8位抢答器

1第1章概述在现代社会中，智力竞赛正在逐步成为一种生动的教育方式，而抢答就是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。抢答能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们迅速增加一些科学知识和生活常识。但是，在这类比赛中，对于谁先谁后抢答，在何时抢答，抢答是否有效，如何计算答题时间等问题，若是仅凭主持人的主观判断，就很容易出现误判。所以，我们就需要一种具备自动锁存、启动、复位、显示抢答相关信息、判断抢答是否有效等功能智能抢答器来解决这些问题。在本次课程设计中，我们主要设计了一个供八人使用的数字定时抢答器。它主要实现以下功能：1.为8位参赛选手各提供一个抢答按钮，分别编号Key1、Key2、Key3、Key4、Key5、Key6、Key7、Key8。2.主持人可以对抢答器进行复位以及发出抢答开始的信号。3.抢答器要有数据锁存与显示的功能。当主持人按下“复位”键后，无论是发出抢答信号，无论抢答是否超时，只要有任何一名选手按动抢答按钮，则要显示其编号直至持人再次按下“复位”键，并且扬声器发生相应的提示，同时红绿指示灯亮起，表示抢答是否有效，此时其他人再按对应按钮无效。4.抢答器要有自动定时功能。一次抢答时间由电路中的电容和电阻共同决定（本次设计使用10kΩ电阻和470μf电容，使得一次抢答时间在5秒左右）。当主持人按下“启动”键后，集成555定时器自动计时。5.抢答器要有判断抢答是否有效的功能。参赛选手只有在设定时间内抢答方为有效抢答。若抢答有效，则定时器停止工作，直至主持人再次按下“复位”键，同时数码管显示抢答者的号码，扬声器发出短提示，绿色指示灯亮起一段时间，表示抢答有效。若选手抢答时已经超出了设定时间，则扬声器会一直发出报警声，同时数码管显示抢答者的号码，红色指示灯亮起，表示抢答无效。若有选手在主持人按下“启动”键之前进行了抢答，则扬声器会一直发出报警声，同时数码管显示抢答者的号码，红色指示灯亮起，表示该选手抢答犯规。优先编码电路、锁存器、译码电路的作用是将参赛队的输入信号在数码管上2输出，即显示抢答者的号码。555定时器的作用是设定抢答器的抢答时间，其中电阻和电容也可换成可变电阻和可变电容，以方便调节抢答时间的长短。以上电路便可构成抢答器的基础部分。另外，本次课程设计还采用了红绿指示灯、扬声器、JK触发器以及各种必要的逻辑门构成了外部扩展电路，来实现抢答的有效性，报警提示等附加功能使抢答器的功能更加完全和人性化。利用本次设计出的电路制造成的定时抢答器，即可轻松实现在8人或8个代表队之间进行的抢答比赛中进行控制，使得这一活动更加趣味、公平。3第2章课程设计任务及要求2.1设计任务一、设计目的1.进一步熟悉中、小规模数字集成电路的工作原理及使用方法。2.掌握数字式抢答器的设计、组装与调试方法。二、设计内容电路上电后在抢答前，由主持人进行系统复位，确定抢答允许时间。主持人发出抢答命令同时按下启动定时开关。抢答者听到抢答开始命令后，通过各自的按钮开关输入抢答信号。数字抢答器具有数字显示抢答者序号功能。同时配有声、光报警，并且有抢答序号锁定功能。对犯规抢答者（包括提前抢答和超时抢答）除有声、光报警外，还有显示抢答犯规者序号功能。2.2设计要求完成原理图设计、模拟仿真，按要求完成设计报告。1.理论设计部分⑴独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行方案论证，确定设计方案。⑵画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。2.模拟仿真⑴根据理论设计用multisim7在计算机上进行仿真。验证所设计方案的正确性。⑵分析电路的工作原理，写出仿真报告。3.安装调试部分⑴实现给定的数字式抢答器，进行单元测试和系统调试。⑵若系统出现故障，排除系统故障，分析并记录系统产生故障的原因，并将此部分内容写在报告中。4.写出课程设计总结报告4第3章系统设计3.1方案论证本次课程设计是基于我们的数字电子技术理论课来进行操作的，也涉及了一些我们写没有见过的电路元件。另外，我们所设计的抢答器应该具有普遍适用性和经济性。总之，对于本次课程设计的整体电路，我们应该从经济性、实用性和设计意义等方面来进行方案论证。首先，从经济性方面来看，本次设计的数字抢答器，主体电路是由功能部件或单元电路组成的。所以在设计这些电路或选择部件时，尽量选择同类型的部件，比如所有的功能部件都选择TTL集成电路或都采用CMOS集成电路，另外整个系统所使用的部件应该尽可能少。具体来说，本次课程设计选取了众多的74系列芯片，既有简单的门电路，如74LS00与非门，74LS08与门和74LS32或门等等，也有复杂一点的中等规模集成电路，如74LS373地址锁存器，74LS148优先编码器等。这些芯片与CD系列、MAX系列等等相比，在能满足需要的同时，却便宜许多。其次，从实用性来看，本次设计完全起到了一个八人抢答器所应具备的所有功能，同时做适当处理后也可适用于八人以下的比赛。完全适用于学校、工厂以及电视台等机构举办的各种智力抢答竞赛中。例如，我们需要一种具备自动锁存，启动，复位，显示抢答相关信息，判断抢答是否有效等功能智能抢答器。要实现这些功能，就要使用一些必要的芯片和电路元件。拿555定时器来说，因为数字抢答器对振荡器的要求非常高，所以我们没有使用普通的逻辑门和RC电路组成的定时器，而是选择了集成定时器，使定时更加准确。如果外部使用可变电阻和可变电容，还可以对时间进行手动调节，增加了实用性。在电路的显示和报警部分，我们也利用了红绿指示灯的显示和扬声器发出时间的长短来判断抢答者抢答的有效性，利用扬声器发出时间的长短来提示大家有人进行了抢答。再次，从设计意义上来看，本次设计对于锻炼我们的水平，提高我的动手能力有很大的作用。本次设计用到的74系列芯片和其它电路元件大多数都在我们的《逻辑与数字系统设计》一书中学到，对电路的一些基本操作在以前的小型数5字电子实验中遇到过，增加了本次设计的趣味性与实用性，同时，对于巩固我们在课堂所学到的知识具有重要意义。