四人智力抢答器课程设计报告

数字电子技术课程设计报告设计课题:四人智力竞赛抢答器学院:专业:电子信息工程班级:2010级电信(1)班姓名:学号:日期2012年12月9日——2012年12月23日指导教师:I摘要在各种智力竞赛场合，抢答器是必不可少的最公正的用具。通过本学年的《数字电路技术》的学习我们知道了它的原理其实是比较简单的，主要就是通过四D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统控制选手的抢答情况，再通过逻辑电路将输入开关、脉冲及输出LED灯、数码管和扬声器连接起来即可。电路由主体电路和扩展电路两部分组成，主体电路主要由74LS175，即4D触发器来构成抢答锁存器，由主持人来控制74LS175的清零端。当清零端为高电平“1”时，选手开始抢答，最先按键的选手相应的LED发光二极管发光，并且扬声器发出声音，同时，由4个Q及门电路组成的锁存电路来控制其他选手再按键时不再起作用。扩展电路主要包括秒脉冲发生电路和定时电路，并且在设计中加入了报警电路，以提示选手和观众。经Proteus仿真软件验证抢答器原理图无误，可实现设计所要求功能。关键词：74LS175、脉冲、锁存器II目录1设计任务及要求..................................................................................12比较和选定设计的系统方案、画出系统框图..................................12.1方案比较.....................................................................................12.2系统框图.....................................................................................33单元电路设计、参数计算和器件选择...............................................33.1抢答电路设.................................................................................33.2定时电路设计............................................................................63.3报警电路设计.............................................................................94完整的电路图及电路的工作原理......................................................104.1完整电路图................................................................................104.2工作原理..............................................................................115经验体会..............................................................................................12参考文献..........................................................................................12附录A：系统电路原理图......................................................................13附录B：元器件清单............................................................................14-1-四人智力竞赛抢答器1设计任务及要求（1）设计一个供四人参赛的抢答器，能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者，稍后的其他人按下开关则无效。抢答器具有显示功能，即选手按动按钮，相应的LED发光二极管发光，同时扬声器发出声音。（2）主持人没有宣布抢答开始时，抢答不起作用。主持人宣布抢答开始时，按“开始”键，抢答开始，同时启动计时器计时；（3）计时器计时采用倒计数的方式，以加强现场气氛，增加紧迫感。若预定时间内无人抢答，自动给出信号停止抢答，以免冷场。倒计数定时器的时间可以随意预置；电路具有回答问题时间控制功能，要求回答时间小于等于100秒（显示为99到0），当达到限定时间时，发出声响以示警告。2比较和选定设计的系统方案、画出系统框图2.1方案比较方案一：电路大致可以由四个功能模块组成：以锁存器为中心的编码显示电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，音响电路部分。在锁存器为中心的编码显示电路部分中，由锁存器74LS373，四选一数据选择器74LS153，显示器，LED发光二极管和门电路组成。使用74LS373作为锁存电路，当有人抢答时，利用锁存器的输出信号号将时钟脉冲置零，74LS373立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫0.5s，这时抢答无效，使用74LS153作为数据选择器，对输入的型号进行选择，使选手对应的LED发光二极管发光，同时扬声器发出声音；在脉冲产生电路部分中，用石英晶体振荡器予以实现，由于石英晶体的稳定性和精确性比较高，所以用其产生的脉冲信号更加稳定，同时在显示更能接近预定的值，受-2-外界环境的干扰较少；在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS190，显示器组成。利用74LS190计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS190被置九，同时将显示上次抢到题目的选手的LED灯灭掉，并开始倒计时，并通过74LS48编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间。