数字八路抢答器专业课程设计方案报告.doc

梧 州 学 院

课程设计论文
（-下学期）

课程名称 数字电路
论文题目 八路数字智力抢答器
系 别 信息和电子工程学院
专 业 电子信息工程
班 级 12电本2班
学 号 02238
学生姓名 王涛
指导老师 郑瑶
完成时间 年 6 月

题号
一、实物
二、课程设计论文
总分
满分
50
30
20
20
60
20
100
评分依据
电路
设计

电路调试及工作情况
回复
问题
论文规范性
设计原理简述及原理图
测试结果及分析

得分

总分=实物*50%+课程设计汇报书*50%。

摘 要
抢答器作为一个工具，已经广泛应用于多种智力和知识竞赛场所。本设计以八路智力竞赛抢答器为基础概念，从实际应用出发, 用数字、模拟电子器件设计含有扩充功效抢答器。该设计数字抢答器就是利用数字电子技术实现。关键为了实现抢答、定时、显示、报警功效。其电路由主体电路和扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关开启报警电路，以上两部分组成主体电路。经过定时电路和译码电路将秒脉冲产生信号在显示器上输出实现计时功效，组成扩展电路 。当有选手按下按钮时，优先锁存，其它选手在按时无响应，直到主持人按下清零按钮以后，才能开始下一轮抢答。比较实用。
该数字抢答器能够广泛应用于多种竞赛，确保竞赛正确，公平。该数字抢答器即使能够用单片机程序来完成，但繁琐和代价高。而用集成电路设计制作抢答器：方便，价格廉价，还易于扩展。

关键字：编码，译码，555定时器，抢答器

目录

第一章 引言 1
1.1 设计要求 1
1.2 系统概述 1
第二章 设计方案分析和论证 2
第三章 单元电路设计 3
第四章 智能抢答器实物制作 4
第五章 测试结果分析和设计体会 5
参考文件
附录 元器件清单

第一章 引言
1.1 设计要求
1．设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参与比赛，8个抢答按钮分别用编号S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7来表示。
2．设置一个控制开关S，由节目主持人控制系统清零和抢答开始。
3．抢答器含有数据锁存和显示功效。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示对应编号，同时扬声器给出音响提醒。另外，要封锁输入电路，严禁其它选手抢答。优先抢答选手编号一直保持到主持人将系统清零为止。
4．抢答器含有定时抢答功效，一次抢答时间能够由主持人设定（设为15s）。当节目支持人按下“开始”按钮后，定时器进行倒计时，并在显示器上显示，同时扬声器发出短暂声响。
5．参赛选手在设定时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手编号和抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
6．假如定时时间已到，无人抢答，则此次抢答无效，系统报警，并严禁选手抢答，时间显示器上显示00。
1.2 系统概述
总电路设计框图以下：

如设计框图所表示电路包含主体电路和扩展电路两部分。其中主体电路完成基础抢答功效，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时 封锁输入电路，其它选手抢答无效。扩展电路完成定时抢答功效和报警功效。
接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于严禁状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定时间（30s），当主持人将控制开关置于 “开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功效：
1.基础功效：
（1） 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，用八个排在一排开关，选手将按下开关，表明选手抢答。
（2） 设置一个系统清除、抢答控制和定时电路置数控制开关，该开关由主持人控制，按下开关，为接地端，清零处理。
（3） 抢答器含有锁存和显示功效。即选手按动按钮，锁存对应编号，扬声器发出声响提醒，同时发光二极管灯亮，并在七段数码管上显示选手号码。选手抢答实施优先锁存，优先抢答选手编号一直保持到主持人将系统清除为止。
2.扩展功效：
（1） 抢答器含有定时抢答功效，且一次抢答时间由主持人设定（30秒）。当主持人开启"清零"键后，定时器进行减数计时。
（2） 参赛选手在设定时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手编号和抢答时间，并保持到主持人将系统清除为止。
（3） 假如定时时间已到，无人抢答，此次抢答无效，系统报警并严禁抢答，定时显示器上显示00。

