数字电子课程设计_4路抢答器课程设计报告

四人智力竞赛抢答器课程设计报告一、设计题目题目：四人智力竞赛抢答器二、设计任务和要求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。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1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。三、原理电路设计：1、方案比较；方案一：抢答电路：使用74ls175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零，74ls175立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效，使用74ls148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入共阴数码管里显示出抢答者的编号。主持人电路：；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编号的数码管清零，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7段共阴数码管，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。方案二：锁存电路采用CD4042来触发，如果用CD4042，则可以用低电平触发，当有人抢答时，利用锁存器的输出信号号将时钟脉冲置零，CD4042立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效。此外当倒计时到0时，利用借位0RC端来将锁存器的信号置零。而不是像方案一那样使用max/min端。对以上两个方案进行比较可以发现，两个方案均能理论上实现电路的功能，但是从实际情况看，CD4042比较少见，很难买到这个芯片，而74ls175则很常见，比较容易买到。而在实际情况中，虽然74ls190的max/min端和0RC同样是借位端，当时0RC只有半个周期的变化，并不能将时钟信号置零，而max/min有一个周期的变化，所以用max/min比较合适。宗上所述，选择第一个方案比较合理。2、电路流程图；整个电路如上图所示，主要分为两部分，一个是倒计时部分，一个是抢答电路，其中抢答器电路由锁存器电路，编码器电路，译码器电路，数码管显示电路组成，其中锁存器电路可用1khz脉冲电路作为其时钟端输入脉冲，倒计时电路由倒计时芯片，编码器电路路，数码管显示电路，倒计时采样1hz的脉冲作为时钟信号输入端。单稳态电路可以控制蜂鸣器鸣叫的时间，按要求可设置为1秒钟。3、单元电路设计；（1）、锁存器电路的设计锁存器电路采用以74ls175为中心的锁存器系统，当4个抢答输入端中出现低电平输入时信号时，锁存器立即锁存，禁止抢答，其原本为4个高电平的输出端也变成3高一低，可以利用一个4输入与非门将其与非，再接一个非门后，可锁存器电路编码器电路译码器电路数码管显示倒计时电路编码器电路数码管显示1khz脉冲电路1hz脉冲电路单稳态电路蜂鸣器电路门单元电路选手抢答主持人按钮以与74ls175的时钟信号相与非，使得CLK端的输入信号为底电平，从而阻止其余选手的抢答，从而达到锁存的目的74ls175的真值表如下：锁存器的单元电路设计如下：（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，由于74ls175为优先编码其，故需要将其未用到的高优先级的端和74ls175的输出的4与非端进行连接，避免在无人抢答时输出型号。74ls148的真值表如右图：编码器电路如下：（3）、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，为避免电路过小，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：74ls48的真值表如下：（4）、倒计时电路的设计倒计时电路采用74ls190作为倒计时芯片，并将其输入端置九，clk信号输入端采样1hz的信号输入，同时可利用其借位输出端MAX\MIN来控制抢答端，并且可以让电路在到零时保持。74ls190真值表如下：倒计时单元电路如下：（5）、时钟电路的设计在本电路中需要两种时钟脉冲，一种是给74ls175提供的1khz脉冲信号，另一种是给倒计时电路74ls190提供的1hz，根据555多谐振荡器的频率计算公式：2ln)2(121CRRf可以求得1hz的电路电阻均取47k，电容取10uf，而1khz电路的电阻取4.7k，电容取0.1uf。（6）、单稳态电路及蜂鸣器的设计为保证蜂鸣器鸣叫时间为一秒，可以使用单稳态触发电路来实现，单稳态电路的芯片可以选择74ls123。根据74ls123的暂稳态计算公式：)7.01(28.0TTTWRCRT我们可以选择R为36k，C为100uf，则在误差许可范围内，鸣叫时间大约是1秒。74ls123的真值表如下：蜂鸣器采用有源蜂鸣器，为避免单稳态电路输出端电流不足，可以使用一个NPN三极管来驱动蜂鸣器鸣叫。单稳态电路及蜂鸣器电路如下：4、电路工作原理;抢答电路：使用74ls175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零，74ls175立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效，使用74ls148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入共阴数码管里显示出抢答者的编号。