八路抢答器专业课程设计.doc

数模电课程设计报告

八路抢答器

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目录
摘要…………………………………………………………………....3
1 前言
1.1 设计背景…………………………………………………….4
1.2 设计目…………………………………………………….4
1.3 设计内容…………………………………………………….5
1.4 抢答器当前存在重要问题…………………………………5
2 抢答器系统概述
2.1 抢答器系统功能简介……………………………………….6
2.2 抢答器工作原理简介……………………………………….6
2.3 抢答器工作过程…………………………………………….7
2.4重要元器件功能简介…………………………………………..8
2.4.1 锁存器74HC573、优先编码器74LS147…………………..8
2.4.2 计数器74LS192、显示译码器CD4511、74LS48………….10
3 抢答器电路设计
3.1 抢答器总体构造……………………………………………..13
3.2 优先判断与编号锁存电路……………………………………..13
4 抢答器单元电路设计
4.1抢答电路设计………………………………………………..15
4.2时序电路设计………………………………………………..16
4.3报警电路设计………………………………………………..18
4.4 抢答器电路原理图…………………………………………….19
4.5 仿真成果显示………………………………………………….20
5 焊接与调试中遇到问题
5.1 焊接中遇到问题…………………………………………….21
5.2 调试中遇到问题…………………………………………….21
6 实验材料清单………………………………………………………22
7 设计总结……………………………………………………………23
参照文献………………………………………………………………23

摘 要

随着科学技术不断发展，促使人们学科学、学技术、学知识手段各种各样。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，当今社会竞争日益激烈，选拔人才，评比优胜，知识竞赛之类活动更加频繁，那么也就必然离不开抢答器。因而抢答器是机关学校、电视台等单位开展智力竞赛活动必不可少设备，通过抢答者按键、数码显示等能精确、公正、直观地判断出优先抢答者。本产品采用了数字显示屏直接批示，自动锁存显示成果，并自动复位设计思想，由数字电路以及外围电路构成，分为八路抢答；在抢答同步附有声音输出接口，提示主持人此时已完毕这次抢答。
数字抢答由主体电路与扩展电路构成。主体电路涉及两某些：一某些是优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队输入信号在显示在LED上输出电路；另一某些式控制电路和报警电路。通过布线、调试等工作后抢答器成形。

核心字：抢答电路；定期电路；报警电路；LED

1 前 言
1.1 课题研究有关背景
当今社会竞争日益激烈，选拔人才，评比优胜，知识竞赛之类活动更加频繁，而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出问题，如果要是让抢答者用举手等办法，这在某种限度上会由于主持人主观误断导致比赛不公平性。比赛中为了精确、公正、直观地判断出第一抢答者，这就要有一种抢答设备作为裁判员，这就必然离不开抢答器。
抢答器是一种应用非常广泛设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地辨别出最先获得发言权选手。初期抢答器只由几种三极管、可控硅、发光管等构成，能通过发光管批示辩认出选手号码。当前大多数抢答器均使用单片机或数字集成电路，并增长了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后计时、选手得分显示等功能。
随着科技发展，当前抢答器有着数字化，智能化方向发展，这就必然提高了抢答器成本。鉴于当前小规模知识竞赛越来越多，操作简朴，经济实用小型抢答器必将大有市场。因而，我选取简易逻辑数字抢答器这一课题。
简易逻辑数字抢答器由主体电路与扩展电路构成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队输入信号在显示屏上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两某些构成主体电路。通过定期电路和译码电路将秒脉冲产生信号在显示屏上输出实现计时功能，构成扩展电路。
1.2 选题目和意义
通过这次课程设计,理解简朴多功能数字电路抢答器构成原理，初步掌握数字电路抢答器调节及测试办法，提高思考能力和实践能力。同步通过本课题设计，巩固已学理论知识，建立逻辑数字电路理论和实践结合，理解多功能抢答器各单元电路之间关系及互相影响，从而能对的设计、计算定期计数各个单元电路。初步掌握多功能抢答器调节及测试办法。

1.3 设计内容
本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一种抢答按钮。主持人有开始和结束、复位键。在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题时间设立，如原始状态下抢答时间为15s，回答问题时间为30s。通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键拟定。新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者代号，扬声器持续发生。主持人可按键结束，新一轮抢答开始。
通过研究并在设计后发现，采用数字电路技术设计抢答器与当前惯用抢答器相比，一方面，电路连接简朴，由于大多数功能单元都能通过数字电路完毕，第二，工作性能可靠，抗千扰能力优于当前抢答器。因此本研究是一种实用工程设计，具备创新性。