假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，蜂鸣器鸣叫一秒，停止倒计时。在音响电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。方案二：电路大致可以由四个功能模块组成：以四D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，报警电路部分。在4D触发器构成的抢答锁存器中，由主持人来控制74LS175的清零端。当清零端为高电平“1”时，选手开始抢答，最先按键的选手相应的LED发光二极管发光，并且扬声器发出声音，同时，由4个非Q及门电路组成的锁存电路来控制其他选手再按键时不再起作用，这时抢答无效。在脉冲产生电路部分中，用555定时器予以实现，通过调节电阻的阻值最后得到符合要求的脉冲，因为可以通过改变电阻电容微调频率，取代了用分频器对高频信号进行分频，从而使电路简单了。在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS192，数码管显示器组成。利用74LS192计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS192被置初始值，抢搭时间开始倒计时，并通过74LS48编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间。假如在规定时间内无人抢答，即抢答时间为0时，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，抢答时间数码管显示为0，蜂鸣器鸣叫一秒；假如在规定时间内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，抢答时间停止倒计时，蜂鸣器鸣叫0.5秒，与此同时，回答时间开始倒计时，并通过74LS48编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间，若规定时间内选手没有回答完，则计数器停止倒计时，回答时间数码管显示为0，蜂鸣器鸣叫一秒。-3-在报警电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成单稳态电路，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。选择结果：方案二。原因：虽然用555定时器构成的多谐振荡器的稳定性和精确性没有石英晶体振荡器高，但由于后者设计方便，操作简单，成为了设计时的首选。2.2系统框图图1四人智力抢答器方案二设计框图3单元电路设计、参数计算和器件选择3.1抢答电路设计抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，用LED发光二级管显示表示；二是要使其他选手的按钮操作无效。因抢答控制电路秒脉冲产生电路计时控制电路数码管显示时间报警电路LED显示电路主持人控制开关抢答按钮-4-此，选用四D触发器74LS175、四输入端与非门74LS20和六组反相器74LS04以及LED灯显示电路完成上述功能。74LS175是常用的四上升沿D触发器集成电路，里面含有4组d触发器，可以用来构成寄存器，抢答器等功能部件。当清除端MR为低电平时，输出端Q为低电平。在时钟CP上升沿作用下，Q与数据端D相一致。当CP为高电平或低电平时，D对Q没影响。其引脚图及真值表如下图所示。图274LS175的引脚图表174LS175真值表-5-①②③④根据各芯片功能及抢答器的功能要求，抢答器电路如下所示12U1:A74LS0434U1:B74LS0456U1:C74LS041312U1:D74LS04D04Q02Q03D15Q17Q16D212Q210Q211D313Q315Q314CLK9MR1U274LS1751k1k1k1kGNDR51kVCC12456U3:A74LS2091012138U3:B74LS201110U1:E74LS0498U1:F74LS04图3抢答器电路工作原理：图三四个按钮为四位选手的抢答开关，单刀开关为主持人控制开关。当主持人控制开关置于清零状态，即闭合时，清除端MR为低电平，输出端Q为低电平，于是LED灯灭，此时抢答电路不工作。当主持人控制开关置于开始状态，MR为高电平，74LS175的Q经四输入与非门(U3:A)输出接入到抢答按钮左边的公共端，按钮右边经反相器接到74LS175的输入端D，并且同时接到四输入与非门（U3：B)，再经两个反相器延时接到74LS175的时钟CLK端，抢答器处于等待工作状态。若有选手（假设为1号选手）按动抢答开关（即按下按钮①瞬间），此时74LS175的输入端D0为高电平，74LS175的时钟CLK由低电平变为高电平，在上升沿的作用下，输出端Q0与输入端D0一致，即为高电平，1号对应的LED灯亮。同时，由于Q0为低电平，与非门（U3：A）输出为高电平，将按钮的公共端变为高电平，若此时按钮①还处于闭合状态，则与非门（U3：B）输出为低-6-电平，使CLK变为低电平，此时74LS175处于禁止工作状态，其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。答题结束后，主持人开关置于清零状态，LED灯灭，一但恢复初始状态，以便进入下一轮抢答环节。3.2定时电路设计设计要求抢答器具有定时功能，且节目主持人根据抢答题的难易程度，可设定一次抢答的时间（设为10s）和回答的时间（设为60秒）。设计中选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，74LS192是具有置数和清零功能，其引脚图和逻辑图如图4所示，功能表如表2所示。图474LS192引脚图和逻辑图P0、P1、P2、P3——置数并行数据输入；Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出；MR————————清零端；PL————————置数端；CPu———————加法计数CP输入；CPd———————减法计数CP输入；TCu———————进位输出端；TCd———————借位输出端。-7-矩形波输出表274LS192功能表根据设计要求，需要两片74LS192构成100进制减计数器。由功能真值表可知，只需将个位74LS192的借位输出端TCd与十位74LS192的CPd即可实现100进制减计数。值得注意的是，要使其实现减计数，CPu端口必须接高电平。本