大学毕业设计---智能抢答器的电子线路.doc

山西师范大学本科毕业论文

智能抢答器的电子线路设计

姓 名 wang
王淑霞
院 系
物理与信息工程学院
专 业
电子信息工程

班 级
1105班
学 号
1152030217
指导教师
崔艳
答辩日期

成 绩

智能抢答器的电子线路设计

内容摘要
当今社会中，有许许多多的智力比赛，为了能够更公平地进行比赛，这时我们就需要一个能够准确地判断出第一个抢答的选手的工具-抢答器。本篇论文主要介绍了一种八路带数字显示的智能抢答器。我的这个设计主要利用74LS系列集成电路芯片和555定时器，并通过划分功能块进行各个部分的设计，最后完成智能抢答器的设计。该抢答器具有编码、译码、选手编号显示、倒计时显示以及报警功能。只有当主持人按下开始抢答的开关时，参加比赛的选手们才能进行抢答。如果选手在主持人按下开始开关之前进行抢答，则这次抢答无效。并且电路对第一个抢答的选手的编号进行锁存；如果在规定的时间内没有选手进行抢答，则电路发声，本次抢答无效。

关键词：数据锁存 编码 译码 555定时器

Electronic circuit design of intelligent responder

Abstract
In today's society, there are many intelligence competition,In order to be fair game,Then we need to be able to accurately determine the first responder responder's tools.Smart responder this paper mainly introduces a kind of eight road with digital display.This design mainly uses 74LS series integrated circuit chip and 555 timer,and each part of the design by dividing the function block, finally completes the design of intelligent responder.The responder has a coding and decoding, the player number display, countdown display and alarm function.Only when the switch host press the start answer, the contestant who can answer, If a contestant in the host press the answer before the switch is started, the answer is invalid. And the first answer in the players number latch circuit,If within a specified time, no player answer, the circuit sound, the answer is invalid.

【Key Words】data latching　 coding　 decoding　 555 timer

目 录
引言……………………………………………………………………………（XX）
一、绪论………………………………………………………………………（XX）
（一）抢答器的概述……………………………………………………………(XX)
（二）设计任务…………………………………………………………………(XX)
二、抢答器总体设计……………………………………………………………
（一）设计思路…………………………………………………………………(XX)
（二）设计内容…………………………………………………………………(XX)
（三）总电路框图………………………………………………………………
三、系统设计原理和电路图…………………………………………………
（一）抢答器输入电路的设计……………………………………………………
（二）编码、译码和显示电路……………………………………………………
（三）定时电路………………………………………………………………
（四）提示音电路………………………………………………………………
（五）总原理电路图………………………………………………………………
四、电路的仿真…………………………………………………………………
（一）protel软件的介绍……………………………………………………(XX)
（二）仿真结果……………………………………………………(XX)
附录………………………………………………………………………（XX）
参考文献………………………………………………………………
致谢………………………………………………………………

