智力竞赛抢答器逻辑电路设计.docx
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智力竞赛抢答器逻辑电路设计
电路设智力竞赛抢答器逻辑计
1.1设计背景
在许多比赛活动中，为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，通常设置一台抢答器，通过数显、灯光及音响等多种手段指示出第一抢答者。
同时还可以设置记分、犯规及奖励记录等多种功能。
该设计就是针对上述各种要求设计出的供6名选手参赛使用的数字式竞赛抢答器。
数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。
优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。
通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。
经过布线、焊接、调试等工作后，数字抢答器成形。
1.2设计任务与要求
1）设计一个至少可供6人进行的抢答器。
（2）系统设置复位按钮，按动后，重新开始抢答。
（3）抢答器开始时数码管无显示，选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
显示优先抢答者序号并且不出现其他抢答者的序号。
（4）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间有主持人设定，本抢答器的时间设定为60秒，当主持人启动“开始”开关后，定时器开始减计时。
当设定的时间到，而无人抢答时，本次抢答无效，报警发出声音，并禁止抢答。
（5）设定的抢答时间内，选手可以抢答，这时定时器停止工作，显示器上显示选手的号码和抢答时间。
并保持到主持人按复位键。
2总体设计方案
2.1方案选择
方案一
采用74LS148优先编码器分辨选手抢答的先后，并通过RS锁存器74LS279锁存抢答者的编号，再经过74LS48芯片译码驱动共阴极数码管显示。
方案二
采用CC4067作为编码电路的核心元件，当有选手抢答时输出四位相应的8421BCD码即可同时供16位选手抢答。
经CC4511七段译码器译码后驱动共阴极数码管显示，同时利用CD4069组成一个多谐振荡器，作为十进制计数器CC4510的CP脉冲使其计数并与D触发器CD4013完成自动锁存的功能。
结论：
与方案二相比，方案一使用的芯片少、电路简单且同样能实现其功能，故选用方案一。
2.2数字抢答器总体方框图
定时抢答器的总体框图如图1所示。
其主要由主体电路和扩展电路两部分组成。
主体部分完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，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。
扩展电路完成定时的抢答功能。
图1定时抢答器的总体框图
图1所示定时抢器的工作过程是：
接通电源时，节目支持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定的时间，当主持持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，抢答器处于工作状态，定时器倒计时，当定时时间到，却没有选手抢答时，输入电路被封锁，禁止选手超时后抢答。
当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成下面几个工作：
1.优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后有译码显示电路显示编号；
2.制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；
3.控制电路要使定时器停止工作，时间器上显示抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止，以便进行下一轮抢答。
3系统详细设计
3.1抢答器电路
图2抢答电路
参考电路如图所示。
该电路完成两个功能：
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；二是禁止其他选手按键操作无效。
工作过程：
开关S置于"清除"端时，RS触发器的端均为０，４个触发器输出置０，使74LS148的＝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，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，1Q=1,=1,74LS48处于工作状态，４Q３Q２Q=101,经译码显示为"５"。
此外，1Ｑ＝１，使74LS148＝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１Ｑ＝１，使＝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?
