8路抢答器课程设计.docx
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8路抢答器课程设计
编号：
电子技术课程设计报告书
课题：
数字式竞赛抢答器
院（系）：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
闫奥博
学号：
1200120334
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2014年12月28日
前言
一、数字竞赛抢答器的主要内容
1.1任务要求和内容
数字式竞赛抢答器具有数字显示抢答者序号功能同时配以声、光报警，以响应抢先抢答者的信号和序号，对犯规抢答者（包括提前和超前抢答）除声、光报警外，还有显示抢答犯规者序号的功能，同时还可以设置记分和奖罚记录等多种功能。
在本次设计过程中，只有主持人按下开始按钮以后，选手才能进行抢答，所以在本次设计中杜绝了出现超前抢答的情况，故犯规电路就无设计。
1.2数字竞赛抢答器的使用步骤为：
（1）抢答前电路上电，由抢答主持人进行系统复位，抢答时间为0~7秒。
（2）主持人按下开始按钮开始抢答，同时定时器开始倒计时。
（3）抢答者听到抢答开始命令后，通过各自的按钮开关输入抢答信号。
（4）主持人对抢答成功者回答问题正确否进行加减分。
二、资料收集
2.1芯片资料的收集
此次课设中用到了74HC573、74LS148、74LS192、74LS48，NE555定时器、74LS00、74LS274、74LS04、4511等芯片。
有些芯片在数电课程中学习过，其余的芯片都是在网上学习的。
2.2数字竞赛抢答器的资料
根据题目的要求我们在数电等相关书籍上找了各个芯片的使用方法，并在网络上也找到了一些相关的资料来在PROTEUS仿真软件中绘图并仿真，最后用DXP2004绘制原理图和PCB图。
三、工作过程简介
选好题目以后根据题目要求进行一个总体的四路设计，分有四大模块，抢答模块、定时模块、脉冲模块、成绩输入模块。
接下来就是在网络上查找相关芯片的资料，查看它们的真值表、逻辑图等，然后在PROTEUS仿真软件中绘图并仿真。
仿真没有问题以后用DXP2004绘制原理图和PCB图。
将打印好的电路图转印打铜板上，进行腐蚀、打孔、焊接元器件，最后进行电路板调试。
在调试过程中没有达到预期的效果，后面发现仿真和实物有差别，实物连最基本的功能都没有实现，最后经仿真的每一块芯片在面包板上进行测试验证，有些芯片和仿真有出入，后面逐一排查，最终调试成功。
1系统概述
1.1数字式竞赛抢答器基本功能：
（1）设计一个数字式竞赛抢答器，可容纳8组代表队参加比赛，他们的编号分别是1-8，每组有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S1-S8。
给节目主持人设置两个控制开关，用来进行电路复位和开始按钮。
（2）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。
同时定时器停止，优先抢答成功者的编号一直显示，直至主持人按下复位才清零。
（3）抢答器具有定时抢答的功能。
当主持人按下“开始”按钮后，定时器立即倒计时，并在显示器上显示。
若主持人未按下“开始”，则选手无法抢答，所以没有超前抢答的可能性出现。
（3）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。
如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，系统封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。
系统框图如图1-1所示：
图1-1系统框图
1.2抢答器的工作过程
根据对功能要求的简要分析，将抢答器电路分为抢答模块、定时模块、脉冲模块、成绩输入模块。
抢答模块完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答器按钮时，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，成绩输入模块来输入选手的成绩。
工作原理：
上电后，主持人将按下“复位”按钮，抢答器处于禁止状态，显示编号数码管处于灭灯状态，定时器显示设定时间，主持人按下“开始”状按钮，开始抢答。
若是主持人没有按下“开始”按钮，此时选手无法抢答，当定时时间到，却没有选手抢答时，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，灯光显示。
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“复位”和“开始”按钮，对于抢答者，答对题则可以进行相应的加分，答错则扣掉相应的分值。
2单元电路设计方真和分析
2.1抢答模块
该部分主要完成三个功能：
一是分辨选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。
三是显示灯光报警。
选用优先编码器74LS148、74HC573锁存器和74LS247译码器可以完成上述功能，所组成的电路图如下所示。
这个电路的工作原理过程：
当主持人控制复位按钮RES以后，74LS74触发器的2端和6端显示高电平，以至抢答按钮的公共端变成高电平，选手无法抢答。
当按下开始按钮以后74LS74触发器的2端和6端显示低电平。
例如3号选手抢答成功，别优先编码器74LS148识别，74LS148的GS端变低电平，使74HC573锁存器的LE端变成低电平，锁存器锁住，其他选手无法抢答，再经过74LS247译码器通过数码管显示出来。
抢答模块原理图如图2-1所示：
图2-1抢答模块
2.2脉冲模块
由555组成的单稳态触发器的电路图如图2-2所示.将555定时器的6号脚和7号脚接在一起，并添加一个电容
和一个电阻
，就可以构成单稳态触发器。
电容接在电源与6号脚之间，电阻接在7号脚和地之间。
这个单稳态触发器是负脉冲触发的。
稳态时，这个单稳态触发器输出低电平。
暂稳态时，这个触发器输出高电平。
5号脚悬空时，输出脉冲宽度为
。
5号脚接控制电压
时，输出脉冲宽度为。
图2-2脉冲模块
2.3定时模块
