多路智能竞赛抢答器设计专业课程设计.doc

数字电路课程设计任务书

专业班级：
学生姓名：
指引教师：
工作单位：
题 目： 多路智能竞赛抢答器设计
初始条件：
优先编码器 74LS148
RS锁存器 74LS279
显示译码器 74LS47
定期芯片 555
计数器 74LS192 74LS90
与门 74LS08
或门 74LS32
与非门 74LS00
七段数码管 、蜂鸣器、电容电阻若干
规定完毕重要任务:
1. 基本功能
①设计一种智力竞赛抢答器，可以同步供8名选手或8个代表队参加比赛，她们编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一种抢答按钮，按钮编号与选手编号相相应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。
②给节目主持人设立一种控制开关，用来控制系统清零（编号显示数码管灭灯）和抢答开始。
③抢答器具备数据锁存和显示功能。抢答开始，若有选手按动抢答按钮，编号及时锁存，并在LED数码管上显示出选手编号，同步扬声器给出音响提示。此外要封存输入电路，禁止其她选手抢答。优先抢答选手编号始终保持到系统清零为止。
2. 扩展功能
①抢答器具备定期抢答功能，且一次抢答时间可以由主持人设定，档节目主持人按下“开始”按钮后，规定定期器及时倒计时，并在显示屏上显示，同步扬声器发出短暂声响，声响持续0.5S左右。
②参赛选手在设定期间内抢答，抢答有效，定期器停止工作，显示屏上显示选手编号和抢答时刻时间，并保持到主持人将系统清零为止。
③如果定期抢答时间已到，去没有选手抢答，则本次抢答无效，系统短暂报警，并封存输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示屏上显示00。
时间安排：
7.4： 理论设计
7.5～7.6：安装调试或仿真
7.7： 撰写报告
7.9： 答辩
指引教师签名： 7月 1日

系主任签名： 7 月 1 日

目 录
1. 多路智能竞赛抢答器原理与设计 1
1.1抢答器原理 1
1.2总体方案设计 1
1.3电路原理设计 2
1.3.1 八路抢答电路设计 2
1.3.2定期电路设计 5
2. Multisim仿真与制作 12
2.1抢答仿真 12
2.2定期抢答仿真 14
2.3仿真成果分析 16
2.4总电路图 17
3. 结与体会 18
4.元件清单 19
参照文献 20

1. 多路智能竞赛抢答器原理与设计
1.1抢答器原理
抢答器基本原理框图如下图1-1所示：
抢答按钮
锁存电路
译码显示
清零按钮

复位控制电路
图 1-1

抢答者按下抢答按钮后，启动锁存电路，锁存最先抢答者抢答成功状态，并制止其她选手抢答。译码显示电路将抢答成果译码显示出来。清零按钮按下后，电路复位回初始状态后，可以进行下一轮抢答。
1.2总体方案设计
第一种方案：
第一种方案流程图如下图1-2所示：
抢答按钮
锁存器
编码器
译码显示
控制电路
声响电路
定期电路
译码显示
图 1-2
主持人控制开关

抢答按钮连接控制电路，抢答开始，有选手按下抢答按钮后，控制电路是锁存器锁存各个抢答路电平高低，从而锁存了第一位抢答者抢答信号，同步切断其她抢答者抢答信号，制止其她选手抢答。编码器将抢答成果译成二进制数送给下一级译码显示电路，译码显示电路显示抢答成功者号码。
声响电路可以发出提示声响，定期电路有定期抢答功能，并能显示倒计时时间。
该方案满足设计功能规定，但是用锁存器锁存抢答成果这一思路有缺陷，就是也许有两个选手抢答时间间隔很小，两路抢答信号同步锁存了起来，导致编码器编码出错，下一级译码显示电路不能显示抢答成果。
第二种方案：
第一种方案流程图如下图1-3所示：

图1-3
第二种方案原理和第一种方案基本同样，只是在第一种方案上做了改进，在锁存器和抢答按钮之间增长了优先编码器，避免了多路抢答信号同步被锁存，编码器编码出错，下一级译码显示电路不能显示抢答成果状况。
综合两种方案，故选取第二种方案。
1.3电路原理设计
1.3.1 八路抢答电路设计
该某些用到芯片有74LS47、74LS279、74LS148，其引脚图和逻辑图如下：
74LS47电路符号和引脚图如下图1-4：
图1-4

74LS47逻辑图如下图1-5：
图1-5
74LS279引脚图和逻辑图如下图1-6：

图 1-6

74LS148引脚图如下图1-7：

图 1-7
74LS148逻辑图如下图1-8：

图 1-8

电路原理图如下图1-9：
电路抢答某些选用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 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，同步译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其她选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S置于“断开”时，RS触发器 R端均置0，4个触发器输出置0，使74LS148优先编码工作标志端引脚5电平为0，使之处在工作状态。当开关S置于"开始"时，抢答器处在等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148输出经RS锁存后，2Q2=1，BI/RBO =1，七段显示电路74LS48处在工作状态，DCBA=0101，经译码显示为“5”。此外，2Q2＝1，使74LS148 优先编码引脚5工作标志端EI＝１，处在禁止状态，封锁其她按键输入。当按键松开即按下时，74LS148 此时由于仍为2Q2＝1，使优先编码工作标志端引脚5电平为1，因此74LS148仍处在禁止状态，保证不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者优先性。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。
图1-9
1.3.2定期电路设计
该某些用到芯片除74LS47外、还用到74LS192、74LS90、LM555。74LS192引脚图如下图1-10：

