智力竞赛抢答器逻辑电路设计.docx

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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，个触发器输出置，使74LS148的 ，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

6、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，QQQ=101,经译码显示为。此外，1，使74LS148 ，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，使 ，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开关重新置?quot;清除然后再进行下一轮抢答。74LS148为线线优先编码器，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。

7、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fo143（RI2R2）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：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。 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。 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

8、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， A1，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，从而实现功能的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q1，经 G3反相， A0，封锁

9、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。3.5.1 74LS27974LS279 RS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1

10、 174LS279 锁存器功能输入1 2 输出 Q0 0 00 X 1 X 0 1 1 1 0 1 1 1 1110没改变 3.5.2 74LS148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2 74LS148功能表输入输出0 1 2 3 4 5 6 72 1 0 1X X X X X X X X1 1 11 101 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 00X X X X X X 00 0 0 0 10X X X X X X 0 10 0 1 0 10X X X X X 0 1 10 1 0 0 10X

11、 X X X 0 1 1 10 1 1 0 10X X X 0 1 1 1 11 0 0 0 10X X 0 1 1 1 1 11 0 1 0 10X 0 1 1 1 1 1 11 1 0 0 100 1 1 1 1 1 1 11 1 1 0 13.5.3 74LS48译码器 图6 74LS48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，个触发器输出置，使74LS279 中 BI/RBO ，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

12、 经RS锁存后，1Q=1,YS =1,74LS48处于工作状态，QQQ=101,即74LS279输入端A3A2A1A0=0101，经 74LS279后输出YgYfYeYdYcYbYa=1101101,经译码显示为5。3.5.4 555 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7 555 定时器引脚图4 系统仿真与测试4 .1 Protues 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

13、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

14、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，

15、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

16、一般采用黑色绝缘皮导线。5.2.1调试的方法不通电检查 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。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。通电检查 ：把经过准确测量的电源电压加入电路，电源接通

17、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。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。测试仪器和被测电

18、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。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。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

19、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，

20、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-R680K六个27404一片374LS247一片4单刀单掷SW-SPDTS0-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NPN3DG12一个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