湖南工程学院数电课设智力竞赛抢答器.docx
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湖南工程学院数电课设智力竞赛抢答器
等级:
课程设计
课程名称
数字电子技术
课题名称
智力竞赛抢答器
专业
测控技术与仪器
班级
学号
姓名
指导老师
胡爱明
2015年9月18日
电气信息学院
课程设计任务书
课题名称
智力竞赛抢答器
姓名
专业
测控技术与仪器
班级
学号
指导老师
胡爱明
课程设计时间
第1周-第2周
一、任务及要求：
（一）、设计内容：
1．设计一个可容纳8组代表队参赛的智力抢答器，每组设一个抢答按钮，按钮的
编号与选手的编号相对应。
2.抢答器具有第一信号鉴别及数据锁存功能。
主持人将设备复位（清零）后，发出抢答指令，当第一组参赛者触动按钮时，该组指示灯亮。
此后，其他组别触动按钮无效。
3.设计一个用数码管显示1~8组中最先抢答组别的电路。
4.抢答器具有定时30S抢答的功能，当主持人发出抢答指令后开始减计时，并用显示器显示时间。
当抢答时间到，蜂鸣器鸣叫发出报警信号，并封锁输入电路，禁止选手超时抢答。
5．设计一个犯规判别电路，并用指示灯显示。
6．设置记分显示电路，每组预置100分，答对1次加10分，答错1次减10分。
（二）设计要求：
1．设计思路清晰，给出整体设计框图和总电路图；
2．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；
3．安装、调试电路；
4．写出设计报告。
二、进度安排
第一周：
周一：
布置任务，查找资料
周二～周三：
设计系统方案，仿真
周四～周日：
电路安装，或程序调试
第二周：
周一～周二：
电路安装，调试，运行或程序调试，下载运行。
周三：
结果验收
周四：
撰写报告，答辩
周五：
资料整理
三、参考资料
1、《数字电子技术基础》阎石主编高等教育出版社
2、《电子技术课程设计指导》彭介华主编高等教育出版社
3、《电子线路设计、实验、测试》谢自美主编 华中理工出版社。
第1章设计思路………………………………………………………2
第2章工作原理………………………………………………………3
2.1原理框图………………………………………………………3
2.2主要芯片介绍…………………………………………………3
第3章电路设计…………………………………………………………6
3.1单元电路的设计………………………………………………6
（1）抢答部分电路设计………………………………………………6
（2）定时部分电路设计………………………………………………7
（3）报警部分电路设计………………………………………………7
（4）计分部分电路设计………………………………………………8
3.2总体电路设计…………………………………………………8
第4章Multisim仿真图与线路安装图…………………………………9
第5章故障分析与电路改进……………………………………………11
第6章元件清单…………………………………………………………11
第7章心得体会…………………………………………………………12
附录………………………………………………………………13
第一章设计思路
抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。
在竞赛、文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确、公正、直观地判断出抢答者的机器。
通过抢答者的指示灯显示、数码显示和警示显示等手段指示出第一抢答者。
本次课程设计的任务是：
利用所学的数字电子技术知识，设计一个八路智力竞赛抢答器。
根据任务书的要求，我们把智力抢答器分作四个部分来做，即抢答器部分电路、定时部分电路、报警部分电路和计分部分电路。
抢答器部分电路由抢答电路、优先编码电路、锁存器、译码电路和显示电路构成。
定时部分电路由脉冲产生电路、定时电路、译码电路和显示电路构成。
首先，主持人能够负责控制整个抢答器系统，能够控制系统清零和抢答开始开关。
八组选手都有对应的按钮，分别用S1-S8来表示。
抢答开始后，开始30s倒计时，当8组选手中的一组按下抢答按钮时，优先编码器能够在第一时间分辨出抢答者的编号信号，并通过锁存器进行锁存。
然后译码电路对其进行译码，最后由显示电路显示出选手编号，同时30s倒计时也将暂停，并在显示器上显示。
若时间已到，无人抢答，则本次抢答无效，定时显示器上显示00。
主持人清零后，所有显示器上的数字都将归零。
第2章工作原理
2.1智力抢答器的原理框图
控制电路
定时电路
显示电路
译码电路
脉冲产生电路
报警电路
主持人开关
优先编码电路
锁存器
抢答电路
译码电路
显示电路
图2-1智力抢答器原理框图
智力抢答器的原理框图如图2-1所示。
其工作原理为：
通电后，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。
当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时抢答。
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。
2.2主要芯片介绍
（1）74LS148
74LS148是8-3线优先编码器。
它允许多个输入信号同时有效，但只对一个优先级最高的输入信号进行编码。
