数电课程设计抢答器-毕业论文.doc

设计题目：数字电路抢答器
摘 要
在市场上可能有很多智力抢答器，但是本设计从最基本的原理出发，结合数字电路知识设计出的只是利用到了最基本的复位方式。本设计介绍了数码显示六路抢答器的组成、设计及功能，电路采用74系列常用集成电路进行设计，该抢答器具有最基本的抢答功能外，还具有计时和报警功能。主持人通过复位开始，系统自动完成倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统将报警，提示本轮抢答无效。若超过抢答时间，也无效。
本设计中抢答器主要运用了编码器，译码器和锁存器；它采用74ls148来实现抢答器的选号。采用74ls192实现十进制减法计数，采用555芯片产生脉冲信号来实现倒计时功能。由555定时器和三极管构成报警电路。
关键词：抢答器 编码器 译码器 计时 报警

目录
第1章 摘要 -------------------------------------------- 2
第2章 课程设计任务及要求 ------------------------------ 4
2.1 设计任务 ----------------------------------------- 4
2.2 设计要求 ----------------------------------------- 4
第3章 系统设计 ---------------------------------------- 5
3.1方案论证 ----------------------------------------- 5
3.2 系统设计 ------------------------------------------ 6
3.2.1 结构框图及说明------------------------------- 6
3.2.2 系统工作原理 ------------------------------- 6
3.3 单元电路设计--------------------------------------- 9
3.3.1单元电路工作原理------------------------------- 9
1）抢答器控制端电路功能介绍----------------------- 9
2）定时时间电路功能介绍--------------------------- 10
3）控制电路--------------------------------------- 12
4）报警电路--------------------------------------- 12
3.3.2元件参数选择---------------------------------- 13
1） 优先编码器 74LS148---------------------------- 13
2） 计数器74LS192------------------------------- 15
第4章 软件仿真------------------------------------------ 16
4.1 仿真电路图---------------------------------------- 16
4.2 仿真过程和结果------------------------------------ 17
第5章 安装调试
5.2 安装调试过程
5.3 故障分析
第6章 结论
第7章 使用仪器设备清单--------------------------------- 21
参考文献------------------------------------------------------------------------- 22
收获、体会和建议------------------------------------------------------------- 22

第2章 课程设计任务及要求
2.1 设计任务
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。

2.2设计要求
基本功能
1）有多路抢答，抢答台数为6；
2）具有抢答开始后20秒倒计时，20秒倒计时后无人抢答显示超时，并报警：
3）能显示超前抢答台号并显示犯规报警：
2、系统复位后进入抢答状态，当有一路抢答按键按下，该路抢答信号将其余各路抢答信号封锁，同时铃声想起，直至该路按键松开，显示牌显示该路抢答台号。

扩展功能介绍
（1）抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间为20秒。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示。
（2）参加选手在未开始抢答时按下抢答键，则犯规。显示器上显示选手的编号,并报警。
（3）参加选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
（4）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。

重点要求
（1）主持人有开始键和复位键，按下开始键后才能开始抢答，否则犯规。
（2）用数码管显示，正常抢答后显示抢到的队号，有铃声响起,如果犯规则显示队号,并报警。
（3）如果20秒内没有抢答，则说明该题超时作废。
（4）复位键用于恢复犯规或超时状态

第3章 系统设计
3.1方案论证
本设计中抢答器主要运用了编码器，译码器和锁存器；它采用74ls148来实现抢答器的选号，采用74ls373来实现对号码的锁存。采用74ls192实现十进制减法计数，采用555芯片产生脉冲信号来实现倒计时功能。由555定时器和三极管构成报警电路。
选择以555普通振荡器的方案一。从设计成本和技术要求出发，本设计选用第一种方案，即通过一个555时基芯片来产生秒脉冲，在通过几个记数器记数，推动对应的数码管驱动电路驱动对应的数码管来实现记时。这种原理方案简单明了，结构也相对简单，比较适合我们设计与制作。
3.2 系统设计
3.2.1 结构框图及说明
如图1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到"清零"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置;开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。定时器倒计时。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。

