数电四人抢答器

电子技术课程设计课题：数电四人抢答器

院系：电气与电子工程学院

专业：电气信息类

班级：电气1201班

姓名：周*****

学号：12********

武汉轻工大学

2014年6月15日

目录

绪论 (2)

一、设计任务和要求 (2)

1.1 设计任务 (2)

1.2 设计要求 (2)

二、方案设计与论证 (3)

2.1 抢答器的基本工作原理 (3)

2.2 系统框图 (3)

2.3 方案比较 (4)

三、单元电路设计 (4)

3.1 抢答器控制电路 (4)

3.2 编码器电路的设计 (5)

3.3 定时电路 (6)

3.4 复位电 (7)

3.5 报警电路 (8)

3.6 时序控制电路 (9)

3.7 译码器电路和数码管显示电路的设计 (10)

四、总电路工作原理及元器件清单 (10)

4.1 总电路原理图 (10)

4.2 元件清单 (12)

五、硬件电路的调试 (13)

5.1 仿真软件简介 (13)

5.2仿真结果 (14)

六、设计过程中的问题和解决办法 (14)

七、设计成品的优点与不足 (14)

八、结论与心得 (15)

绪论

基于数字电子技术的设计创新和产品创新看起来似乎永无止境，而且它们也的的确确在方方面面日益完善和丰富着我们每个人的日常生活和工作。随着科技的进步和社会的发展，现代电子产品设计越来越注重产品的易使用型，人机界面一定要良好。声音、图象等作为人类交往的最重要手段，也被体现在电子产品设计中。采用一颗语音芯片，让产品开口说话，可以起到强化宣传品牌、指导用户使用、故障紧急提示、娱乐等功能，使产品设计新颖实用、先声夺人、出奇制胜。

一、设计任务和要求

1.1设计任务

设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1秒。选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。

1.2设计要求

(1)4名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。

(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。

(3)抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

(4)抢答器具有定时（9秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续1秒。参赛选手在设定时间（9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时

间，并保持到主持人将系统清零为止。

(5)如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统扬声器报警（音响

持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。

(6)可用石英晶体振荡器或者555定时器产生频率为1H z的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。

二、方案设计与论证

2.1抢答器的基本工作原理

整个电路框图如上图所示，主要分为两部分，一个是计时部分，一个是抢答电路，其中抢答器电路由，编码器电路，RS触发电路，译码器电路，数码管显示电路组成，封锁电路由三个或门组成，其作用是只让先按下的有效，而后按下的无效，主持人按钮用来将电路复位，并将输出清零和编码电路解除封锁，译码电路用来译出编码，数码显示部分用来显示按下的选手号码，556定时电路用来定答题的时间。

2.2系统框图

当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时，并通过译码器在显示器中显示。报警电路给出声音提示。当选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状态。最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。如图2.1

图2 抢答电路

其工作原理为：当主持人控制开关处于“清除”时，D触发器的清零端为低电平，使D触发器被强制清零，输入的抢答信号无效。当主持人将开关拨到“开始”时，D触发器Q非端前一状态为高电平，四个Q非端与在一起为高电平，再和抢答按键信号和借位信号与在一起给D触发器的脉冲端，当没人抢答时，抢答信号为低电平，与门U11输出端为低电平给D触发器脉冲端，当一有人抢答时，抢答信号为高电平，并和U2的输出信号和借位信号与在一起，使得U11输出端为高电平给D触发器，于是D触发器就有一个上升沿，使得抢答信号经D触发器触发锁存再经过译码器74ls48译码，把相应的信号显示在数码管上。另外，当选手松开按键后，D触发器的Q非前一状态为低电平，与在一起后给与门U11,使得U11的输出端为低电平给D触发器，则D触发器的脉冲输入端恢复原来状态，从而使得其他选手按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性及抢答电路的准确性。当选手回答完毕，主持人控制开关S是抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。