1.4 抢答器当前存在重要问题
随着改革开放事业不断进一步，促使人们学科学、学技术、学知识手段各种各样，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。但抢答器使用频率校低，且有要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。作为一种单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用次数很少，往往因长期存储使（电子器件）抢答器损坏，再购买麻烦和及时性就会影响活动开展。当前多数抢答器存在3个局限性之处：一方面，现场线路连接复杂。由于每个选手位于抢答现场不同位置，每个选手与控制台之间要有长长连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不但影响了现场美观，并且减少了抢答器可靠性，增长了安装难度，甚至影响了现场人员走动。另一方面，电路复杂。由于简朴逻辑电路只完毕号码解决、计时、数据运算等功能，其他功能如选手号码辨认、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完毕。采用简朴逻辑电路扫描技术辨认选手抢按号码时，电路延迟时间较大，最后导致容易浮现选手抢按成功现象。

2 抢答器系统概述

2.1系统重要功能简介

电子抢答器重要功能有如下六点：
（1）抢答器同步供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表达。
（2）设立一种系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
（3）抢答器具备锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应编号，并在LED数码管上显示，同步扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手编号始终保持到主持人将系统清除为止。
（4）抢答器具备定期抢答功能，且一次抢答时间由主持人设定（如30秒）。当 主持人启动"开始"键后，定期器进行减计时，同步扬声器发出短暂声响，声响持续时间0.5秒左右。

2.2 抢答器工作原理简介

如图2.1所示为抢答器构造框图，它由主体电路和扩展电路两某些构成。主体电路完毕基本抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手编号，同步能封锁输入电路，禁止其她选手抢答。扩展电路完毕检测数码管工作状况。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到"清除"状态，抢答器处在禁止状态，编号显示屏灭灯，定期器显示设定期间；主持人将开关置于"开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。定期器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定期时间内抢答时，抢答器完毕：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定期器停止、禁止二次抢答、定期器显示剩余时间。如果再次抢答必要由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。

图2.1 抢答器构造框图

2.3 抢答器工作过程
（1）如果想调节抢答时间或答题时间,按"加一"键或"减一"键进入调节状态,此时会显示当前设定抢答时间或回答时间值,如想加一秒按一下"加1s"键,如果想减一秒按一下"减1s"键，时间LED上会显示变化后时间，调节范畴为0~99s，0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。
（2）主持人按"抢答开始"键，会有提示音，并立即进入抢答倒计时（预设15s抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立即进入回答倒计时（预设10s抢答时间），不进行抢答查询，因此只有第一种按抢答选手有效。倒数时间到不大于5s会每秒响一下提示音。
（3）如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按"停止"按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按"抢答开始"进入下次抢答计时。
（4）如果主持人未按"抢答开始"键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED上不断闪烁FF和犯规号数并响个不断，直到按下"停止" 键为止。
综上所述，本课题运用简朴逻辑数字电路设计了抢答器，该抢答器增长了新功能、提高了系统可靠性、简化了电路构造、节约了成本，是一种实用工程设计。
2.4重要元器件功能简介
2.4.1 锁存器（74HC573）、优先编码器（74LS147）
锁存器74HC573输出端为～ 可直接与总线相连。当三态容许控制端 OE 为低电平时，～ 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE 为高电平时，～ 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线负载，但锁存器内部逻辑操作不受影响。当锁存容许端 LE 为高电平时，Q 随数据D 而变。当LE 为低电平时，O 被锁存在已建立数据电平。 输出能直接接到CMOS，NMOS 和TTL 接口上。
操作电压范畴：2.0V～6.0V
低输入电流：1.0uA
CMOS 器件高噪声抵抗特性
引出端符号：
～ 数据输入端
OE 三态容许控制端（低电平有效）
LE 锁存容许端
～ 输出端

74LS573外部管脚图如图2.2：

图2.2 74LS573引脚图

真值表如表1-1所示：

表1-1

优先编码器是当各种输入端同步有信号时,电路只对其中优先级别最高输入信号进行编码。10线-4线8421 BCD码优先编码器74LS147引脚图如图2.3所示，其中第9脚NC为空。74LS147优先编码器有9个输入端和4个输出端。某个输入端为0，代表输入某一种十进制数。当9个输入端全为1时，代表输入是十进制数0。4个输出端反映输入十进制数BCD码编码输出。