定时模块只要有两块74LS192和4511芯片组成，74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图2-3所示：
图2-374LS192的引脚排列及逻辑符号
（a）引脚排列（b）逻辑符号
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，
为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
74LS192功能表如下表2-4所示：
表2-4其功能表如下
输入
输出
MR
P3
P2
P1
P0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
定时模块电路图如图2-5所示
图2-5定时模块
2.4成绩输入模块
成绩输入电路由74LS00与非门、74LS192集成计数器、4511译码器以及数码管数码管构成，在成绩输入电路中最大的难点是消抖，消抖原理如图2-6所示、成绩输入模块如图2-7所示。
图2-6基本SR锁存器构成机械开关消抖电路
图2-7成绩输入模块
3总体电路图
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。
工作原理如下：
首先是各个选手分别对应的按钮编号是S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，抢答后显示器上显示的分别是1、2、3、4、5、6、7、8。
然后是主持人对整个电路系统清零，按下“复位”按钮，74LS74触发器的2端和6端显示高电平，抢答按钮的公共端为高电平；一路使NE555的4端变成低电平使脉冲脉冲模块不工作，当住持人按下“开始”按钮74LS74触发器的2端和6端显示低电平，抢答按钮的公共端为高电平；一路使NE555的4端变成高电平使脉冲脉冲模块工作，定时器开始工作，NE555的3端给74LS192的4端脉冲，定时器开始倒计时。
当任意一个选手抢答时，例如3号抢答时，74LS148三号端子输入低电平有效，此时GS为低电平有效，表征编码器在正常工作，并且是74HC573的LE端口变成低电平使其锁存。
编码输出A2A1A0为100，与其对应的74LS74的ABC为100，则输出口QA到QG为00001100，在数码管显示编号为3。
与此同时，74HC573的LE端口所输出的低电平反馈回脉冲模块，使其停止工作。
此时，使得无脉冲抵达计数器74LS192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。
同时也74HC573锁存使其他选手若再按动按钮也无对应输出，这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。
若没有选手按动按钮，则74LS74的2端输出全为高电平，74LS74锁存抢答这不能进行抢答，十位74LS192的借位输出端输出高电平反馈回个位Down端，停止计数。
若是主持人按下“复位”按钮以后，还未开始抢答，所有选手不能抢答。
对于抢答成功者，主持人可以通过按键控制给抢答并回答正确者加分，同时也可以给提前抢答或是抢答回答错的给予相应的扣分。
综上所述，所设计的电路基本可以实现要求中的功能。
（总体连接电路原理图见附录）
4电路的调试与安装
（1）在调试抢答模块时，发现无法抢答，连最基本的功能都不能实现，74LS74的2端不能给抢答按钮的公共端输出一个低电平。
解决方法：
经调试以后发现是电路对74LS74的2端产生影响，最后将抢答器部分做成一个模块电路板。
（2）调试过程中发现倒计时跳动的速度很快。
解决方法;在NESS的3号引脚加上一个上拉电阻
（3）调试成绩输入电路时，发现按键有抖动现象，致使计分时按一次键分值变化好几次。
解决方法：
在按键输出口加两个与非门组成锁存器对按键进行消抖，以达到机械消抖。
5结束语和心得体会
在经过了两周的学习和设计仿真抢答器的电路图，我学到了很多东西，主要是对数字电路的基础理论知识的复习和巩固，对以前学的理论有一次实践的机会，更深入的理解了理论联系实际的重要性。
首先，在理论方面，我深刻体会到了数字电路设计的原理。
1、脉冲信号的控制。
可以用与门实现脉冲信号的控制，在某个时候封锁脉冲只需要找到这个时候之前为高电平，这个时候之后为低电平信号，然后将之与脉冲相与，便可以得到在特定时刻的以后出现的脉冲信号。
其次，在数字电路的设计中，电路中的纹波对数字电路的影响是致命的，理论上是可以行的通的，但是到了实际的电路中往往不可行，这常常与我们的电路设计过程中的布线有关，其中地线、电源线、信号线的走向有着非常特殊的关系，在设计过程中需要对这些方面着重注意，设计的不合理，会导致设计的失败。
电源的滤波也是数字电路中必须的，通常没有滤波的纹波的干扰会很大，但选择滤波电容的同时也得注意要合适，否则会适得其反，引起电路的自激震荡。
在选择电容的时候我们往往是根据经验来选择，实际效果也不错，这就需要我们在实践中不断的积累经验。
理论联系实践。
课本上的知识知识只是我们掌握一门技术的必要条件而不是充分条件，如果这些脱离了实际，便没有了意义。
在这个过程中必须要讲理论联系实际，在实践中学习，校验，巩固，应用这些知识，这样才能学以致用。
6参考文献
[1]及力.DXP2004SP2实用设计教程（第2版）[M].北京：
电子工业出版社，2013.68-105
[2]康华光.电子技术基础数电部分[M].北京：
高等教育出版社，2006.103-159
[3]陈名义.电子技术课程设计实用教程（第3版）[M].长沙，中南大学大学出版社，2010.26-56
[4]侯传教.数字逻辑电路实验[M].北京：
电子工业出版社2009.159-189
7原件清单
表7-1原件清单
序号
名称
数量
1
74LS192
7
2
74LS148
1
3
74LS74
1
4
74LS274
1
5
74LS00
1
6
74LS04
2
7
7段数码管
3
8
按键
12
9
发光二极管
1
11
74LS48
1
12
电阻
若干
13
NE555
1
14
三极管8050
1
15
电容
若干
16
插针
若干
17
拨码开关
2个
18
排线
若干
附录1
附图1抢答模块
附图2定时模块
附图3脉冲模块
附图4成绩输入模块
附录2
附图5仿真图
附录3
附图6PCB图
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