74LS148的引脚图和功能表如图2-2和表2-1所示。
图2-274LS148引脚图
表2-174LS148功能表
输入
输出
EI
I0
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
A2
A1
A0
GS
E0
1
X
X
X
X
X
X
X
X
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
X
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
0
1
0
X
X
X
X
X
X
0
1
0
0
1
0
1
0
X
X
X
X
X
0
1
1
0
1
0
0
1
0
X
X
X
X
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
X
X
X
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
X
X
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
0
X
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
（2）74LS192
74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有下述功能：
①异步清零：
CR=1,Q3Q2Q1Q0=0000;
②同步置数：
CR=0,Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0;
③保持：
CR=0，LD=1，CPU=CPD=1，Q3Q2Q1Q0保持原态；
④加法计数：
CR=0，LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数；
⑤减法计数：
CR=0，LD=1，CPU=1，CPD=CP,Q3Q2Q1Q0按减法规律计数。
图2-374LS192的引脚排列及逻辑符号
74LS192的引脚排列及逻辑符号如图2-2所示。
图中：
为置数端，
为加计数端，
为减计数端，
为非同步进位输出端，
为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端,Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
其功能表如表2-2所示：
表2-274LS192功能表
第3章电路设计
3.1单元电路设计
（1）抢答器部分电路设计
该部分主要完成两个功能：
一是开始抢答后，分辨选手按键的快慢，并锁存优先抢答者的编号，同时通过译码并由显示电路显示编号；二是禁止其他选手进行按键且判定操作无效。
采用八线-三线优先编码器74LS148和74LS00与非门组成的RS锁存器可以完成上述功能，所组成的电路图如图3-1所示。
这个电路的工作原理过程：
当主持人控制开关s置于“清零” 端时，RS触发器的R非端均为0，4个触发器输出（Q4--Q1）全部置0，使74LS148的BI的非=0，显示器灯灭：
74LS148的选通输入端ST的非=0，使之处于工作状态，此时锁存电路不工作。
当主持人把开关S置于“开始”时，优先编码器和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端的信号，当有选手将键按下时（比如按下s3），74LS148的输出Y2Y1Y0的非=100，YEX的非=0，经RS锁存后，CTR=1，BI的非=1，经74LS148译码后，显示器显示为“3”。
此外，CRT=1,使74LS148的ST的非为高电平，封锁其他按键的输入。
如果再次抢答需有主持人将S开关重新“清除”，电路复位。
图3-1抢答模块电路图
（2）定时部分电路设计
节目主持人可根据题目的难度大小，来设定某一次抢答的时间。
通过定时电路，对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由脉冲产生电路提供。
定时模块电路图如图3-2所示，可预置时间的电路选用可由两片十进制同步加减计数器74LS192、七段数码管译码器74LS48、共阴极七段数码显示管来进行设计。
其中，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。
而74LS192的预置数控制端可以实现预置数，由节目主持人根据题目的难度大小，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，2管脚BO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。
图3-2定时模块电路图
（3）报警部分电路的设计
报警模块电路图如图3-3所示。
这部分电路是由555定时器构成多谐振荡器，振荡频率fo=1.43/【（R1+2R）C】，其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控制信号，当PR为谐振荡器工作；而当PR为低电平时，电路停止振荡。
图3-3报警模块电路图
（4）计分部分电路的设计
计分电路主要是由2个74LS192组成。
计分显示电路是由一个3位数十进制数组成。
其中个位数一直为0。
