八位数字智能抢答器.docx

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八位数字智能抢答器

课程设计报告

设计题目：

八位数字智能抢答器

班级：

计算机1307班

学号：

20133989

姓名：

王健

指导教师：

杨丹

设计时间：

2015年7月

摘要

介绍了数码显示八路抢答器电路的组成、设计及功能，电路采用74系列常用集成电路进行设计。

该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。

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。

若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能，若超过抢答时间则抢答无效。

该抢答器主要运用到了编码器，译码器和锁存器：

它采用74LS148来实现抢答器的选号，采用74LS279芯片实现对号码的锁存，采用74LS192实现十进制的减法计数，采用555芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时功能，采用74LS121单稳态芯片来实现报警信号的输出。

通过课程设计提高和巩固了所学的专业知识，以及知识的综合应用和焊接技术。

关键词:

抢答器编码译码定时报警

摘要----------------------------------------------------------1

第1章概述------------------------------------------3

第2章课程设计任务及要求------------------------------------------4

2.1设计任务-----------------------------------------------------4

2.2设计要求-----------------------------------------------------4

第3章系统设计--------------------------------------------------------------5

3.1方案论证-----------------------------------------------------------5

3.2系统设计--------------------------------------------------------5

3.2.1结构框图及说明----------------------------------------------5

3.2.2系统原理及工作原理---------------------------------------------5

3.3单元电路设计--------------------------------------------------------6

3.3.1单元电路工作原理----------------------------------------------6

3.3.2单元参数选择---------------------------------------------12

第4章软件仿真---------------------------------------------------13

4.1仿真电路图--------------------------------------------------------------------13

4.2仿真过程--------------------------------------------------------------------13

4.3仿真结果--------------------------------------------------------------------14

第5章安装调试-----------------------------------------------------------15

5.1安装调试过程--------------------------------------------------------------------15

5.2故障分析--------------------------------------------------------------------15

第6章结论-----------------------------------------------------------16

第7章使用仪器设备清单-----------------------------------------------------------17

参考文献----------------------------------------------------------------------20

收获、体会和建议---------------------------------------21

第1章概述

进入21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛,抢答记分器是必要设备。

过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。

人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。

因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。

今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。

但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是酒无法实现，例如参赛人数的增加。

随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。

而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。

第2章课程设计任务及要求

2.1设计任务

（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。

（2）设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

（3）抢答器具有锁存与显示功能。

即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在数码管上显示选手号码。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

2.2设计要求

（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。

当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时。

同时扬声器发出短暂的响声，响声持续0.5秒左右。

发光二极管灯亮。

（2）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的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

（3）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并

禁止抢答，定时显示器上显示00。

第3章系统设计

3.1方案论证

与普通抢答器比较，本作品有以下几个方面的优势：

1、具有清零装置和抢答装置，可由主持人操纵避免有人在主持人说“开始”前提前抢答违反规则。

2、具有定时功能，在30秒内无人抢答表示所有参赛选手获参赛对本题弃权。

3、30秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。

3.2系统设计

3.2.1结构框图及说明

图3.1系统组成框图

抢答电路中，由主持人控制选手的抢答电路的工作与否，在发出抢答指令的同时打开倒计时电路，在倒计时时间范围内允许选手抢答。

若选手超时或提前抢答，则犯规，报警电路工作，显示电路显示犯规选手序号。

若选手正常抢答，则显示电路显示抢答成功的选手序号，蜂鸣器工作发出提示，进入答题系统。

答题系统由主持人发令开始并控制倒计时系统，在倒计时时间范围内，选手答题。

倒计时结束时提示电路发出提示，选手停止答题，展示自己的答案。

一轮数字抢答器工作完毕后，主持人可以复位控制开关进行下一轮抢答。

3.2.2系统原理图及工作原理

定时抢答器的总体框图如下图

图3.2系统组成框图

如图所示电路包括主体电路和扩展电路两部分。

其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。

扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。

图2.2所示电路的工作过程是：

接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（30s），当主持人将控制开关置于“开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。

当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：

（1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；

（2）扬声器发出短暂声响；

（3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；

（4）控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。

3.3单元电路设计

3.3.1单元电路工作原理

（1）抢答电路的设计

抢答电路的功能有两个：

一是能分辨出选手按键的的先后，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74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如图3.3所示：

图3.3抢答电路

其工作原理是：

当主持人控制开关处于“清零”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；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。

当主持人将开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，既抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，此时74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。

此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148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，74LS148的YEX高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号仍不会被接受。

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，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。

（2）定时电路的设计

74LS48的7，6，2，3引脚接受来自74LS192的输出信号并把它译码显示在数码管上。

74LS192的9，10，11，15引脚完成时间设定功能，本设计要求定时30秒，所以把左边的芯片的1，15引脚接高电位，期于的全接低位，使的初始时间设定为30秒。