主持人电路：；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编号的数码管清零，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7段共阴数码管，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。5、整体电路。（具体清晰电路请详见附件）电路元件清单：名称及标号型号及大小封装形式数量锁存器74ls175DIP161个编码器74ls148DIP161个译码器74ls48DIP162个计数器74ls190DIP161个4与非门74ls20DIP142个2与非门74ls00DIP141个非门74ls04DIP141个556NE556NDIP141个单稳触发器74ls123DIP141个复位开关SW-PBSW-PB5个电阻200ΩAXIAL-0.35个47kAXIAL-0.32个35kAXIAL-0.31个4.7kAXIAL-0.32个10kAXIAL-0.31个10ΩAXIAL-0.31个电容100ufRB.3/.61个10ufRB.2/.4一个104RAD-0.21个103RAD-0.12个九针排阻1kSIP92个7段共阴数码管————2个NPN三极管8050T092-A2个蜂鸣器————1个四、电路和程序调试过程与结果：先按照设计图各个单元电路进行仿真，并对各个电路的性能及波形进行测试，发现电路的缺点和不足之处，例如74ls190的借位输出端0RC端虽然在倒计时到0时有低电平出现，但是时间只有半个周期，无法与信号与非，故不能用来和锁存触发器，必须用max\min代替。当调试好各个单元电路时，对各个电路进行连接组装，连接好后对电路总的性能进行调试，看各部分的功能能达到要求。本电路在连接后，经测试，各部分的功能均能实现，显示正确五、总结本电路使用了锁存器，编码器，译码器数码管等构成倒计时电路使用了74ls190等电路实现倒计时，并利用使能端及门电路，实现各项锁存，鸣叫，清零等功能，总结如下：优点：电路功能原理清晰，各项功能均达到了要求，显示准确，反应灵敏，无竞争冒险现象，基本满足了普通竞赛的抢答要求。缺点：如果长按住按钮不放，主持人清零后将能获得抢答权，且由于编码器电路是优先编码器，所以如果两人抢答时间间隔在1ms以内，将出现编号靠前的选手获得抢答权的情况。改进：可以更改促发器的类型，如使用jk触发器代替，则长按无效，或者在抢答端添加一个发光二极管，当有人作弊，二极管就会亮，从而阻止选手长按按钮的缺陷。心得体会：通过这次课程设计，我对于数字电路知识有了更深的了解，尤其是对数字逻辑芯片的性能和使用方面的知识有了进一步的研究。同时实物的制作也提升了我的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了我对数字电路设计方面的兴趣。理论与实践得到了很好的结合。一，抢答器介绍：抢答器适用于各类知识竞赛，文娱综艺节目，尤其是各类知识竞赛，除了了可以把各抢答组号，违例组号，抢答规定时限，大体时间倒计时等在仪器等在仪器面板上显示外，还可以接大屏幕显示屏显给观众，既可以活跃现场气氛，又便于监督，做到公平竞争。例如：三星智力快车等大家耳熟能详的节目。二，功能要求：（1）本例中的抢答器最多可供4名参赛选手使用，编号为1~4号，各队分别用一个按钮（分别为S1~S4）控制，并设置一个由主持人控制的系统清零，加分控制开关S，倒计时开关。（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，同时蜂鸣器发出声响，主持人清零后，声音提示停止。（3）抢答器先后的分辨率为1ms.（4）开关S作为清零及抢答器控制开关，当开关S被按下时，抢答电路清零，松开后则允许抢答。输入抢答信号由抢答按钮开关S1~S4实现。（5）有抢答器信号输入（开关S1~S4中任意一个开关被按下）时，显示出对应的组别号码，此时再按下其他任何一个开关无效，指示灯依旧“保持”第一开关按下时所对应的状态不变。（6）加分电路由主持人控制，每次加分为一分，如果一人答错，则由剩下的人再抢答，直至回答正确为止，倒计时电路是20秒倒计时电路。三，总电路：四，使用说明：在总电路中，为了方便看图，我只画出了一号的号码显示电路，计分电路，声音发生电路。二号，三号，四号，可以同理画出。KeyA,KeyB,KeyC,KeyD分别表示四个选手台上的抢答按钮，KeyE表示由主持人控制的清零按钮。X9为号码显示电路，X6为声音发生电路。在X1的下面是计分电路，四个按钮也是由主持人控制的，每按下一次加一分。最下面是倒计时电路。游戏规则是：主持人说出题目后，按下倒计时电路，四位选手抢答，当某位选手按下按钮，其前面的灯亮起，并发出报警声，松开开关报警声停止，但灯继续亮着。选手要在规定时间内回答出答案，当回答完毕后，主持人按下KeyE，清零，灯灭。五，各部分电路具体分析：A:20秒倒计时电路本电路用二片74169可逆计数器级联而成，通过ABCD引脚可以设定几秒计时，再通过数码显示管显示出数字。当QA,QB,QC,QD都为0时，计数器重置再次进行计数。B：声音发生电路当开关不闭合时，555电路不起振，没有矩形波产生，扬声器不发声；当开关闭合时，555电路RST端口处于高电平，555电路起振，产生矩形波，扬声器发声，修改U11的频率可以改变矩形波的频率，听到的声音会不一样。C：四位抢答器数显抢答器由触发器，显示译码器，清零电路等组成，用二级管显示抢答器灯的亮灭