智能抢答器的电子线路设计
学生姓名：王淑霞 指导老师：崔艳
引言
数字技术迅猛发展，已经成为现今发展最快的学科技术之一，从二十世纪中后期开始，数字逻辑器件经历了小（SSI）、中（MSI）、大（LSI）以及超大（VLSI）规模集成电路的发展。对应的，数字逻辑电路也在持续地发展和演变，从以前的单一逻辑设计发展成为了三个部分，一是中、小规模集成器件（硬件逻辑设计）；二是软件组装的LSI和VSI（软件逻辑设计，如微处理器、单片机等）；三是二者优点都具备的专用的集成电路（ASIC）设计。
当今社会好多领域已经涉及数字电子技术，例如自动控制、计算机、电视、雷达、电子测量仪表、通信等各个领域。例如现代测量技术中的数字测量仪表，比传统的模拟测量仪表功能高，精度高，数字测量仪表更容易实现测量的智能化和自动化。随着科学集成技术的发展，社会的方方面面都会被数字技术的运用更加普及，对人们的生活产生加倍深入的影响。
抢答器的应用范围比较广，主要运用于各种常识、知识性的智力比赛当中，参加比赛的选手进行抢答，然后由第一个抢答成功的选手来回答问题。抢答器磨练的不仅是选手的常识程度同时也磨练选手的反应速度和勇气。抢答器使比赛能够更加得公平，让人们都积极参与进来。
第一章 绪论
（一）抢答器的概述
智能抢答器这个工具是各类各样的智力和常识竞赛活动中必不可少的东西，很多地方、场合都会举行各种智力竞赛，例如学校、公司、部队以及各种益智性的电视节目等都有可能用到抢答器。
当今社会随着科学技术的不断进步和创新，抢答器的制作也更加的精准和精巧，人们摆脱了花费很多元件来仅实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能经由数码管显示出来，从而避免不公平的现象发生。然而这类电路不易于扩展，并且当有更高的请求时就没法实现。随着数字电路技术的发展，数字抢答器产生了，它容易扩展，可靠性高，集成度高，而且费用低，功能更加多样，是一种高效能的产品。我的这次设计主要利用74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能块进行各个部分的设计，最后完成智能抢答器的设计。
（二）设计任务
（1）该抢答器可以让八个小组或八名选手参加竞赛，有八个按键按钮S1~S8。
（2）设定一个开关，这个开关有控制开始抢答和清零的作用，由主持人控制这个开关。
（3）这个抢答器要有锁定存储和显示抢答时间、选手编号的功能。也就是说抢答器把第一个抢答成功的选手的编号进行锁定存储，并且一直保存到主持人把系统清零。
（4）抢答器有设置抢答时间的功能，并且能够让主持人设置抢答问题的时间（如30s）。当主持人按下“开始抢答”按钮之后，定时器进行倒计时的功能（即减计时）。
（5）在规定的时间之内参赛选手们进行抢答，当有选手抢答成功时，抢答有效，并且系统发出声音，定时器停止倒计时工作，数码显示器上显示出选手抢答问题成功的时间和抢答选手所对应的编号，一直保存到主持人将系统清零为止。
（6）若是设定的时间到了，但仍然没有人抢答时，则这次抢答无效，系统发出声音并且禁止参赛选手们进行抢答，定时显示器上显示00。
第二章 抢答器总体设计
（一） 设计思路
本篇论文的重要目的是准确地判断出来第一个抢答选手的编号并且将其编号进行锁存。实现这个功能可以选择锁存器或者触发器等，在这里我选取的是数据锁存器74LS373。在得到第一个信号之后应该立即将电路输入锁存，不管其他组的抢答是否有效。同时还应该特别得注意，在主持人发出开始命令之后第一个抢答的选手抢答才有效。
当有了第一轮的抢答之后，抢答信号用编码、译码和显示电路显示出抢答者的编号，定时电路中的数码显示管显示选手的抢答时间。
在主持人没有按下抢答开始按键之前，参赛选手们的抢答开关按键无效，只有当主持人按下开始抢答按键之后开始进行几十秒倒计时之后的抢答才有效。当有有人抢答之后又有别的人抢答，则无效；当计时时间到但仍然无人抢答时，报警发声电路发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
（二）设计内容
首先我采用数字电路来实现这个抢答器的功能。然后把整个系统划分为四个部分，分别为：抢答器输入电路、编码、译码、显示电路、倒计时电路、报警发声电路。
抢答输入电路我主要采用数据锁存芯片74LS373,来实现所存的功能，对选手的编号进行锁定存储。编码、译码、显示电路我选用8线-3线八进制优先编码器74LS148、4位二进制全加器74LS83、4线-七段译码/驱动芯片74LS47和七段共阳极数码管。可预置时间的倒计时电路主要选用555定时器、2个十进制计数芯片、2个译码芯片74LS48和两个共阴极数码管。报警发生电路主要选用了555定时器来实现该电路的功能。
（三） 总电路框图
锁存器
译码
显示
译码
电路
优先编码
电路
抢答
按钮