图2.3 74LS147引脚图

2.4.2 计数器（74LS192）、显示译码器（CD4511、74LS48）

192 清除端是异步。当清除端（MR）为高电平时， 不论时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完毕清除功能。
192 预置是异步。当置入控制端（）为低电平时， 不论时钟CP状态如何，输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（P0～P3）相一致状态。
192 计数是同步，靠CPD、CPU同步加在4 个触发器上而实现。在CPD、CPU上升沿作用下Q0～Q3 同步变化，从而消除了异步计数器中浮现计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别运用CPD或CPU，此时另一种时钟应为高电平。
当计数上溢出时，进位输出端（）输出一种低电平脉冲，其宽度为CPU低电平某些低电平脉冲；当计数下溢出时， 错位输出端（）输出一种低电平脉冲，其宽度为CPD低电平某些低电平脉冲。

功能表如表1-2：

CD4511、74LS48是用于驱动共阴极 LED （数码管）显示屏 BCD 码—七段码译码器，特点：具备BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能CMOS电路能提供较大拉电流。可直接驱动LED显示屏。引脚排列如图 2.4
所示。其中a b c d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示屏正常显示，加低电平时，显示屏始终显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示屏与否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。此外 CD4511有回绝伪码特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传播数据。a～g是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。此外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，因此显示6、9这两个数时，字形不太美观。

图2.4 CD4511引脚图

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不论其他输入端状态如何，七段数码管均处在熄灭（消隐）状态，不显示数字。
  LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不论输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它重要用来检测数码管与否损坏。
LE：锁定控制端，当LE=0时，容许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

图2.5 74LS48引脚图
输出端（Ya－Yg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。
当规定输出 0－15 时，消隐输入（）应为高电平或开路，对于输出为0 时还规定脉冲消隐输入（）为高电平或者开路。
当为低电平时，不论其他输入端状态如何，Ya－Yg均为低电平。
当RBI和地址端（A0－A3）均为低电平，并且灯测试输入端（）为高电平时， Ya －Yg为低电平，脉冲消隐输出（）也变为低电平。
当为高电平或开路时，为低电平可使Ya－Yg均为高电平。
48 与248 引出端排列、功能和电特性均相似，差别仅在显示6 和9,248 所显示6 和9 比48 多余上杠和下杠。
引出端符号
A0－A3 译码地址输入端
/消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效）
灯测试输入端（低电平有效）
脉冲消隐输入端（低电平有效）
Ya－Yg 段输出
3 抢答器电路设计
3.1 抢答器总体构造
如图3.1所示为总体方框图。接通电源后，后台工作人员将检测开关S置“检测”状态，数码管在正常清除下，显示“”；当后台工作人员将检测开关S置“抢答”状态，主持按系统清除按键，抢答器处在禁止状态，编号显示屏灭灯；主持人松开，宣布“开始”，抢答器工作。选手按动抢答按键，抢答器完毕：优先判断、编号锁存、编号显示。当一轮抢答之后，优先抢答选手编号始终保持到主持人将系统清除为止。如果再次抢答必要由主持人再次按动系统清除按键。

图3.1 总体方框图

3.2 优先判断与编号锁存电路
优先判断与编号锁存电路如图3.2所示。电路选用优先编码器 4511 来完毕。该电路重要完毕两个功能：一是辨别出选手按键先后，并锁存优先抢答者编号；二是禁止其她选手按键，其按键操作无效。工作过程：系统清除按键按动时，4511四个RS触发器置0端均为0，使四个触发器均被置0。1Q为0，使4511使能端=0，74LS148处在容许编码状态，同步1Q为0，使4511灭灯输入端=0，数码管无显示。这时抢答器处在准备抢答状态。
当系统清除按键松开时，抢答器处在等待状态。当有选手将按键开关按下时，抢答器将接受并显示抢答成果，假设按下是S4，则4511编码输出为011，此代码送入74LS279锁存后，使4Q3Q2Q=100，
亦即4511输入为0100；又74LS148优先编码标志输出GS非为0，使1Q=1，即BL=1，4511处在译码状态，译码成果显示为“4”。同步1Q=1，使74LS148EN=1，4511处在禁止状态，从而封锁了其她按键输入。此外，当优先抢答者按键松开再按下时，由于仍为1Q=1，使EN=1，4511仍处在禁止状态，保证不会接受二次按键时输入信号，保证了抢答者优先性。

图3.2 优先判断与编号锁存电路

4 抢答器单元电路设计

4.1抢答电路设计
抢答电路功能有两个：一是能辨别出选手按键先后，并锁存优先抢答者编号，供译码显示电路用；二是要使其她选手按键操作无效。选用优先编码74LS148和RS锁存器74LS279可以完毕上述功能，其电路构成如图4.1所示：