第二章 设计方案分析和论证
2.1设计方案分析
方案一：
原理：在选手抢答前， “清除/起始” 开关S使基础RS触发器输出端Q为0，使集成8线-3线优先编码器严禁；当主持人按下“清除/起始”开关S时，基础RS触发器输出端Q为1，和优先扩展输出端Yex共同作用，使集成8线-3线优先编码器选通输入端ST为0，许可编码，等候数据输入。此时优先按动序号组号立即经过编码器按8421BCD码输出，经RS锁存器74LS279将该数码锁存到LED显示器上。和此同时，Yex（引脚为14）由1翻转为0，和非门G1输出为1，选通输入端ST为1，编码器被严禁。另外，在Yex由1翻转为0时，还驱动报警电路工作，发出声音。
方案二：
在方案一基础上采取了74LS148优先编码器来实现抢答器选号，采取了74LS279芯片实现对号码锁存，采取了74LS192实现十进制减法计数，555芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时。
2.2方案论证和选择
方案一中，关键多了一个基础RS触发器，和相正确74LS148引脚和74LS279之间连线对应改变，这又包含到以后提升方案中连线改变。它有本身优点，即基础RS触发器又相当一锁存器（74LS279），它能够对主持人指令进行深入锁存，这么就能够增强它抗干扰能力，但其线途经于复杂，另外此次试验所用电路板对电路设计大小要求很高，而且在布局和焊接上要越精练越好，所以它不是首选方案。而因为方案二已能满足基础设计和提升设计要求，而且它原理更简单易懂，直观明了，元件更少，连线更方便，焊接更可靠，且比较轻易实现，所以最终选择了方案二。

方案二总体仿真图以下：

第三章 单元电路设计
3.1抢答电路设计
抢答电路功效有两个：一是能分辨出选手按键前后，并锁存优先抢答者编号，供译码显示电路用；二是要使其它选手按键操作无效。选择优先编码74LS148和RS锁存器74LS279能够完成上述功效。
74LS148引脚图：

74LS148功效表：

图3-1抢答部分原理图

此部分电路关键完成功效是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有对应数码显示。
工作过程：当主持人控制开关处于“清零”位置时，RS触发器R端为低电平，输出端（4Q～1Q）全部为低电平。于是74LS48BI=0，显示器灭灯；74LS148选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，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时处于工作状态，既抢答器处于等候工作状态，等候输入端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处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。另外，CTR=1，使74LS148ST端为高电平，74LS148处于严禁工作状态，封锁了其它按键输入。当按下键松开后，74LS148YEX高电平，但因为CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于严禁工作状态，其它按键输入信号仍不会被接收。这就确保了抢答者优先性和抢答电路正确性。当优先抢答者回复完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，方便进行下一轮抢答。
RS触发器功效：
1. 保持状态。当输入端接入==1电平时，假如基础SR触发器现态=1、=0，则触发器次态=1、=0；若基础SR触发器现态=0、=1，则触发器次态=0、=1。即==1时，触发器保持原状态不变。
2. 置0状态。当=1，=0时，假如基础SR触发器现态为=1、=0，因=0，会使=1，而=1和=1共同作用使端翻转为0；假如基础SR触发器现态为=0、=1，同理会使=0，=1。只要输入信号=1，=0，不管基础SR触发器输出现态怎样，均会使输出次态置为0态。
3. 置1状态。当=0、=1时，假如触发器现态为=0、=1，因=0，会使G1输出端次态翻转为1，而=1和=1共同使G2输出端=0；同理当=1、=0，也会使触发器次态输出为=1、=0；只要=0、=1，不管触发器现态怎样，均会将触发器置1。
4. 不定状态。当==0时，不管触发器原状态怎样，均会使=1，=1。当脉冲去掉后，和同时恢复高电平后，触发器新状态要看G1 和G2两个门翻转速度快慢，所以称==0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。基础RS触发器逻辑图、逻辑符号和波形图图1-7所表示。
（a）逻辑图 (b) 逻辑符号 (c) 波形图
&

&

Q

Q

G1

G2

R

S

S R

R

S

Q

Q

R

S

Q

置0

置1

保持

图 3-2 基础SR触发器
3.2定时电路设计
该部分关键由555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同时加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48 译码电路和 2 个 7 段数码管即相关电路组成。完成功效是当主持人按下开始抢答按钮后，开始进行倒计时，到0s时倒计时指示灯亮。当有些人抢答时，计时停止。两块74LS192 实现减法计数，经过译码电路 74LS48 显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74LS192 预置数控制端实现预置数30s，计数器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，当有些人抢答时，停止计数并显示此时倒计时时间；假如没有些人抢答，且倒计时时间到时， 输出低电平到时序控制电路，同时以后选手抢答无效。
3.2.1 74LS192关键功效介绍：
74LS192CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。TCU为进位输出，TCD为借位输出。其真值表和引脚图以下：
74LS192功效表：