图1

3.2.2 系统工作原理
定时抢答器包括主题电路和扩展电路两部分。其中主题电路完成最基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，在选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。扩展电路完成定时抢答功能以及报警功能。图所示电路工作过程是：接通电源后，主持人将控制开关置于清楚处，此时抢答器处于静止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示时间（20s）,在主持人将开关置于“开始”处，扬声器短暂报警，此时抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时，如果选手在定时时间内按动抢答按钮，电路会完成以下功能：
1. 优先编码电路判抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，最后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；
2. 控制电路会对其它输入编码进行封锁，禁止其它选手抢答；
3. 扬声器发出短暂报警；
4. 控制电路是定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手回答完后，主持人操作开关进行系统清零，使系统回到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。如果定时时间到了，却没有选手抢答时，系统会短暂报警并封锁输入电路，禁止选手超市后抢答。
图如图2

图2

3.3 单元电路设计
3.3.1单元电路工作原理
1）抢答器控制端电路功能介绍
设计电路见图2所示。电路选用优先编码器 74LS148 ,74LS48,LED数码管和锁存器 74LS279来完成。
该电路主要完成两个功能：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（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，
其按键操作无效。工作过程：开关从左到右，分别是1,2,3,4,5,6,7.7是控制清零端，当7断开（清零）时，如果1到6开关有闭合的,数码管会显示闭合开关的编号；当7闭合时，抢答器处于工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下1），74LS148的输出经74LS48译码器接到七段显示电路处于工作状态，1Q2Q3Q=001,经译码显示为“2”。此外，4Q＝1，使74LS148 优先编码工作标志端（图中5号端）＝1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开时， 此时由于4Q仍为1，使优先编码工作标志端为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7开关重新置“清零”然后才可能进行。

图3
2）定时时间电路功能介绍
该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制可逆计数器74LS192、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图3所示。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的预置数控制端由主持人控制实现预置数，当主持人端为低电平时,74ls192置数;当主持人端为高电平时,电路开始倒计时。当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时， 输出低电平到时序控制电路，之后选手抢答无效,并报警。

图4

3） 控制电路
具体电路如图3所示的控制部分和报警部分。
倒计时部分的控制电路
由555 芯片构成多谐振荡电路 ,74ls192的TCD端经反相器的输出信号与555 的输出信号相或，输出的信号再与74ls148的15号管脚的输出信号或非。当TCD端经反相器的输出信号和74ls148的15号管脚的输出信号都为低电平时，74ls192的输入脉冲根据555 的输出信号变化；当TCD端经反相器的输出信号和74ls148的15号管脚的输出信号都为高电平时，74ls192的输入脉冲被锁定在低电平，由于74ls192是由上升沿触发，当为低电平时，电路停止工作。
抢答部分的控制电路
抢答部分的控制电路由两个输入信号组成，一是74ls279的4Q端输出信号，二是74ls192的TCD端经反相器的输出信号。两个信号中，只要有一个信号为高电平，电路就停止工作。当倒计时到零还没人抢答时，74ls192的TCD端输出一个电平，经反相后，为高电平，电路停止工作。当倒计时还没到零时，有人抢答，74ls279的4 Q端输出高电平信号，电路停止工作。
4）报警电路
由555 芯片构成输出一定频率的多谐振荡电路，555芯片的4号管脚作为控制端，当4号管脚为高电平时，蜂鸣器发出声音；当4号管脚为高电平时，蜂鸣器不发声。主持人端的输出信号与74LS148的15号管脚输出端信号相或非再与74ls192的TCD端经反相器的输出信号相或。当倒计时到零还没人抢答时，74ls192的TCD端输出一个电平，经反相后，为高电平，输入555的4号管脚，蜂鸣器发声；当主持人端还没开始，有人抢答，0或非0为1，高电平使蜂鸣器发声。

3.3.2元件参数选择
1） 优先编码器 74LS148
74LS148为8线－3线优先编码器，表4.1.1为其真值表，表4.1.2为其功能表,图4.1.1为其管脚图。