quot;清除"然后再进行下一轮抢答。
74LS148为８线－３线优先编码器，
3.2定时电路
图3定时电路
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。
可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路如上图所示。
3.3报警电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图所示。
其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
图4报警电路
3.4时序控制电路
时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：
①主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。
②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。
③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
图5抢答电路和定时电路停止工作
根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如上图所示。
图中，门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端。
图11、4的工作原理是：
主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图11、2中的74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。
同时，在定时时间未到时，则"定时到信号"为1，门G2的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求。
当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1，经G3反相，A＝0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求。
当定时时间到时，则"定时到信号"为0，=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。
同时，门G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能③的要求。
集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。
3.5相关元器件的介绍
该设计用到较多集成电路电路芯片，在此给出其管脚图和部分功能介绍。
3.5.174LS279
74LS279RS锁存器，当R=1，S=0时，输出为；当R=1S=1时，锁存器具有保持功能，将输出一直保持为1，达到锁存的目的。
表1174LS279锁存器功能
输入
1
2
输出
Q
000
0X1X01110111
1
1
1
0
没改变
3.5.274LS148
下图为74LS148的功能介绍，ST为使能端，控制芯片的工作；当无输入时，YEX=1，有输入时，YEX=0。
其功能真值表如下：
表274LS148功能表
输入
输出
0
1
2
3
4
5
6
7
2
1
0
1
XXXXXXXX
111
11
0
11111111
111
10
0
XXXXXX0
000
01
0
XXXXXX01
001
01
0
XXXXX011
010
01
0
XXXX0111
011
01
0
XXX01111
100
01
0
XX011111
101
01
0
X0111111
110
01
0
01111111
111
01
3.5.374LS48译码器
图674LS48译码器管脚分布图
原理说明：
开关S置于"清零"端时，RS触发器的输入端R均为０，４个触发器输出置０，使74LS279中BI/RBO＝０，A3A2A1A0=0000,使之处于锁存状态。
74LS279不工作，输出全为0。
当开关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，1Q=1,YS=1,74LS48处于工作状态，４Q３Q２Q=101,即74LS279输入端A3A2A1A0=0101，经74LS279后输出YgYfYeYdYcYbYa=1101101,经译码显示为"5"。
3.5.4555定时器
555定时器是一种多用途的数字/模拟混合集成电路，具有开关特性，可以构成各种单元脉冲电路
图7555定时器引脚图
4系统仿真与测试
4.1Protues的基本操作方法
元件选用：
打开元件库栏，移动鼠标到需要的元件图形上，按下左键，将元件符号拖拽到工作区。
元件的移动、旋转、反转、复制和删除：
用鼠标单击元件符号选定，用相应的菜单、工具栏，或单击右键激活弹出菜单，选定需要的动作。
元器件参数设置：
双击元件，设定相应的参数。
导线的连接：
要包括导线的连接、弯曲导线的调整、导线颜色的改变及连接点的使用。
连接：
鼠标指向一元件的端点，出现小圆后，按下左键并拖拽导线到另一个元件的端点，出现小圆后松开鼠标左键。
删除和改动：
选定该导线，单击鼠标右键，在弹出菜单中选delete。
或者用鼠标将导线的端点拖拽离开它与元件的连接点。
4.2仿真步骤
（1）根据自己所画好的电路图，在protues元器件库选择相应的元器件。
（2）用导线将元器件按图连接好。
（3）将元器件相应参数设置好。
（4）进行电路仿真，根据仿真修改相应的参数。
4.3仿真结果及分析
总体电路
图8电路总体仿真图
抢答电路
图9抢答电路仿真图
定时器
图10定时电路仿真图