所以显示个位数的显示管4个输入端都接地。
十位数开始显示0，所以置数端的输入为0000。
百位数显示1，所以置数端输入为0001。
通过开关UP ，DOWN来实现高低电平的切换，从而实现选手得分的加减。
3.2总体电路设计
经过以上分析，我们将各部分电路连接，并加以适当控制，即得到了如图3-4所示的八位定时抢答器的总体电路图。
图3-4总体电路图
第4章Multisim仿真图与线路安装图
图4-1Multisim仿真图
图4-2线路安装图
第5章故障分析与电路改进
故障分析：
（1）元器件在使用前就有损坏，连接线路发生短路或断路（接插件接触不良）；
（2）实际的电路与设计的原理图不符；元器件使用不当或损坏；；
（3）倒计时电路不进行倒计时，可能是两片十进制的同步计数器74LS192在用级联方式进行连接时连接不当，也可能是74LS192的置数端并未与主持人的开关相连接，导致74LS192并未有计时信号接收从而不进行倒计时；
（4）当有人抢答时，倒计时电路并未停止倒计时。
当有人抢答按下开关时，此线路接地，输入低电平信号，该低电平信号分为两路，一路输入到74LS148优先编码器中，另一路输入到计时电路中，使其停止倒计时。
经过检查，抢答开关与计时电路之间并未连接，使得抢答开关闭合后产生的低电平信号并未送入到计时电路中；
（5）若显示器上显示的是不符合要求的数字，在设计原理正确的前提下，首先通过测试判断74LS148的输出a～g与LED管的a～g笔段是否连接有错。
其方法是74LS148的输出a～g分别按规律输入高低电平，观察LED管是否显示相应的数字。
如果这个环节正常，则问题在二极管编码电路，再逐一进行检查。
采用的故障排除方法：
（1）直接观察法：
直接观察法包括不通电检查和通电检查。
检查仪器的选用和使用是否正确；根据电路图分别检查各个芯片的引脚有无错接和漏接，互碰等情况；布线是否合理；仔细观察元器件有无发烫、冒烟，电子管是否亮。
（2）对比法：
怀疑某一电路存在问题时，将此电路与工作状态相同的正常电路的参数进行逐一对比，从中找出问题所在。
第6章元件清单
5v电源6个74LS1481片74LS1922片
显示管3片555定时器1片74LS009片
74LS044片74LS102片10kΩ电阻10个
函数发生器2个单刀单掷开关8个单刀双掷开关1个
第7章心得体会
作为一名工科大学生，除了熟悉平时上课老师教授的理论知识，同时还要通过实践和实验对我们所学的理论知识进行深化了解和利用，甚至能够创造出作品来。
著名哲学家卡尔·马克思曾经说过：
“实践是理论的来源，而理论对实践具有能动作用。
”人们的认知水平就是在正确的理论与实践的作用下不断地呈螺旋状上升，二者相辅相成，缺一不可。
因此，我们进行数字电子技术课程设计还是很有必要的。
从这两周的课程设计来看，主要锻炼了我的动手操作能力和分析能力。
从刚开始的分组选任务到设计绘制电路图再到仿真和实物接线图，每一步都需要仔仔细细认认真真的完成，每一个环节都要耗费大量的精力去思考分析。
以前在数电实验课做的实验都没有接触到这些内容，也只做到了MSI组合逻辑电路等实验，难度及工作量与这次课程设计不是一个等级的。
那么这次做课程设计内容也更加贴近现实生活，难度也更加大。
我们小组做的是八路智力竞赛抢答器，拿到这个课题，我们就先在网上查阅相关资料，了解情况后，我们将这个课题分作几个部分来做。
之后，我们开始查阅各种用到的芯片，对它们的管脚图和功能表熟悉。
在设计绘制及仿真电路图时我们用到了Multisim软件，但由于之前没有接触过这个软件，所以只好到网上下载，安装，汉化，然后一步步地掌握这个软件的用法。
电路图仿真成功后，便开始在实验室接线。
这有上百根的线要连起来，这点对我们是一个巨大的挑战。
有一根线连接错误或者芯片不工作，整个设计结果都会失败。
在电路仿真和实物接线期间，我们曾经遇到过一些困难，例如在接线完成后计时器不能正常计时显示，抢答器部分不能正常显示选手编号等，这些问题虽然困扰过我们，但最终还是解决掉了。
在这里，要感谢指导老师对我们遇到的问题进行指导分析，帮助我们找到故障根源。
更多的功劳在于我们小组能够不怕失败，不怕麻烦对电路一遍遍检查分析。
恐怕这才是我们能够成功完成课程设计的关键吧。
我认为，课程设计除了能够加强我们的动手能力以外，更多的是能够锻炼我们的分析能力，思考能力。
电子芯片有这么多，我们不可能都把它们的管脚和功能表全都弄清楚，只是我们需要的时候就通过查阅资料进行分析利用和设计。
实验中也存在着各种未知因素能够导致实验失败，比如线路连接错误，芯片有损坏等等。
面对这些问题，我们不要气馁，不要放弃，要冷静思考问题所在，哪怕有上百根线，也要找出问题。
两周的课程设计已经结束，但其中的过程是难忘的，是有意义的，因为平时这么不起眼的东西还有这么多东西在里面。
电子技术课程设计评分标准
环节
项目
评价
优
良
中
及格
不及格
实践环节（70%）
设计方案合理性与创造性
软件仿真完成情况
硬件调试完成情况
答辩情况
任务完成情况
独立工作能力
出勤情况
设计报告（30%）
设计报告内容完整、规范，图纸正确、清晰，设计步骤规范、正确，设计结果可行。
综合评价
课程设计成绩评定为：
□优□良□中□及格□不及格
指导老师签名：
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日期：
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