六人抢答器课程设计报告.doc

电子线路综合课程设计报告
目 录
第1章 概 述 1
1.1前言 1
第2章 总体方案设计 3
2.1系统设计方案 3
2.2系统设计框图 3
第3章 单元电路设计 4
3.1总电路的设计 4
3.2秒脉冲产生电路设计 5
3.3抢答电路设计 5
3.4定时电路设计 7
3.5控制电路设计 7
3.6报警电路设计 8
3.7译码、显示电路设计 9
第4章 电路的仿真 10
总 结 14
参考文献 15
附 录 元器件清单 16

I

第1章 概 述
1.1前言
抢答器在知识竞赛、文体娱乐活动（抢答赛活动）中，能准确、公正、直观地判断出抢答者的座位号。传统抢答器只是大概判断出抢答成功或犯规选手台号，无法显示出每个选手的抢答时间。而今抢答器可以通过数据来说明裁决结果的准确性、公平性。使比赛大大增加了娱乐性的同时，也更加公平、公正。
本课程设计主要设计一个六人抢答器电路。此抢答器需要满足在抢答过程中的实际功能。首先我们必须了解一下在一般比赛中的抢答规则。在主持说开始抢答后（题目已公布），选手开始抢答，第一名抢答的选手有效，其余的在抢答无效，在回答对问题后给于相应的加分。如在规定的时间后没有人抢答，则需要说抢答超时，即在抢答无效。若主持人没有说抢答开始，就开始抢答则属于犯规行为，抢答无效，并且一般还要给于提醒或扣分处罚。
所以我们将电路的功能设计如下：
在主持人说开始抢答后，即主持人打开抢答开关后，如果有选手按键，则显示选手号码，并且锁存，当然要保证，在此之后其他选手再次按键抢答器则不再显示选手号码，即在第一名选手按键后的其他选手再按键无效。若在主持人说开始抢答后在一定的时间内没有人按键抢答则要有报警，以示时间超时，此时主持人可以将抢答机会交给现场的其他观众。而在主持人没有说抢答开始，有人按键则电路报警，同时显示犯规选手的号码。当主持人将开关由开始抢答打到关闭抢答时，要将电路复位。
在本次课程设计中要求如下：
1、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；
2、能显示超前抢答台号并显示犯规报警；
3、系统复位后进入抢答状态，当有一路抢答键按下，该路抢答信号将其余各路抢答信号封锁，同时铃声响起，直至该路按键松开，显示牌显示该路抢答台号。
在了解抢答器电路要完成的功能之后，我通过翻阅《模拟电子技术基础》、《数字电子技术基础》、《电子技术课程设计实用教程》、《电子技术基础实验与课程设计》和《电子技术课程设计指导》等书，以及到各大学科网站翻阅资料。
其电路主要包括如下几部分：
1、输入抢答锁定电路、抢答者序号编码、译码电路和显示电路；
2、定时电路、声光报警电路；
3、控制逻辑电路、起动、复位电路；
4、犯规电路、超时报警电路等。
通过课本中的知识及翻阅资料可知，抢答锁存电路要用到芯片74LS279（R-S触发器），抢答者序号编码要用到74LS148（8线-3线优先编码器），译码电路要用到74LS48（BCD七段译码驱动器），而显示电路要用到共阴极八段数码管，计时电路要用到74LS192（同步十进制可加\减计数器），当然要用到一些电阻和电容要通过计算获得。
利用以上芯片在完成各单元主要功能之后，将电路系统的连接起来，来完成电路的整体功能。当然每一部分电路可以分单独完成自己的功能，但不代表当将它们连接起来后就能完成总体功能，需要将其调试。

第2章 总体方案设计
2.1系统设计方案
设计一个具有计时、锁存、显示、报警、复位等基本功能的六人抢答器，主要由编码译码电路（带锁存功能）、定时电路、时序控制电路、报警电路等组成。
2.2系统设计框图
译码显示
译码电路
锁存器
优先编码电路
抢答按钮

报警电路
控制电路
主持人控制开关

显示电路
译码电路
定时电路
秒脉冲产生电路

图2-1 六人抢答器系统框图
如图2-1为系统框图。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；主持人将开关置为“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。
第3章 单元电路设计
3.1总电路的设计
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。
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。
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。
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。

图3-1 六人抢答器原理总图
3.2秒脉冲产生电路设计
设计电路见图3-2所示。由555定时器构成的多谐振荡器是数字钟的核心部分，需要由它产生CLK信号控制着计数器的计数。振荡器的稳定性及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，一般来说555产生出来的秒脉冲不太稳定，所以我们需要在555定时器的5角处连一个C（10nf)的电容，达到精确及保护电路的作用，用555定时器组成多谐振荡器输出方波脉冲。

图3-2 555定时器秒脉冲产生电路图
3.3抢答电路设计
设计电路见图3-3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：开关从右到右左，分别是J1、J2、J3、J4、J5、J6。最左边双向开关J9，当J9一端闭合接地时，行使的是预置数功能，当J9一端处于悬空时，整个抢答电路开始工作，如果J1到J6开关有闭合的,数码管会显示闭合开关的编号,当有选手将抢答按键按下时（如按下J1），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J9开关重新置为接地后再悬空，抢答方能再次开始。

