时结束提示；最后接入74LS175验证抢答、抢答截止整体功能。
仿真电路如图8所示。
在主持人发布抢答命令（总开关S打开）后，第一抢答者发出抢答信号，抢答成功之后，其他抢答者抢答信号呗截止，无法抢答。
当第一抢答者抢答成功的同时，会有发光二极管点亮来提示，同时蜂鸣器会发出警报。
在抢答过程中倒计时显示电路可以用来提示抢答者抢答剩余时间，显示器会有10秒钟的倒计时时间，倒计时显示从9到0。
当抢答成功时，显示器上的时间停止，同时有警报声，10秒后无人抢答，会有发光二极管点亮提示，同时有警报声。
图8四人抢答器Multium仿真电路图
图9多谐振荡脉冲电路原理图
图10555定时器1Hz脉冲信号仿真电路结果图
图8中555定时器的THR端口和TRI端口连在一起构成施密特触发器。
电源电压为5v，电容C上的电压Vc在
和
之间往复振动，电容C的充放电时间为
和
。
。
故电路振荡周
又因为输出脉冲占空比为
，所以T=1s。
既555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率理论值为1Hz。
对555定时器仿真如图9所示。
由仿真图可知仿真后所得振荡器的实际周期为1.004秒。
最后计算所得误差为0.4%。
3.3利用AltiumDesinger进行原理图绘制
打开AltiumDesinger应用程序，新建PCB工程，并在旗下新建原理图，保存工程及原理图。
根据设计电路图和Multisim仿真图实际四人抢答器原理图。
图11四人抢答器AltiumDesigner原理图
3.4利用AltiumDesigner进行PCB制作
首先打开AltiumDesigner软件，在打开的主页上，设置所需PCB板的大小，以及下面的一些参数。
1、单位采用公制单位mm。
2、电源线和地线要求采用0.8mm如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或0.3mm。
信号线采用0.5mm。
如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或0.3mm。
本次设计由于PCB板大小限制，从焊盘穿过的均选用的最小值0.3mm。
3、焊盘的内径用0.9mm。
外径根据需要进行修改，X方向1.5mm，Y方向2.0mm，或是X方向2.0mm，Y方向1.5mm。
4、PCB板制作的大小按设计要求应选用10×10（单位CM）的板子。
其次，将原理图导入PCB板，进行布线。
实际布线范围应比所选规格要小，边界保留0.3mm。
由于此次做的是单层板布线比较困难，红线（跳线）用到四根。
同时，为了走线不交叉，尽量减少跳线数目，芯片封装摆放存在问题，显得较混乱，但按照PCB图，还是能够正确焊接。
而另一个大问题就是，为了走线不交叉，走线时不得不多次从两个焊空之间穿过，线与焊空之间仅能保持0.2mm，这为焊接带来了很大不便，同时也对焊接完成后成品的稳定性造成了一定影响。
PCB图如下；
图12四人抢答器PCB图
3.4安装与调试
由于此次器件分配不同步，导致我们小组在芯片底座未发放的情况下，已经将芯片焊接。
而这为芯片的更换带来了很大不便，不过此次试验只为验证我们的设计制作能力，PCB制作正确的话，可以忽略此次错误，并且随后的调试也证明成品可以正常工作，因此，次瑕疵可以忽略。
事后指导老师也忽略了次瑕疵，特此感谢，为我们省去很多麻烦！
安装后实物图如图13。
图13四人抢答器实物图
4.结果与结论
四人抢答器，设计电路主要分为抢答电路、报警电路、显示电路、时钟电路四个模块。
设计的预想结果是当主持人按下总开关时，有四名抢答者可以在10秒的倒计时时间内进行抢答，当有人抢答成功时发光二极管点亮，并有报警声。
此时抢答电路会封锁，其他人无法抢答。
在规定时间内无人抢答时会有报警声，二极管会点亮。
实际操作中，电路图设计，Multisim仿真，AltiumDesigner原理图，PCB图均无问题。
焊接完成后的调试中发现，抢答器可以实现抢答功能，第一抢答出现截止其他抢答功能，以及抢答者成功与无人抢答的提示功能,倒计时也与设计之初的10S计时相符，确实是从9到0结束。
5.收获与致谢
这次时间为两个星期的课程设计试验大大培养了我的动手能力和同学间的相互合作精神。
这次课程设计使我学会了Multisim和AltiumDesinger的应用，知道了怎样用Multisim仿真和用AltiumDesinger去设计PCB板。
也知道了电路板制作的全部过程。
我觉得这次的课程设计对我以后的学习意义重大，加强了我的动手能力，使我能够把我学到的理论知识应用到实处。
通过这次课程设计也让我发现了自己对知识的理解也有许多不足之处。
在下一步的学习中会虚心学习，多多的和老师交流探讨一下所学的知识，使自己更深入的理解知识，使所学的东西用到实处。
通过这次课程设计培养了我们细致认真、严谨的科学作风，也使我们对所用的这些芯片有了一定的了解，能够熟知它们的封装管脚图和实现得基本功能。
这次课程设计要特别感谢李立老师耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，在此我表示深深的感谢！
6.参考文献
[1]秦长海,张天鹏,翟亚芳.数字电子技术[M].北京大学出版社,2012.
[2]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:
高等教育出版社,2005.
[3]邱关源,罗先觉.电路（第五版）[M].北京:
高等教育出版社,2006.
[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京:
高等教育出版社,2005.
[5]谷树忠,刘文洲.AltiunDesigner教程[M].电子工业出版社,2012.
7.附件
7.1四人抢答器电路原理图
图14四人抢答器电路原理图
7.2四人抢答器PCB图
图15四人抢答器PCB图
7.3四人抢答器PCB布线图
图16四人抢答器PCB布线图
7.4四人抢答器实物图
图17四人抢答器实物图
7.5四人抢答器元器件清单
表5四人抢答器元器件清单
名称
功能
个数
555定时器
定时
1
74LS47
译码/驱动器（共阳极）
1
74LS175
四D触发器
1
74LS00
2输入四与非门
3
74LS74
正沿触发双D型触发器
1
报警器
蜂鸣器
1
发光二极管
红六个
6
74LS192
可逆十进制计数器
1
电阻
47KΩ两个、1KΩ三个、100Ω四个
9
共阳极数码管
八段数码管显示器
1
电容
22nF一个、10uF一个
2
开关
四脚不自锁的四个，六脚自锁一个
2
指导教师评语：
课程设计报告成绩：
，占总成绩比例：
40％
课程设计其它环节成绩：
环节名称：
原理设计，成绩：
，占总成绩比例：
20％
环节名称：
PCB设计，成绩：
，占总成绩比例：
20％
环节名称：
安装调试，成绩：
，占总成绩比例：
20％
总成绩：
指导教师签字：
年月日
本次课程设计负责人意见：
负责人签字：
年月日
升级会员 