图1-10

74LS192逻辑图如下图1-11：

图 1-11

74LS90引脚图和逻辑图如下图1-12：

图 1-12

定期芯片LM555引脚图如下图1-13：

图 1-13
此外用到或门芯片74LS32，或门芯片74LS08，或非门芯片74LS00引脚图如下：

图1-15 74LS08引脚图

图1-14 74LS32引脚图

图1-16 74LS00引脚

秒脉冲产生电路如图1-17所示，由LM555构成多谐振荡器构成。
脉冲频率计算：
如右边电路图，R15=10k，
R16=68k，C1=10uF，
图 1-17
f=1/0.7×（10k+2×68k）×10×10-6≈1S。
周期1S时钟脉冲经右图U12A（74LS00）和U12D(74LS00)送到74LS1924引脚（DOWN），使74LS192减计数，达到倒计时效果。U12A（74LS00）或非门另一种输入端接秒十位74LS19213引脚（BO）。
如果定期抢答时间已到而没有选手抢答，13引脚（BO）输出低电平，LM555时钟脉冲不能通过U12A（74LS00），74LS192由于没有时钟脉冲输入，停止减计数，时间显示静止不动。
如果半途有选手抢答，U2B（74LS279）13引脚（2Q2）输出高电平，经U12C(74LS00)反向成低电平0输入U12D(74LS00)其中一端，使时钟脉冲不能通过U12D(74LS00)，74LS192由于没有时钟脉冲输入，停止减计数，时间显示静止不动。
本设计增长了可设定定期长短电路，由两片74LS90构成加计数器，电路如下图1-18。.
图 1-18
J10为清零按钮，按下后74LS90R01、R02、R91、R92置低电平，两个74LS90清零。
J1为加时间按钮，按下后给U14(74LS90)14引脚（INA）下降沿，计数加一。此时支持人S1处在停止状态，U19和U1011引脚（LOAD）为低电平，QA~QD分别等于U13和U14QA~QD，数码管显示是正在设定期间是多少。
S1拨到开始状态后，LOAD置高电平，U9和U10从开始前显示时间开始倒计时。S1再次拨到停止位时，时间复位到本来设定期间数。
定期电路总电路图如下图1-19所示：

图 1-19
该某些重要由555定期器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即有关电路构成。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74192预置数由两个74LS90构成计数器实现预置数，由节目主持人依照抢答题难易限度，设定一次抢答时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，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DPY_7-SEG 上，当有人抢答时，停止计数并显示此时倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间届时， 输出低电平届时序控制电路，控制报警电路报警，同步后来选手抢答无效。
声响电路如下图1-20所示，重要由单稳态触发器SN74121和蜂鸣器构成。
蜂鸣器接上电源就能发出声音，相比于使用扬声器而言，省去了音频振荡电路，使电路更加简朴可靠。其中R18=100K、C15=10uF，单稳态触发器触发后暂态持续时间大概是0.5S，也就是蜂鸣器持续发出声响时间是0.5S。

SN74121引脚图和逻辑图如下图1-21：

图 1-21
SN741215引脚（B）接S1一端，当S1拨向开始后，5引脚（B）电平变高电平，有一种上升沿，触发器触发，蜂鸣器发出声响。
U18A(74LS08)输出端接SN741213引脚（A1），输入端接U3(74LS148)14引脚（GS），抢答开始后，SN741215引脚（B），4引脚（A2）为高电平，当有选手按下按钮后，U3(74LS148)14引脚（GS）输出一种负脉冲，触发器触发，蜂鸣器发出声响。与门U18A(74LS08)起届时延作用，保证电路时序对的性，使电路能正常工作。
SN741214引脚（A2）接秒十位74LS19213引脚（BO），没有选手抢答时，当定期抢答时间届时， SN741215引脚（B），3引脚（A1）为高电平，秒十位74LS19213引脚（BO）输出低电平，使SN741214引脚（A2）有一种下降沿，触发器触发，蜂鸣器发出声响。
电路图中DCD_BARGRAPH作用是仿真时能看到蜂鸣器两端电压高低，用于辨别蜂鸣器与否发出声音。
抢答器用是七段共阳数码管，其原理图和引脚图如下图1-22：

图 1-22

2 Multisim仿真与制作
2.1抢答仿真
1.主持人开关S1置于停止位时，按下其中一种抢答按钮。效果截图如下图2-1：

图2-1

可以看到支持人把S1停止位，选手抢答无效，数码管保持灭灯。
2.主持人开关S1置于开始位后，先按下其中一种抢答按钮J2，随后按下此外任一抢答按钮。效果截图如下图2-2：