3.2 编码器电路的设计

编码器采样74ls148作为编码芯片，将输入的信号进行编码，然后输出2二进制码，输出接到74279上，A0 ，A1 ，A2 均分别接到74279的S上，当输出均为高时表示无选手按下，Ｓ为无效电平，RS触发器输出为低，即无编码输出。

74ls148芯片及真值表如下：

图3.1

表3.1

3.3 定时电路

节目主持人通过按复位键来进行抢答倒计时。如图3。定时9秒，把74LS192

对应的9，10，1，15四个端子预置为“1001”。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路555提供。当复位开关按下时，给74ls192一个低电平，从而开始倒计时，每来一个脉冲信号进行减计数一次。当有选手抢答或借位信号时，就使得74ls192的输入脉冲变成低电平，从而实现倒计时的停止。再按复位键时，再一次倒计时。

图3 定时电路

图3.3

时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：

1）主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。

图5 抢答与定时时序控制电路

2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。

3）当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。

根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图5所示。

图5中，U2与门74ls21作为抢答的控制信号；U12与门74ls11和U13与门74ls21的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止；U11与门74ls11的作用是控制74LS175的输

人脉端，U10的作用是控制74ls121的输入脉冲端。工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，74LS175的输出Q！=1，U2输出为1，借位信号为1，则

U12输出为1，使U13输出为1，则时钟信号CP能够加到74LS192的时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则“定时到信号”为1，U11和U13的输出为1，使 74LS175和74ls192处于正常工作状态，从而实现功能（1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，Q！＝0，U2输出为0，封锁 CP信号，则U12输出为0，使U13输出为0，定时器停止倒计时处于保持工作状态；同时,U11的输出为1使D 触发器触发而输出信号，也使U10输出为0，给了74ls121一个上升沿，使74LS121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，从而实现功能（2）的要求。当定时时间到时，则“定时到信号”为0，U10输出为0，有给了74ls121一个下降沿，使74LS121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，禁止选手进行抢答。同时，U13输出为0，封锁CP信号，使定时电路保持0状态不变，从而实现功能（3）的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。

3.7 译码器电路和数码管显示电路的设计

抢答部分和倒计时部分的译码器均采用74ls48芯片，而数码管则选择与之相对应的7段共阴数码管搭配，为避免电流过小，可在译码器与数码管间接上拉电阻以增大电流，上拉电阻选用1k的9针排阻。译码器电路和数码管显示电路设计如下：

图3.4

四、总电路工作原理及元器件清单

4.1 总电路原理图：

图6 总电路图电路实图：

图7 电路板正面

图8 电路板反面4.2 元件清单

软件。

④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具,真的很不错。可以仿真51系列、AVR,PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD,RAM,ROM,键盘,马达,LED,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件...）

其实proteus与multisim比较类似,只不过它可以仿真MCU！

5.2仿真结果：

六、设计过程中的问题和解决办法

（1）在设计方案时，遇到了信号不能锁存的问题。经过查找资料，了解如何通过D 触发器的输出信号来反馈回D触发器的脉冲端来进行锁存。

（2）在仿真时遇到了555不能仿真和没仿真元件74ls121的问题。通过翻阅书本了解555如何准确使用和上网搜索74ls121的代替元件来解决。

（3）当焊完电路调试时，数码管没显示。于是对照电路图来逐一检查，发现有些管脚没接上。例如数码管的接地端没接地、74ls192的CLR脚没接地等等。

七、设计成品的优点与不足

优点：元器件较少，功能满足要求

不足：

（1）在设计时，用了D触发器来进行抢答信号的筛选和锁存，在同时按下S0和S1时（其同时按下的几率较小，其可精确到微秒甚至纳秒级，但情况还是会存在的）会显示“3”，而按S2时也会显示“3”，所以显示“3”的几率大一点，但几率很小。

改良：可改用编码器和锁存器来代替D触发器。

（2）电路跳线较多，使得电路板外观不好。

改良：焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接。

八、结论与心得

这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74LS121、74LS48、74ls192等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一电子设计软件如：Multisim等，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。加上在设计过程中遇到了一些问题，使得我得查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能耐。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。所以在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。