青岛农业大学多路智能抢答器数字电子课程设计报告

青岛农业大学理学与信息科学学院数字电路课程设计报告设计题目多路智力抢答器设计学生专业班级学生姓名（学号）设计小组其他同学姓名（学号）指导教师完成时间2012.12.1实习（设计）地点信息楼2452012年12月3日多路智力抢答器设计【摘要】：随着各种竞赛、文体娱乐活动的兴起，智力抢答器作为一种准确、公正辅助工具已被广泛的使用。它能准确、公正、直观地判断出抢答者。通过抢答者的指示灯显示、数码显示和警示显示等手段指示出第一抢答者。而且随着数字科技的迅速发展，抢答器也向着数字智能化发展。数字抢答器由主体电路与扩展电路两大部分组成：由优先编码电路、锁存器、译码器等组成的抢答部分；通过定时电路和译码电路组成的计时部分。抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警多重功能。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。【关键字】：抢答器锁存器报警电路译码电路一、课程设计的目的和任务1、设计目的：（1）熟悉智力竞赛抢答器的工作原理，掌握抢答电路、优先编码电路、锁存电路、定时电路、报警电路、时序控制电路、译码电路、显示电路及报警电路的设计方法。（2）结合课程中所学的理论知识，独立设计方案，达到学有所用的目的。（3）学会查阅相关手册与资料，进一步熟悉常用的电子器件类型与特性，并掌握合理选用的原则，培养独立分析和解决问题的能力。2、基本功能：（1）设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0——S7。（2）给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）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，编号立即锁存，并在LED数码管行显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。3、扩展功能抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如30s）。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，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5s左右。参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，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，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。二、分析与设计1．设计任务分析根据设计要求可以分析该多路智力抢答器可分成两大部分,分别是抢答部分这也是整个电路的主体部分，另外为抢答器的计数部分即扩展部分。而整个电路的原理框图如下：图1由图1可看出抢答器的主体电路由选手的抢答按钮、优先编码器、锁存器、译码器、LED数码管、主持人控制电路及报警电路组成，其扩展电路由脉冲产生电路、定时电路及译码电路和显示电路组成。当抢答器工作时，主持人控制总按钮，主持人开启按钮抢答器清零、译码器开始工作，声响电路发出报警表示抢答开始，同时计时电路开始30秒倒计时。当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的电平高低，发光二级管亮表示有抢答，从而锁存了第一位抢答者的抢答信号，同时切断其他抢答者的抢答信号，阻止其他选手的抢答。编码器将抢答结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的号码。声响电路可以发出提醒声响，定时电路有定时抢答功能，并能显示倒计时的时间。而且当定时时间到如果没有抢答，声响电路发出警告，同时译码器关闭，禁止选手再进行抢答。2、设计方案论证抢答部分的设计抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。选用优先编码器74LS48和74LS297锁存器可以完成上述功能，其电路组成如图2所示。其工作原理是：当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS48的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端S7...S0输入信号，当有选手将键按下时(如按下S7)，74LSl48的输出Y’Y’Y’=000，GS’=0，经RS锁存器后，74LS279处于工作状态，3Q2Q1Q=111，经74LS48译码后，显示器显示出“7”。此外，4Q=1，使74LS148的EI’端为高电平，74LSl48处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松开后，74LSl48的为高电平，但由于EI’维持高电平不变，所以74LSl48仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。声响电路该部分的功能是用以报警来警示，它要完成如下工作：（1）节目主持人将控制开关扳向“清除位置”时，抢答编号显示灭灯，抢答定时器予置数，显示定时时间。开关扳向“开始”位置时，扬声器发出声响，抢答电路进入正常工作状态，定时器开始倒计时。（2）当选手按动抢答按钮时，扬声器发出声响，抢答电路和定时器停止工作。（3）当设定定时时间到，无人抢答时，扬声器发出声响，同时抢答电路和定时器停止工作。从上述功能要求看，控制声响部分的信号有三个，它们分别是：（1）主持人开关S=1代表开始；（2）有抢答时的抢答输出状态4Q’=0；（3）定时时间到无人抢答(即计数器74LS192(2)的=BO’)。控制声响时间为1S左右，由集成单稳态触发器SN74121来完成。另外对编码和定时计数脉冲还要加以控制，由集成逻辑门电路去控制。