74LS148管脚图
表 74LS148 8线—3线二进制编码器真值表

74LS148工作原理：
该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。
当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。表明编码器处于工作状态，否则为1。
由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS＝0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器
件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。
从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，……，0。输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如5为0。且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理

2） 计数器74LS192
74LS192具有下述功能：
①异步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000
②异步置数：CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0
③保持： CR=0，LD=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原态
④加计数：CR=0, LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数
⑤减计数：CR=0, LD=1，CPU=1，CPD= CP，Q3Q2Q1Q0按减法规律计数
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。
CPU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。
CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出
BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

图 74LS192管脚引线图

第4章 软件仿真
4.1 仿真电路图

4.2 仿真过程和结果
按照总体电路图在仿真软件proteus7.5上一一选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。下面，我们对设计出的电路进行proteus7.5仿真。我们将各部分电路在proteus7.5上连接好后，为各个电阻和电容选取适当值，为各个开关设置好适当的键盘打开数值（例如，为某一开关设为1连接，则启动proteus7.5m仿真按钮后，在键盘上按1则此开关就由断开状态变为连接状态）然后打开proteus7.5的开关，即可根据显示器上显示的数字情况来判断电路设计是否成功。

此图表示：已开始抢答，但过了12秒后还没人抢答，系统正在倒计时

此图表示：开始抢答14秒后，第五组抢答到了此题

此图表示：已开始抢答，但过了20秒后还无人抢答，报警，系统自动停止，无法再抢答，直到主持人重新开始

第7章 使用仪器设备清单

六人抢答器元器件表
序号
元 器 件 名 称
型号参数
数 量
备 注
1
8-3优先编码器
74LS148
1

2
R-S锁存器
74LS279
1

3
BCD七段显示译码器
74LS48
3

4
十进制同步加/减计数器
74LS192
2

5
共阴极七段数码管
BS201A
3

6
555定时器
CB555
2

7
四-2输入或非门
74LS02
1

8
四-2输入或门
74LS32
1

9
六反相器
74LS04
1

10
电阻
10K
6

11
电阻
15K
3

12
电阻
65K
2

13
电阻
1K
1

14
电容
0.01uF
3

15
电容
10uF
2

16
扬声器

2

17
开关

6

参考文献
1. 马学文 李景宏主编，电子技术实验教程。北京：科学出版社，2013.03
2.李晶皎，李景宏编著.数字逻辑与数字系统.北京：电子工业出版社，2012
3.高吉祥，易凡编著.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，2002
4.陈大钦编著. 电子技术基础实验. 北京：高等教育出版社，2000
收获、体会和建议
在设计之前，参考了许多相关的资料，从网络上下载了原理图。在设计中又参考了以前讲过的四路抢答器的原理图，有了基本的思路。 但着手设计时，又出现了许多未预料到的问题，例如元件的选择：在选择编码器时，是采用普通编码器还是优先编码器。普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。所以选择了优先编码器。但是74LS系列中众多不同管脚的类型，选择哪个作编码器。经过查找，选择了8线-3线的74LS148，因为想用数字的形式显示抢答者的编号，所以选择了数码显示管，但数码显示管不能直接和74LS148相连，数码显示管需要由TTL或CMOS集成电路驱动，所以在TTL还是CMOS集成电路上又进行了比较和选择。最后选择了专用频道数显译码器74LS48，用它将74LS148输出的二进制代码经过反相后的信号译成相对应的高、低信号，用其作为数码显示管的驱动信号，数码显示管显示出相对应的选手编号。在这次设计中我遇到的最大的困难就是我把各个电路模块设计好后要如何把他们组合起来，怎样让计时电路和主控电路建立起适当的反馈 ，使选手抢答时计市时器停止工作，当计时器显示到0时如果没有人抢答计时器将显示并将74LS192锁定来完成要求的功能。
通过这次6路抢答器的设计，我发现了以往学习中的许多不足，也让我掌握了以往许多掌握的不太牢的知识，感觉学到了很多东西。总体来说，这次实习我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。