图4.1 抢答电路
其工作原理是：当主持人控制开关处在“清零”位置时，RS触发器R端为低电平，输出端（4Q～1Q）所有为低电平。于是74LS48BI=0，显示屏灭灯；74LS148选通输入端ST=0，74LS148处在工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同步处在工作状态，既抢答器处在等待工作状态，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，此时74LS279处在工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示屏显示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148ST端为高电平，74LS148处在禁止工作状态，封锁了其他按键输入。当按下键松开后，74LS148YEX高电平，但由于CTR维持高电平不变，因此74LS148仍处在禁止工作状态，其他按键输入信号仍不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路精确性。当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。

4.2时序电路设计

时序控制电路是抢答器设计核心，它要完毕如下三项功能：
① 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定期电路进入正常抢答工作状态，
②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定期电路停止工作。
③当设定抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同步抢答电路和定期电路停止工作。
设计时序控制电路如图4.2所示：

图4.2(A) 抢答与定期电路时序控制电路

图4.2(B) 报警电路时序控制电路

图中，门G1作用是控制时钟信号CP放行与禁止，门G2作用是控制74LS148输入使能端ST。主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时,74LS279输出CTR=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来时钟信号CP可以加到74LS192CPD时钟输入端，定期电路进行递减计时，在定期时间未届时，74LS192借位输出端BO2=1，门G2输出ST=0，使74LS148处在正常工作状态，从而实现功能①规定；当选手在定期时间内按动抢答键时，CTR=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定期器处在保持状态，门G2输出ST=1，74LS148处在禁止工作状态，从而实现功能②规定；当定期时间届时，74LS192借位输出端BO2=0，门G2输出ST=1，74LS148处在禁止工作状态，禁止选手进行抢答，门G1同步处在关门状态，封锁CP信号，使定期电路为00状态，从而实现功能③规定，74LS121用于控制报警电路及发声时间。

4.3报警电路设计

由555定期器和三极管构成报警电路如图4.3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4.3报警电路

4.4 抢答器电路原理图

图4.4 电路原理图

4.5 仿真成果显示

图4.5 成果图一

图4.5成果图二

5 焊接与调试中遇到问题

5.1 焊接中遇到问题
之前有过某些焊接经验，自觉得焊接应当不久弄好，没想到最后焊接花了我将近一天多，一是焊接时焊烙铁经常是用了一会就无法把锡融化，严重影响了焊接进度，再加上电路板有些焊点离很近，这样焊接起来就更难焊了，但是归根结底还是由于焊烙铁经常热度不够，最后在同窗提示下，用厚刀刮掉烙铁表面氧化层(焊烙铁用久了，表面会有一层厚氧化层，影响烙铁导热性能)，再用于焊接，果不其然，那用起来如鱼得水，怎一种爽字了得！

5.2 调试中遇到问题
在调试时，将每个抢答按钮逐个按下，按S1,S2,S3,S4,S5,S7,S8
都可以显示相应数字，但按下S6时在显示屏上却没有显示，通过用万用表逐个排查，最后把目的拟定在一种IN4148二极管上，用万用表测量该二极管发现正接测与反接测成果都显示电阻为零，最后重新买某些IN4148，把那出问题换下，接上新，成果按钮S6正常了。有按钮焊接时四角不太平稳，导致按钮不太敏捷，按下按钮有时也不显示相应数字，最后我重新调节并焊接了不敏捷按钮。

6 实验材料清单

材料种类
数目(个)
触发开关
9
IN4148
18
10K电阻
8
2.2K电阻
1
360电阻
8
NE555定期器
1
CD4511
1
LED数码管
1
100uF电解电容
2
陶瓷电容103
1
陶瓷电容104
1
三极管9014
1
蜂鸣器
1
电源接座
1

7 设计总结
通过这次设计，我对数字电路设计中逻辑关系有了更进一步理解，在设计过程中，虽然遇到了诸多问题，有某些知识也不太明白，但通过某些资料又重新去理解数字电路某些内容。在这次课程设计中，我全身心投入，时间感觉过不久，虽然实物设计不怎么成功，但付出了汗水，也得到了一定收获，我体会到了在创造过程中摸索艰难和小小成功喜悦，培养了我独立思考和动手能力，树立了自己对此后工作能力信心，相信明天是属于咱们，咱们九零后新一代大学生也将会创造历史，创造奇迹！。
在此，感谢教师给咱们这个锻炼机会，感谢你们教会了咱们一定技能和知识，请相信咱们将会做得更好！

参照文献
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