图 2-2
数码管显示“2”，按下另一抢答按钮后，数码管示数不变，具备禁止其她选手抢答功能。DCD_BARGRAPH亮，阐明抢答成功后有声响提示，提示时间约0.5S。
3.主持人开关S1置于开始位后，先按下其中一种抢答按钮J5，随后按下此外任一抢答按钮。效果截图如下图2-3：

图 2-3
数码管显示“5”，按下另一抢答按钮后，数码管示数不变，具备禁止其她选手抢答功能。DCD_BARGRAPH亮，阐明抢答成功后有声响提示，提示时间约0.5S。
4.主持人开关S1置于开始位后，先按下其中一种抢答按钮J7，随后按下此外任一抢答按钮。效果截图如下图2-4：

图 2-4
数码管显示“7”，按下另一抢答按钮后，数码管示数不变，具备禁止其她选手抢答功能。DCD_BARGRAPH亮，阐明抢答成功后有声响提示，提示时间约0.5S。
2.2定期抢答仿真
1.主持人开关S1置于停止位后可以设立定期时间长短，按下其中J11，设定期间加1，按J11十次后，效果截图如下图2-5。主持人开关S1置于开始位，定期器开始倒计时，倒计时到4秒，仿真如下图2-6。
图 2-6 倒计时到4秒
图 2-5 设定定期10秒

图 2-5

从仿真效果可以看出定期电路有倒计时功能并且可设定定期时间长短。
选手编号
定期显示
2.没有选手抢答，定期抢答时间已到后，仿真效果如图2-7。
倒计时显示
选手编号

图 2-7
声响

倒计时停止在“00”不动，DCD_BARGRAPH亮，阐明倒计时到后有声响提示。选手编号显示数码管灭灯。如果定期抢答时间已到，去没有选手抢答再按下其中任一种抢答按钮，超时抢答，仿真效果如下图2-8。

图 2-8

选手编号数码管仍是灭灯状态，封存了输入电路，禁止选手超时后抢答。
3.倒计时到6秒时，3号选手抢答，仿真效果如下：

图2-9 显示选手编号为“3”

图2-10 倒计时停止在“06”

图2-11 声响电路发出音响提示

2.3仿真成果分析
综合上述仿真成果，电路具备功能：
①同步供8名选手或8个代表队参加比赛，她们编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一种抢答按钮；
②设有一种控制开关S1，用来控制系统清零（编号显示数码管灭灯）和抢答开始；
③抢答器具备数据锁存和显示功能。抢答开始，若有选手按动抢答按钮，编号及时锁存，在数码管上显示选手编号，同步有音响提示。封存输入电路，禁止其她选手抢答。优先抢答选手编号始终保持到系统清零为止。
④抢答器具备定期抢答功能，抢答时间可以设定，S1置于开始位后，定期器及时倒计时，并在显示屏上显示，同步发出短暂声响，声响持续0.5S左右。
⑤参赛选手在设定期间内抢答，抢答有效，定期器停止工作，显示屏上显示选手编号和抢答时刻时间，并保持到主持人将系统清零为止。
⑥如果定期抢答时间已到，去没有选手抢答，则本次抢答无效，系统短暂报警，并封存输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示屏上显示00。
整个设计既完毕了基本功能某些，又完毕了扩展功能某些。

2.4总电路图

3 小结与体会
　 抢答器丰富了咱们生活，社会中本来就布满着竞争。只是没有很明显体现出来，八路抢答器原理也只是几种芯片合成体，需要咱们查所用到芯片手册，查芯片引脚图，逻辑图等资料。系统看起来也没什么复杂性，当理解所有芯片作用和功能时候发现自己所学知识并不是较好，理解掌握不够。当实际设计时候发现自己有诸多局限性之处，例如芯片工作时序没有搞好，导致系统工作不正常，日后加入了非门或者与门等门电路进行延时，系统才终于正常工作。因此设计出一种能正常工作数字电路需要大量细致工作，考虑不同方案，通过几种方案对比，最后选出最佳方案 。

4 元件清单
规格
个数
规格
个数
74LS47
3
74LS00
1
74LS279
1
74LS32
1
74LS148
1
74LS08
1
74LS192
2
电阻10KΩ
13
74LS90
2
电阻510Ω
2
74LS121
1
电阻100Ω
1
LM555
1
电阻100KΩ
1
三极管2N3906
1
电解电容10uF
2
蜂鸣器
1
瓷片电容0.1uF
15
万用板
1
发光LED
2

参照文献
[1]康华光、陈大钦、张林.电子技术基本.华中科技大学出版社.
[2]韩克、柳秀山.电子技能与EDA技术.暨南大学出版社.
[3]陆坤、奚大顺.电子设计技术.电子科技大学出版社.1997
[4]谢自美.电子线路设计·实验·测试（第三版）.华中科技大学出版社.
[5]阎石.数字电子计数基本.高等教诲出版社.1998
[6]孙梅生.电子技术基本课程设计.高等教诲出版社.1989