图3-3 抢答电路设计电路图
3.4定时电路设计
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3-4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。74LS192的预置数控制端由主持人控制开关J9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3-4 定时电路设计电路图
3.5控制电路设计
控制电路如图3-5所示，控制电路由定时电路和抢答电路共同构成。
定时部分的控制电路：由555芯片构成多谐振荡电路 ,74LS192的借位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。当借位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；当借位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的借位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的借位端输出一个电平，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4Q端输出高电平信号，电路停止工作。

图3-5 控制电路设计电路图
3.6报警电路设计
如图3-6所示，由三极管、LED以及蜂鸣报警器共同构成报警电路，当外界给予一个报警信号，由三极管控制LED发光和蜂鸣报警器的鸣叫报警。

图3-6 报警电路设计电路图
3.7译码、显示电路设计
该部分是由译码器74LS48和一个共阴极7段显示器组成，主要完成数字的显示和译码功能，直观的反应电路的抢答器功能。通过显示管的显示，从而判断电路的工作状况，其工作状况如3-7原理图所示。

图3-7 译码显示电路图
第4章 电路的仿真
启动Multism仿真软件，对该电路进行仿真，从图4-1可以看到整体的电路结构，由于此时仿真没有开始，所有电路都处于关闭状态。

图4-1总体电路仿真图
如图4-2所示，J9开关拨向接地端，抢答并未开始，倒计时始终显示20秒，此时J4开关闭合处于超前抢答，LED1发光蜂鸣器报警，并且抢答电路显示器显示超前抢答号数“4”。

图4-2 电路超前抢答报警，显示超强抢答组数
如图4-3所示，将J9开关拨向悬空端，六人抢答器此时可以抢答且倒计时开始，当倒计时显示到第17秒时，因为没有人抢答，所以抢答器继续工作，倒计时继续。
图4-3 已开始抢答，但过了3秒后还没人抢答，系统正在倒计时
如图4-4所示，倒计时显示到15秒时，J5开关闭合，第五组抢到该题，因此抢答电路显示器显示该组数“5”，此时倒计时停止，LED1发光二极管发光且蜂鸣报警器发出蜂鸣声。

图4-4 答题开始5秒后，第五组抢到该题，倒计时停止
如图4-5所示，当第五组抢到该题时，电路锁死，第三组在第五组后虽然也按下抢答器按钮，但是此时电路只记忆第五组，故不显示第三组台号。

图4-5 第五组抢答后电路锁死，第三组按下抢答器无效
如图4-6所示，抢答开始直至倒计时结束也无人抢答该题，此时电路显示报警，发光二极管LED1发光且蜂鸣报警器发出蜂鸣声。
图4-6 倒计时结束无人抢答该题，电路报警

总 结
本次六人抢答器的设计，抢答器采用74LS148来实现抢答器的选号，采用74LS279芯片实现对号码的锁存，采用74LS192实现十进制的减法计数，采用555芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时功能，采用PNP型三极管2N2222来实现报警信号的输出。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有复位、计时和报警功能。主持人通过开关开启20秒倒计时开始抢答，系统将完成自动倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止，锁定当前抢答电路，保证抢答的优先性；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响并且发光二极管发光，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能，若超过抢答时间则抢答无效。
在用Multisim仿真过程中发现，555芯片产生的秒脉冲信号并不是特别稳定，计时准确性并不是很高，通过不断计算调整电容和电阻的值，使得多谐振荡器稳定性及频率的精确度达到一个比较优的水平，大幅提高了数字钟的计数准确度。最开始的计划是将超前抢答报警显示用一个单独共阴极七段数码管进行显示，但是发现电路就会变得特别复杂，后来经过不断精简改进才取消掉这一电路，用一个数码管能显示抢答显示和超前抢答报警显示。
本实验需要实现的功能较多，需要用到的电路知识也比较全面。我最开始制定的目标便是分块完成各个功能，最后再汇总。通过在网上搜索近似功能电路、查看部分电路参考，我们首先用Multisim对各分块电路进行仿真，有问题一个一个突破，保证分支部分不出错误，在设计中加深了对数电、模电、Multisim和Altium Designer的应用。
参考文献
[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2006.
[2] 阎石. 数字电子技术基础(第五版) [M].北京：高等教育出版社，2008.
[3] 陈明义. 电子技术课程设计实用教程(第3版) [M]. 长沙：中南大学出版社，2010.
[4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计[M].北京：电子工业出版社，2002.
[5] 韩建，全星慧，周围.电子技术课程设计指导[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2014.

附 录 元器件清单
元器件名称
参数
数量
8-3优先编码器
74LS148
1
R-S锁存器
74LS279
2
BCD七段显示译码管
74LS48
3
十制同步加\减计数器
74LS192
2
共阴极七段数码管
555定时器
四-2输入或门
BS201
CB555
74LS32
3
1
1
四-2输入与非门
两个4输入与非门
七引脚电阻排
NPN型三极管
电阻
电阻
电阻
电阻
电阻
电阻
发光二极管
电容
电容
蜂鸣报警器
开关
74LS00
74LS20
200Ω
2N2222
10KΩ
100Ω
200Ω
1KΩ
580KΩ
680KΩ
LED
1uF
10nF
BUZZER
4
1
3
1
9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
7

16