3.2系统设计3.2.1结构及框图说明设计八路数字定时抢答器，可以用以下方案进行。我们可以将八路抢答开关与锁存器相连，使得输入锁存器的直接是各位选手的高低电平，而非BCD码。然后经过优先编码电路、译码电路后显示在LED数码管上；同时，由主持人控制开关以及其他部分的线路通过门电路实现对抢答电路和定时电路的控制。本种方案的设计框图如图3-1所示：图3-1方案设计框图3.2.2系统原理图及工作原理数字抢答器由抢答部分电路、定时部分电路、报警电路、显示电路、红绿指示灯几部分组成。其系统原理图如图3-2所示6图3-2数字抢答器系统原理图抢答部分电路完成基本的抢答功能，即抢答开始后，抢答者按动抢答按钮，通过编码电路，锁存电路和显示电路显示优先抢答者编号，同时封锁输入电路，禁止其他选手抢答。定时部分电路：主持人根据抢答题或回答问题所需时间，通过预置时间电路对计数器进行预置（通过调节电阻和电容的大小）。控制报警部分：节目主持人宣布完考题后，按下“启动”键，计时开始，同时通过控制电路允许抢答部分工作。一旦抢答者按动抢答按钮，说明已有抢答者来回答问题，系统通过控制电路来封锁抢答电路，不允许其他抢答者的序号通过，同时报警电路发出报警，指示灯亮起。节目主持人通过“复位”按钮可将计时电路恢复初始状态并可解除报警。总体来说，数字抢答器的工作原理为：接通电源后，节目主持人按下“复位”键，抢答器处于禁止抢答状态，显示器和红绿指示灯均熄灭，扬声器不发出报警声。当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时按下“启动”键，定时器倒计时，报警电路处于工作状态。当定时时间到，有选手超时抢答时，系统报警，红灯亮起，并封锁输入电路，禁止其他选手抢答。当选手在定时时间内按动抢答键位进行抢答时，抢答器要完成以下四项工作：71.优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由所存器进行锁存，然后译码显示电路显示编号。2.扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意。3.控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答。4.使定时器停止工作，并保持到主持人将系统复位为止。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。此外，当选手在主持人按下“启动”键之前就进行了抢答，说明该选手抢答犯规，此时系统报警，红灯亮起，并封锁输入电路，禁止其他选手抢答。3.3单元电路设计3.3.1单元电路工作原理数码管显示部分：一、74LS373地址锁存器74LS373是八D锁存器(三态)。一个封装中有八个锁存器,三态总线驱动输出,置数全并行存取,缓冲控制输入,时钟/使能输入有改善抗扰度的滞后作用。74LS373的内部构造图和引脚功能图如图3-3和3-4所示。图3-374LS373内部构造图图3-474LS373引脚功能图81脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态.锁存端LE由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到LE端再次有效。当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0~Q7状态与输入端D1~D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0~D7数据锁入Q0~Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0~Q7状态与输入端D1~D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0~D7数据锁入Q0~Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。其中输入端1D~8D接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。二、74LS148优先编码器编码器的逻辑功能是将输入信号中的一个有效信号变换成相应的一组二进制代码输出,编码器实现“一对多”译码。编码器在同一时刻内只允许对一个信号进行编码，否则输出的代码会发生混乱。普通编码器同时按下两个或更多个按键时，输出将混乱，而在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上编码信号。不过在设计优先编码器时已经将所有的输入信号按优先顺序排了队，当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个信号进行编码。74LS148为8线－3线优先编码器，即8个信号输入端，3个信号输出端。此外，还设置了输入使能端，输出使能端和优先编码工作状态标志。974LS148的内部构造图和引脚功能图如图3-5和3-6所示。图3-574LS148内部构造图图3-674LS148引脚功能图编码数据输入端：I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0共8线，I7优先级最高,I0优先级最低。输入使能端IS：当IS=0时，编码器工作。编码数据输出端：Y2、Y1、Y0组成三位二进制译码输出。输出使能端YS：当IS=0，且无有效信号输入时，YS=0。优先编码输出端YEX：当IS=0且有信号输入时,YEX=0。功能说明：芯片74LS148的输入端和输出端均为低电平有效。图4是其功能简图，图中电源和地未画，~是输入信号，~为三位二进制编码输出信号。为输入使能端，当＝0时，允许编码器进行编码；当＝1时，编码器禁止编码。是输出使能端，只有当＝0，而~均无编