图3-3 74LS192引脚图
3.2.2 555功效介绍：

图3-4 74LS192引脚图

图3-5 555定时器原理图
在整个抢答器设计中，要求抢答成功后有声音提醒，而且提醒声连续1s，频率为1.2KHz，在设计报警电路时这里用到了555定时器。面先对555定时器作简明介绍。
555定时器原理图和功效表分别图11和图12所表示。它是由3个阻值为５K欧电阻组成分压器，两个电压比较器C1和C2，基础RS触发器，放电BJT TD和缓冲器G4组成.定时器关键功效取决于比较器,比较器输出控制RS触发器和放电TD状态。图中Rd为复位输入端,当Rd为低电平时,不管其它输入端状态怎样,输出Vo为低电平。由图可知,当5脚悬空时,比较器C1和C2和比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。由表二可知：
当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基础RS触发器被置0，放电三极管TD导通，输出端Vo为低电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基础RS触发器被置1，放电三极管TD截止，输出端Vo为高电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基础RS触发器R=1，S=1，触发器状态不
变，电路亦保持原状态不变。
555定时器功效表：

用555定时器能够组成单稳态触发器和多谐振荡电路，图3-7和3-8所表示.

图3-6 单稳态触发器电路图
由555组成单稳态触发器电路图。将555定时器6号脚和7号脚接在一起，并添加一个电容和一个电阻，就能够组成单稳态触发器。电容接在电源和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。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，输出脉冲宽度公式为：。
在这里,单稳触发器关键是用于控制喇叭声响时长,这就要经过控制触发器输出脉宽来实现.设计要求喇叭声响时长为1秒.经计算得到在单稳触发器中各参数以下:
C=0.01微法
Rp=91M欧

图 3-7 多谐振荡电路
由555组成多谐振荡电路可知：电阻和电容组成一个积分电路，其输入端接施密特触发器输出端，其输出端接施密特触发器输入端。用555定时器组成多谐振荡器就是这个思绪。于是，先用555定时器组成一个施密特触发器，再把这个施密特触发器改接成多谐振荡器。和555定时器内部放电管组成了一个反相器[5]。逻辑上，这个反相器输出和555定时器输出
完全相同。所以，这个施密特触发器有两个输出端，分别为555定时器3号脚和7号脚。我们看到，电阻和电容组成了积分电路，施密特触发器一个输出端（7号脚）接积分电路输入端，积分电路输出端接施密特触发器输入端。这么，一个多谐振荡器就成了。
多谐振荡器用在报警电路中,关键是用于控制喇叭声响频率.这里要求为1.2KHz.在方案一中,还用到了多谐振荡器来产生CP脉冲.经计算得到多谐振荡器各参数以下[6]：
R1=0.6K欧
R2=2.4K欧
C1=0.22微法
C2=0.01微法
报警电路关键就是由以上所介绍一个单稳触发器，一个多谐振荡器，再加一个扬声器组成.其组成原理图图3-9所表示。
控制输入信号为经过编码抢答选手信号，当有些人在有效时间内抢答时，定时时间到时无人抢答时，输入信号为高电平，报警电路发出报警信号；反之，输入信号为低电平时，报警器不工作。

图3-8 报警电路原理图

由图中能够看到,接上电源后,当信号输入为高电平时，第一个555连接成单稳态触发器输出为低电平，处于稳定状态，这时，右边多谐振荡器复位输入为低电平，所以其输出也为低电平，扬声器不发音。当信号输入为低电平时，单稳态触发器被触发，处于暂稳态，此时其输出为高电平，输入到多谐振荡器复位端，多谐振荡工作，输出为频率为1.2KHz脉冲波形。这么扬声器就会以1.2KHz频率发出间歇式声响。

图3-9 定时部分原理图
3.3时序控制电路设计
时序控制电路是抢答器关键，它要完成以下三项功效：
（1）主持人将按下控制开关时，EI端为0,抢答和定时电路进入正常工作状态；
（2）当参赛选手按动抢答器开关时，抢答电路和定时电路停止工作；
3当设定抢答时间到，但无人抢答时，抢答电路和定时电路停止工作。依据上面功效，设计出图5所表示控制电路。

（a） （b）
（a）抢答和定时电路时序控制电路 （b）报警电路

第四章 智能抢答器实物制作
4.1原理图设计及PCB设计
此次课程设计电路设计部分全部是在Altium Designer 13.0设计，13版Altium Designer新增了部分快捷功效，使此次电路设计更为方便。抢答器总原理图和PCB图设计以下：