计时部分的设计脉冲电路产生周期1S的时钟脉冲经过74LS09送到74LS192的4引脚（DOWN），使74LS192减计数，达到倒计时的效果。74LS09或门的另一个输入端接秒十位74LS192的13引脚（BO’）。如果定时抢答时间已到而没有选手抢答，13引脚（BO’）输出低电平，LM555的时钟脉冲不能通过U27A（74LS09），74LS192由于没有时钟脉冲输入，停止减计数，时间显示静止不动，显示00。如果中途有选手抢答，U19B（74LS279）的13引脚（2Q2）输出高电平，经U17(74ALS04)反向成低电平0输入U22D(74LS09)的其中一端，使时钟脉冲不能通过U27D(74LS09)，74LS192由于没有时钟脉冲输入，停止减计数，时间显示静止不动。脉冲产生部分由555芯片构成多谐振荡电路,555的输出信号控制显示闪烁。控制电路包括时序和报警两个电路，由LM555构成的多谐振荡器脉冲频率计算如下：f=1/0.7×（10k+2×68k）×10×10-6≈1S。周期1S的时钟脉冲经U27A（74LS09）送到74LS192的4引脚（DOWN），使74LS192减计数，达到倒计时的效果。3．硬件设计抢答部分设计芯片介绍：74LS4874LS148是输出高电平有效的中规模集成BCD七段显示页码驱动器，功能简图与管脚引线图如下图所示。/图二74LS48管脚引线图74LS14874LS148是8-3线优先编码器。它允许多个输入信号同时有效，但只对一个优先级最高的输入信号进行编码。1161527.0CRRT图三74LS148引脚图数字抢答器的设计图如下：抢答器仿真图定时电路设计该部分用到的芯片除74LS48外、还用到74LS192、LM555。74LS192引脚图如下74LS192十进制可逆计数器74LS192引脚图管脚及功能表74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有下述功能：①异步清零：CR=1,Q3Q2Q1Q0=0000;②异步置数：CR=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;图四74LS192引脚排列图和逻辑符号图中：PL为置数端，UCP为加计数端，DCP为减计数端，UTC为非同步进位输出端，DTC为非同步借位输出端，P0,P1,P2，P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0,Q1,Q2,Q3为数据输出端。74LS192的逻辑图如下图1-11：定时芯片LM555引脚图如下图1-13：计时器电路图如下：计时器电路声响电路设计声响电路如下图1-20所示，主要由单稳态触发器SN74121和蜂鸣器组成。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，使电路更加简单可靠。其中R18=100K、C15=10uF，单稳态触发器触发后的暂态持续时间大约是0.5S，也就是蜂鸣器持续发出声响时间是0.5S。声响电路图SN74121引脚图和逻辑图如下图1-21：图1-21SN74121的5引脚（B）接S1的一端，当S1拨向开始后，5引脚（B）电平变高电平，有一个上升沿，触发器触发，蜂鸣器发出声响。U23A(74LS08)输出端接SN74121的3引脚（A1），输入端接U20(74LS148)的14引脚（GS’），抢答开始后，SN74121的5引脚（B），4引脚（A2）为高电平，当有选手按下按钮后，U20(74LS148)的14引脚（GS’）输出一个负脉冲，触发器触发，蜂鸣器发出声响。与门U23A(74LS08)起到时延的作用，保证电路的时序的正确性，使电路能正常工作。SN74121的4引脚（A2）接秒十位的74LS192的13引脚（BO），没有选手抢答时，当定时抢答时间到时，SN74121的5引脚（B），3引脚（A1）为高电平，秒十位的74LS192的13引脚（BO）输出低电平，使SN74121的4引脚（A2）有一个下降沿，触发器触发，蜂鸣器发出声响。电路图中的DCD_BARGRAPH作用是仿真时能看到蜂鸣器两端电压的高低，用于辨别蜂鸣器是否发出声音。4．运行及调试多路智力抢答器的总电路图如下：多路智力抢答器总图1.主持人开关置于闭合时，按下其中一个抢答按钮。效果截图如右图：可以看到支持人闭合开关时，选手抢答无效，数码管保持灭灯。2.主持人开关置于开启位后，先按下其中一个抢答按钮2，随后按下另外任一抢答按钮。效果截图如下图：数码管显示“2”，按下另一抢答按钮后，数码管示数不变，具有禁止其他选手抢答的功能。DCD_BARGRAPH亮，说明抢答成功后有声响提示，提示时间约0.5S。同时计数器停止，显示抢答时间为27秒。3.没有选手抢答，定时抢答时间已到后，仿真效果如图：倒计时停止在“00”不动，DCD_BARGRAPH亮，说明倒计时到后有声响提示。选手编号显示数码管灭灯。如果定时抢答时间已到，去没有选手抢答再按下其中任一个抢答按钮，超时抢答，仿真效果如下图：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。4.倒计时到6秒时，3号选手抢答，仿真效果如下：图2-8显示选手编号为“3”倒计时停止在“06”综合上述仿真的结果，电路具有的功能：（1）同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮；（2）设有一个控制开关S1，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始；（3）抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，在数码管上显示选手的编号，同时有音响提示。封存输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到系统清零为止。（4）抢答器具有定时抢答的功能，抢答的时间可以设定，S1置于开始位后，定时器立即倒计时，并在显示器上显示，同时发出短暂声响，声响持续0.5S左右。(5）参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定