仿真开始
图11仿真开始电路
仿真倒计时
图12仿真倒计时中
选手抢答，显示选手位置，定时器停止工作
图13抢答定时
5安装与调试
5.1安装
5.1.1面包板的使用方法及注意事项
为了方便，选择用面包板来实现所设计的系统，面包板是专为电子电路的无焊接实验设计制造的。
由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电子电路的组装、调试和训练。
安装分立元件时，为了便于看到其极性和标志，将元件引脚理直后，在需要的地方折弯。
为了防止裸露的引线短路，必须使用带套管的导线，一般需剪断元件引脚，因为这样，元件才会插得稳且牢固，但是为了防止插错时要二次使用，故引脚不宜剪得过短。
一般不要插入引脚直径〉0.8mm的元器件，以免破坏插座内部接触片的弹性。
对多次使用过的集成电路的引脚，必须修理整齐，引脚不能弯曲，所有的引脚应稍向外偏，这样能使引角与插孔可靠接触。
要根据电路图确定元器件在面包板上的排列方式，目的是走线方便。
为了能够正确布线并便于查线，所有集成电路的插入方向要保持一致，不能为了临时走线方便或缩短导线长度而把集成电路倒插。
根据信号流程的顺序，采用边安装边调试的方法。
元器件安装之后，先连接电源线和地线。
为了查线方便，连线尽量采用不同颜色。
例如：
正电源一般采用红色绝缘皮导线，而负电源及接地一般采用黑色绝缘皮导线。
5.2.1调试的方法
①不通电检查电路安装完毕后，不要急于通电，应首先认真检查接线是否正确，包括多线、少线、错线等，尤其是电源线不能接错或接反，以免通电后烧坏电路或元器件。
查线的方式有两种：
一种是按照设计电路接线图检查安装电路，在安装好的电路中按电路图一一对照检查连线；另一种方法是按实际线路，对照电路原理图按两个元件接线端之间的连线去向检查。
无论哪种方法，在检查中都要对已经检查过的连线做标记，使用万用表检查连线很有帮助。
②直观检查：
连线检查完毕后，直观检查电源，元器件接线端之间有无短路，连线处有无接触不良。
③通电检查：
把经过准确测量的电源电压加入电路，电源接通之后不要急于测量数据和观察结果，首先要观察有无异常现象，包括有无冒烟、有无异常气味、触摸元件是否有发烫现象、电源是否短路等。
如果出现异常，应立即切断电源，排除故障后可重新通电。
④分块调试：
包括测试和调整两个方面。
测试是在安装后对电路的参数及工作状态进行测量；调整则是在测试的基础上对电路的结构或参数进行修正，使之满足设计要求。
为了使测试能够顺利进行，设计的电路图上应标出各点的电位值，以及其他参考数值。
调试过程中我们不能单凭感觉和印象，要始终借助仪器观察，
5.2.2调试注意事项
①测试之前要熟悉各种仪器的使用方法，并仔细加以检查，避免由于仪器使用不当或出现故障而作出错误判断。
②测试仪器和被测电路应具有良好的共地，只有使仪器和电路之间建立一个公共地参考点，测试的结果才是准确的。
③调试过程中，发现器件或接线有问题需要更换或修改时，应关断电源，待更换完毕认真检查后方可重新通电。
④调试过程中，不但要认真观察和检测，还要认真记录。
包括记录观察的现象、测
量的数据间关系，必要时在记录中应附加说明，尤其是那些和设计不符合的现象更是要注意。
6收获与体会
这一次课程设计，它加深与巩固了我们所学的专业基础课程，例如数电和模电，并将其综合运用，提高了我们综合运用知识的能力还有就是将理论运用于实践，另一方面，培养了我们对专业知识学习的趣；同时也提高了我们分析问题的能力。
这次课程设计的设计流程我采用分块的设计顺序，优化了设计流程使之更符合逻辑性。
但是需要注意的是，在其中每个环节必须认真进行，如果某模块电路没有设计好，或者存在错误，则总的电路必然会受到影响，所以在设计时应该考虑到实际情况。
有时候会因为一个极小的疏忽而导致整个电路无法运行，例如，在仿真过程中由于我忘记接地导致输出老是不对。
另外，该课程设计也要求我具备扎实的理论知识，刚开始由于理论知识掌握的不牢靠，在进行仿真设计时也一度使我碰壁，浪费了很多时间，最后不得不捧着书本，再把一些学的不牢固的知识好好的学了一遍。
通过这次课程设计，我基本掌握了用Protues软件仿真电路图并进行仿真分析，且初步掌握了电子电路的设计方法，在以后的学习中还需多加练习，熟练掌握，为以后的工作作准备。
回顾这次课程设计，从选题到定稿，从理论到实践，我懂得了理论与实践相结合的重要性。
在这次课程设计当中，我本来是抢答、定时、报警、时序控制电路都有设计，但仿真做出来的只有定时和抢答两部分，而实物部分定时电路还无法正常工作，由此可见即使课本知识掌握的很好，如果不会综合运用，也是一些支离破碎的无用的知识，只有能把它运用到实践当中，才是真正属于你自己的知识。
实践是检验真理的唯一标准，这句话说的真不假啊。
以前在课堂上只是听老师说，自己在一旁死记硬背背下来，就以为自己学得很不错了，这一次，既是一个打击一次教训，也是一次学习。
附录
元器件申请表
2010年6月25日
元器件
清 单
序号
器件名称
规格
数量
1
电阻R1--R6
80K
六个
2
7404
一片
3
74LS247
一片
4
单刀单掷SW-SPDT
S0---S5
六个
5
单刀双掷
S
一个
6
集成电路芯片
74LS48
两片
7
/
74LS373
一片
8
/
74LS30
一片
9
/
74LS192
两片
12
/
74LS04
一片
13
/
74LS148
一片
14
/
74LS32
一片
15
/
NE555
两片
16
三极管NPN
3DG12
一个
17
发光二极管
LED-BLUE
一个
18
电路板
一个
19
七段共阴极显示器
7SEG-COM-ANODE
一个
20
七段共阴极显示器
7SEG-COM-CAT-GRN
两个
21
导线
若干
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