图4-1 抢答器总原理图

图4-2 抢答器双层板PCB图

图4-3抢答器单层板PCB图
4.2抢答器实物焊接和调试
4.2.1实物焊接
经过试验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊接工艺关键性：各个芯片引脚功效不能混淆，必需了解各个芯片使用方法，内部结构和使用时注意事项，该接电源一定要接电源，该接地一定要接地，且不能有悬空。同时在电路板上要预先确定电源正负端，便于区分及焊接。正确焊接各芯片个管脚连接必需查阅多种资料并统计，以确保在焊接过程和调试过程中芯片不被烧坏，同时确保整个电路正确性。在焊接完后每块芯片全部用万用表检测，看是否有短接等，还有焊接时要尽可能使布线规范清楚明了，这么才有利于在调试过程中检验电路。
4.2.2实物调试和检验碰到问题处理过程
（1） 显示电路不稳定问题
在完成电路焊接进入调试阶段时发觉抢答器数码管显示选手编号不稳定。关键表现在单选手按下抢答键后数码管显示不是选手目前号码。所以着手对电路进食检验，首先检验数码管看是否是关节焊接错误，后又检验电路各个芯片管脚接错均未发觉问题，最终发觉当触动某按键连线时显示正常由此判定可能是因为出现了虚焊，遂将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。
（2） 控制开关无法控制电路
在调试是发觉当按下主持人开关时电路断电，当松开后数码管显示一直为7，经过一个多小时对电路用万用表逐一检验，发觉是开关触焊接错误，经过更正焊接后电路能正常工作。
（3）数码管不能正常倒计时
在进入定时电路调试时，发觉数码管不能正常倒计时，出现乱码。对这问题我们检验了芯片是否完好，电路界限是否正确均未发觉问题，以后经过几次实物焊接试验后，发觉和74LS192置数端相连数码管不能悬空，于是改成经过杜邦线和排阵相连直接给高低电平置数，定时部分才成功数码管也能正常工作了。
4.3实物展示：

图5-1 整体实物图

图5-2 实物焊接后面图

图5-3 倒计时到10秒时实物图
图5-4 三号选手抢答时实物图
第五章 测试结果分析和设计体会
5.1测试结果和分析
调试工作是个精细工作。在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引发，也有些是因为焊接问题引发等所以排查过程需要尤其有耐心，经过对芯片功效检验，对焊点检验最终检验出问题所在。
5.2设计体会和试验总结
这次课程设计电路即使是比较复杂。在整个电路设计过程中，花费时间最多是各个单元电路连接及电路细节设计上，在多个方案选择中，我们仔细比较分析其原理和可行原因，最终还是在通数次对电路改善，上机仿真和接线调试，最终使整个电路可稳定工作。设计过程中，我深刻体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当繁琐，有时花很长时间设计出来电路还是需要重做，那时心中未免有点气馁，有时还尤其想放弃，此时愈加需要静下心，查找原因。设计思绪是最关键，只要你设计思绪是成功，那你设计已经成功了二分之一。所以我应在设计前做好充足准备，如查找具体资料，为我设计成功打下坚实基础。
总而言之，经过这次课程设计学习，我确实学习了很多知识，真正感受到了理论联络实际关键性，和这之间莫大区分，到最终看着自己结果心里还是感到很欣慰。在课程设计期间我知道了怎样利用网上资源和图书馆里资源，经过网上资源和图书馆资源我了解了很多电子元件工作原理，但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。经过这次课程设计，我深深感悟到对于书本上知识掌握不够，只有熟练地掌握书本上知识，这么才能对试验中出现问题进行分析处理。经过这次练习我有了很多收获。在探索该怎样设计电路使之实现所需功效过程中，尤其有趣，培养了我设计思维，增强了动手能力。在改善电途经程中，同学们共同探讨，最终电路已经比早期设计有了很大提升。在让我体会到了设计电路艰辛同时，更让我体会到成功喜悦和愉快。在这里，感谢老师指导！

参考文件
[1] 康华光 《电子技术基础》数字部分 高等教育出版社
[2] 王毓银 《数字电路逻辑设计》（第三版） 高等教育出版社
[3] 吕思忠，施齐云 《数字电路试验和课程设计》 哈尔滨工程大学出版社
[4] 董玉冰 《Multsim9在电工电子技术中应用》 清华大学出版社
[5] 谢自美 《电子线路设计试验测试》 华中科技大学出版社
[6] 钱培怡 《电子电路试验及课程设计》 西安电子科技大学出版社 1992

附录：元件清单

序号
类型
数量
1
74LS279（RS锁存器）
1
2
74LS48（4线—7段译码驱动器）
3
3
74LS148（8线—3线优先编码器）
1
4
74LS192（十进制可逆计数器）
2
5
74LS08（二输入四异或门）
1
6
74LS00（二输入和非门）
2
7
NE555
1
8
晶体管3DG130
1
9
七段数码管（共阴极）
3
10
B键（触发开关）
9
11
发光二极管
1
12
扬声器
1
13
四脚轻触开关
8
14
圆孔排阵若干排

15
电阻（1KΩ）
4
16
电阻（10KΩ）
9
17
电阻（15KΩ）
1
18
电阻（68KΩ）
1
19
电容（0.1μF）
1
20
电容（10μF）
1