报警电路
主持人控制 开关
控制电 路

主体电路

扩展电路

显示
电路

译码
电路

定时电路
秒脉冲信号发生电路

第三章 系统设计原理和电路图
（一） 抢答器输入电路的设计
抢答器输入电路包括开关S1~S8，数据锁存芯片74LS373、8输入“与非”门芯片74LS30、“或”门芯片74LS32和“非”门芯片74LS04。74LS373内含带三态输出的D锁存器，每个锁存器有一个数据输入端D和数据输出端Q；锁存器允许控制LE和输出允许控制OE为8个锁存器公用。当LE是高电平的时候，Q端将随D的变化而变化；当LE是低电平的时候，Q锁存D的输入电平。
电路的工作过程是：主持人开关为S，它接高电位的时候清零，经过“或”门74LS32使74LS373的LE为高电平，74LS373输出不锁定；开关S1~S8键没有按下时，74LS373的输入全部为高电平，74LS373相应的输出端也为高电平，这时8输入“与非”门74LS30的输出为低电平，经过非门74LS04后变为高电平，然后接74LS32。当主持人宣布抢答开始时，同时将开关S9接地（开始）。由于“或”门74LS32的一个输入端仍是高电平，所以74LS373的LE还保持高电平，选手可以按抢答开关；当八个选手中的一个人抢先按下开关Si时，对应的Di端为低电平，Qi端也为低电平，74LS30的输出为高电平，经过“非”门74LS04，使得74LS32的输出为低电平，控制端LE为低电平，74LS373执行锁存功能；此时如果再有按键按下，锁存器的输出也不会发生变化，保证了不会出现第二次按键时的输入信号，确保了抢答者的优先性。如有下一轮的抢答，主持人需要将S9开关接高电位，进行清零，开始抢答时，再将开关S9接地，选手可以进行下一轮的抢答。此外，74LS30的输出端还得接74LS47的数码熄灭控制端ＢＩ。当选手没有按键时，即开关都没有按下，这时74LS30的输出为低电平，数码管没有显示。

图a 抢答器输入电路的电路图
（二） 编码、译码与显示电路
编码、译码和显示电路包括74LS30八线—三线八进制优先编码器芯片、74LS30位二进制全加器74LS30、４线－七段译码/驱动器芯片74LS30和七段共阳极数码管。
编码、译码和显示电路如下图b所示。当有选手按下按键时，锁存器输出的低电平首先送入优先编码器芯片74LS148进行编码，然后经过全加器74LS83，再经过4线—七段译码/驱动芯片74LS47，最后送入共阳极七段数码管显示。因为选手的编号是1~8，数码管显示的数字是0~7，为了解决这一问题，使得按键号码与显示的数字一致，在编码器与译码器之间加一个四位全加器74LS83.由下图可知B1~B4、A4接地，C0接Vcc,所以A1~A3实现加1功能。
没有选手按键时，74LS30的输出为低电平，使得74LS47的数码熄灭控制端BI为低电平，所以数码管没有显示；当有选手按下按键时，74LS30的输出变为高电平，数码管显示相对应的选手的编号。此外，74LS30的输出信号还可以控制发声电路，使主持人注意。

七段显示译码器

抢答器编码电路

开关控制电路

图a 编码、译码与显示电路框图

图b 编码、译码与显示电路图
（三）定时电路
有的抢答环节中是要限定时间的，在主持人说开始抢答时，如果在限定的时间内没有选手回答问题时，则需要自动停止本次抢答，而且主持人可以根据问题的难易程度来设置时间，可预置时间的倒计时电路如下图b所示。
可预置时间的定时电路由NE555定时器、2个十进制计数器芯片74LS192、
2个译码芯片74LS48和2个七段数码管等组成。设定一次抢答的时间为十几到几十秒，因此采用两个数码管来显示时间；电路的倒计时功能是利用十进制计数芯片74LS192设置为减1计数形式；利用NE555定时器产生秒脉冲信号，并且通过“与”门给十进制计数芯片74LS192提供脉冲信号。让NE555定时芯片产生的秒脉冲信号通过“与”门，为的是让“时间到信号”或“开始信号”控制计数脉冲的通断。
此电路的工作过程：主持人首先设定倒计时时间，开关S接地，主持人宣布抢答开始，将值装入74LS192的置数端；倒计时时间没有到0时，74LS192的13脚输出为高电平，它和“开始信号”共同作用打开“与”门，使NE555产生的秒脉冲信号通过。
可预置时间的定时电路和抢答电路相连接时，要考虑“开始信号”、“时间到信号”和任意一个选手按键后也需要对秒脉冲信号进行控制。
七段显示译码器

