四路-抢答器课程设计

课题题目：数字式4组竞赛抢答器的设计与制作一、课程设计目的本次课程设计主要是《数字电子技术》理论课程而设置的一门实践性课程，起到巩固所学知识，加强综合能力，培养电路设计能力，提高实验技术，启发创新思想的效果。二、初始条件：本课程设计，要求用集成电路：74LSl48，74LS192,74LS175，74LS160,74LS00，74LS04，74LS20,74LS48,74LS32,555定时器和其它器件等，实现四路定时抢答功能。三、要求完成的主要任务:1、可同时供4名选手（或代表队）参赛，其编号分别是1到4，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应。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。2、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，并数码管上显示选手的编号，同时扬声器给出声音提示；同时封锁输入电路，禁止其它选手抢答。3、抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间为10秒。当主持人启动“开始”键后，要求定时器立即进行加计时，并用显示器显示。4、参赛选手在设定的时间内进行抢答，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，而没有选手抢答时，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示0。目录11功能介绍…………………………………………………31.1主要功能介绍…………………………………………31.2扩展功能介绍…………………………………………32总体方案设计…………………………………………..…33单元模块设计…………………………………………..…43.1抢答器控制端电路功能介绍…………………………………43.2定时时间电路……………………………………………….…53.3控制电路和报警电路……………………………………….…53.4振荡电路………………………………………………………….64主要芯片介绍………………………………………………74.1优先编码器74LS148……………………………………74.2计数器74LS192…………………………………………85四人抢答器仿真……………………………………….……96系统调试……………………………………………...…97参考文献………………………………………………..…111功能介绍1.1主要功能介绍（1）抢答器最多可供4名选手参赛，编号为1~4号，各队分别用一个按钮（分别为J1、J2、J3、J5）控制，并设置一个系统清零和抢答控制开关J4,J7，该开关由主持人控制。（2）抢答器具有数据锁存功能,并将锁存数据用LED数码管显示出来，直到主持人清零。（3）开关J4作为清零及抢答控制开关（由主持人控制），当开关J4被按下时抢答电路清零，当开关J7松开后则允许抢答。输入抢答信号由抢答按钮开关J1、J2、J3、J5实现。（4）有抢答信号输入（开关J1、J2、J3、J5中的任意一个开关被按下）时，并显示出相对应的组别号码。此时再按其他任何一个抢答器开关均无效，指示灯依旧“保持”第一个开关按下时所对应的状态不变。2设计要求1.2扩展功能介绍（1）抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间为3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。（2）参加选手在未开始抢答时按下抢答键，则犯规。显示器上显示并闪烁选手的编号。（3）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。（4）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，时间显示器上显示并闪烁0。2总体方案设计设计要求（1）主持人有开始键和复位键，按下开始键后才能开始抢答，否则犯规。（2）用数码管显示，正常抢答后显示抢到的队号，如果犯规则闪烁显示队号。（3）如果3秒内没有抢答，则说明该题超时作废，用0闪烁表示。（4）复位键用于恢复犯规或超时状态如图1所示为总体方框图。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;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。3图13单元模块设计3．1抢答器控制端电路功能介绍设计电路见图2所示。电路选用优先编码器74LS148和锁存器74LS175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：开关自上而下，分别是J1,J2,J3J4,J5，J5是控制清零端，当J5闭合（清零）时，计时模块74LS160的MR端和抢答模块74LS175的MR端都置1，使整个模块处于等待工作状态；当J5断开时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下J2），74LS148的输出经74LS48译码器接到七段显示电路处于工作状态，4Q3Q2Q=010,经译码显示为“2”。此外，MR＝1，使74LS148优先编码工作标志端（图中2号端）＝1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为CTR＝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J5开关重新置“清零”然后才可能进行。4图23．2定时时间电路功能介绍原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加法计数器74LS160、十进制减法计数器74LS192、74LS48译码电路和1个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图3所示。一块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。74192的预置数控制端实现预置数，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。5图33．3控制电路和报警电路由555芯片构成多谐振荡电路,555的输出信号再经或门控制时序。控制电路包括时序和报警两个电路,如图3所示。控制电路需具有以下几个功能：主持人闭合开关,多路抢答器电路和计时电路进入正常状态;参赛者按键时,抢答电路和计时电路停止工作;抢答时间到,无人抢答,抢答电路和计时电路停止工作3.4振荡电路本系统需要产生频率为500KHZ的脉冲信号，用于触发器的CP信号，及频率为1HZ信号用于计时电路。以上电路可用555定时器组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频得到。4主要芯片介绍64．1优先编码器74LS14874LS148为8线－3线优先编码器，表4.1.1为其真值表，表4.1.2为其功能表,图4.1.1为其管脚图。I0I1I2I3I4I5I6I7SY0Y1Y2YEXYsY09761415101112131234574LS148Y01234567874LS148161514131211109I4I5I6I7S(E)Y2Y1GNDVCCYSYEXI3I2I1I0Y0(a)(b)74LS148管脚图表4.1.274LS1488线—3线二进制编码器真值表74LS148工作原理如下：该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。表明编码器处于工作状态，否则为1。7由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS＝0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，……，0。输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如5为0。且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理4.3计数器74LS19274LS192具有下述功能：①异步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000②异步置数：CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0③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74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。8图4.3.74LS192管脚引线图5四人抢答器仿真按照总体电路图在仿真软件proteus7.5上一一选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。下面，我们分两部分对设计出的电路进行proteus7.5仿真。我们将各部分电路在proteus7.5上连接好后，为各个电阻和电容选取适当值，为各个开关设置好适当的键盘打开数值（例如，为某一开关设为1连接，则启动proteus7.5m仿真按钮后，在键盘上按1则此开关就由断开状态变为连接状态）然后打开proteus7.5的开关，即可根据显示器上显示的数字以及二极管的亮灭情况来判断电路设计是否成功。6系统调试把上面所设计的单元电路连接起来可得到整机电路。1抢答显示功能测试（图4）2清零功能测试（图5）3倒计时功能测试(图6)9图4图510图6117参考文献【1】阎石.数字电子电路.北京：高等教育出版社.2007【2】董传岱数字电子技术基础中国石油大学出版社2009【3】任为民.数字电子电路学习和实验指导.北京：广播电视大学出版社.1992