数据预置电路
数据预置电路

555定时器

图a 倒计时框图

图b 倒计时电路
（四） 提示音电路
由NE555定时器构成的提示音电路如下图b所示。NE555构成多谐振荡电器，振荡频率为f=1.43/[(R1+2R2)C1],输出信号直接接蜂鸣器。当控制信号PR是高电 扬声电路
平时，多谐振荡器工作，反之，电路停止振荡。“有按键信号”和“时间到信号”进行组合来控制PR。

555定时器

图a提示音电路框图

图b提示音电路图

（五） 总原理电路图

第四章 电路的仿真
（一） protel软件的介绍
protel软件是EDA软件，是Altium公司设计开发出来的，是设计电路与画电路图的首先要考虑选择的软件，差不多所有的致力于电子的公司或者是从事电子设计的工作人员都需要用到这个软件。protel软件的功能有很多，可以绘制电路图、将绘制好的电路进行仿真以及印刷电路板（PCB线路板）等等。
（二）仿真结果
把各个单元的模块在protel仿真软件中连接好之后，点击一下仿真的按键开关，此时的抢答器就处于工作状态。假如任意一个的参赛选手按下了抢答开关，数码显示器上将会显示该选手抢答的时间和对应的选手的编号，同时扬声器发出声音，表示抢答成功；当抢答开始后一直到设定的时间都没有选手抢答时，扬声器发出声音，并停止倒计时，计时电路中的数码管显示00；当一轮的抢答结束之后，主持人按下清零开关，将开关接高电平，编码、译码、显示电路和倒计时电路中的数码显示器都不显示数字，而且提示音电路也停止了工作，此时的抢答电路正处于工作的状态，等待着进行下一轮的抢答，参赛选手们这时就可以进行抢答。
在用protel软件仿真的过程中，该电路的功能比较稳定，显示也比较清楚，而且没有出现数码管不显示和乱码的现象，而且能够听到清晰的提示音。因为protel软件中的选择元件的规模广，并且修改参数比较方便，不会因为元件的规格或者元件的参数不对而像实际操作中那样进行屡次的撤除和替换元件，更甚者使元件或者电路板遭到严重的损坏。所以，电路的仿真很大的方便了调试的工作，并且在很大程度上节约了时间，为以后的电路的设计、电路板的开发奠定了坚实的基础。
参考文献
[1] 康华光.《数字电子技术基础》（数字部分）.高等教育出版社.2000.
[2] 高仁景.《数字电子技术基础与设计》.大连理工大学出版社.2004.
[3] 黄正谨.《综合电子设计与实践》.东南大学出版社.2005.
[4] 阎石.《综合电子设计与实践》.高等教育出版社.2007.

致谢 
在这次智能抢答器的电子线路的设计中，首先我非常感谢指导我的崔老师。在这个过程中我学到了很多的知识，除了进一步的巩固了以前书本上老师教过的知识内容外，还学到了很多课外书本上的知识，进一步地熟悉了数字电路的设计以及集成电路方面的知识以及电路的绘制和电路的仿真，将以前的书面知识应用到实际当中去。
我通过对系统电路的功能分析，设计了完整的方案及电路，锻炼了分析能力和培养了设计的能力。在完成论文的过程中，我也很好地、有效地利用了电脑这个辅助工具，自己自行学习课外知识，在很大程度上提高了自己自学的能力，养成了自己干事情不三心二意、专心致志学习的良好的行为习惯。
当然在写论文的过程中我也遇到了很多问题，比如有的知识点不熟悉，学过的记得不清楚；有的知识看了也不懂；还有有的时候没有一点头绪与思路。我通过问老师、请教同学、自己上网查找、去图书馆找资料等方法来解决自己的问题，养成了独立思考来解决问题的好的行为习惯，同时也培养了向人虚心请教、团结协作共同提高的好的品质，我们互帮互助，共同进步、共同努力与成长，为以后的专业学习与工作奠定了良好的基础。
总之，在这次的毕业设计中我学到了很多知识，通过老师和学生的帮助，我也顺利的完成了毕业设计。因为我知识水平有限，可能在这个设计中存在着不足之处，我虚心接受老师和同学们的指正。在此，非常感谢指导我的崔老师与同学们的帮助！