555芯片完成产生秒脉冲的功能。

工作过程为：

抢答开始前，74LS192的置数端为低电位，处于初始状态，数码管显示为30，5引脚接高电位。

抢答开始后，秒脉冲冲推动右边的芯片开始倒记时，同时右边芯片产生的信号做为左边芯片的CP信号推动左边的芯片倒记时，完成十进制的倒记时功能。

当有人抢答后1Q的输出为1，经过非门后变为0，通过与门屏蔽了秒信号，停止记时，完成显示抢答时间的功能。

当记到了30秒时，左边的芯片产生的定时到信号输出为低电位，也屏蔽了秒信号，使得数码管显示为00。

图3.4定时电路

（3）报警电路的设计

由555定时器和三极管构成的报警电路如图3.5所示：

图3.5报警电路

其中555构成多谐振荡器，振荡频率为：

f0=1/（R1+2R2）*C*ln2=1.43/（R1+2R2）*C

其输出信号经三极管推动扬声器。

PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振不再工作。

（4）时序电路的设计

时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：

①主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态，

②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。

③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。

根据上面的功能要求以及图3.3和图3.4，设计的时序控制电路如图3.6所示：

图3.6（A）抢答与定时电路的时序控制电路

图3.6（B）报警电路的时序控制电路

图中，门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端ST。

图3.6（a）的工作原理是：

主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时，来自于图3.3中的74LS279的输出CTR=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时，在定时时间未到时，来自于图3.4的74LS192的借位输出端BO2=1，门G2的输出ST=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求；当选手在定时时间内按动抢答键时，CTR=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持状态，门G2的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求；当定时时间到时，来自于图3.4的74LS192的借位输出端BO2=0，门G2的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答，门G1同时处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路为00状态，从而实现功能③的要求，74LS121用于控制报警电路及发声的时间。

3.3.2元件参数选择

表3.1元件参数选择

序号

类型

数量

1

74LS279（RS锁存器）

1

2

74LS48（4线—7段译码驱动器）

3

3

74LS148（8线—3线优先编码器）

1

4

74LS192（十进制可逆计数器）

2

5

74LS121（单稳态触发器）

1

6

74LS00（二输入与非门）

2

7

74LS20（四输入与非门）

2

8

NE555

2

9

晶体管3DG130

1

10

七段数码管（共阴极）

1

11

B键（触发开关）

9

12

发光二极管

1

13

扬声器

1

14

B键（输入开关）

8

15

电阻（510Ω）

2

16

电阻（1KΩ）

2

17

电阻（10KΩ）

9

18

电阻（15KΩ）

2

19

电阻（68KΩ）

2

20

电容（0.01μF）

2

21

电容（0.1μF）

2

22

电容（10μF）

2

23

电容（100μF）

2

第4章软件仿真

4.1仿真电路图

见上图。

4.2仿真过程

按上述原理设计出整个电路，用Multisim12软件进行EDA仿真调试，首先让选手的1-8的按键弹起，点击仿真按钮，主持人清零开关J9和定时器开关J10同时闭合，实现对选手抢答数码管清零和对定时器数码管置数的功能，然后断开J9和J10，让选手进行抢答，通过仿真调试，该电路完全能够实现抢答器设计要求的基本功能和扩展功能。

第2路抢答器抢答后的显示，同时发光二极管指示灯发光，如下图：

图4.1抢答结果

CTR端的示波器波形，拨动开关后，CTR上跳，有人抢答时，CTR下跳，如图：

图4.2示波器波形图

倒计时开始后开始计数，同时倒计时指示灯亮直到倒数到0秒熄灭，如下图：

图4.3显示结果

倒计时开始后开始计数，同时倒计时指示灯亮直到倒数到0秒熄灭，计时器个位减到0时，BO1出现一个下跳；计时器十位减到0时，BO2出现一个下跳，

如下图：

图4.4示波器波形图

4.3仿真结果

主持人打开开关抢答开始计时，有人抢答后显示编号且显示剩余时间。

时间到00后报警灯亮且无法抢答。

而提前抢答和超时抢答时会由蜂鸣器发声，进行报警。

该仿真完全达到要求。

第5章安装调试

5.1安装调试过程

通过实验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊接工艺的重要性：

各个芯片的引脚功能不能混淆，必须了解各个芯片的使用方法，内部结构以及使用时的注意事项，该接电源的一定要接电源，该接地的一定要接地，且不能有悬空。

同时在电路板上要预先确定电源的正负端，便于区分及焊接。

正确焊接各芯片个管脚连接必须查阅各种资料并记录，以确保在焊接过程和调试过程中芯片不被烧坏，同时确保整个电路的正确性。

在焊接完后每块芯片都用万用表检测，看是否有短接等，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路。

5.2故障分析

（1）显示电路不稳定问题

在完成电路的焊接进入调试阶段时发现抢答器数码管显示选手编号不稳定。

主要表现在单选手按下抢答键后数码管显示的不是选手当前号码。

因此着手对电路进食检查，首先检查数码管看是否是关节焊接错误，后又检查电路各个芯片管脚接错均未发现问题，最后发现当触动某按键连线时显示正常由此判断可能是因为出现了虚焊，遂将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。

（2）控制开关无法控制电路

在调试是发现当按下主持人开关时电路断电，当松开后数码管显示始终为7，经过一个多小时对电路用万用表逐个检查，发现是开关触焊接错误，通过改正焊接后电路能正常工作。

（3）数码管不能正常倒计时

在进入定时电路调试时，发现数码管不能正常倒计时，出现乱码。

对这问题我们检查了芯片是否完好，电路界限是否正确均未发现问题，后发现是由于在焊接时焊线有些地方出现部分短接，于是就将焊线重新理清，数码管也能正常工作了。

第6章结论

本课程设计基本完成了老师的要求，能够实现全部的功能。

能八路抢答，能定时抢答，也能报警，清零。

在进行实验的时候，遇到不少的问题。

一开始不知道该使用什么芯片去做实验，复习老师讲过的课件，熟悉芯片的功能，同时去图书馆借有关书籍，看看哪些芯片能达到编码，译码，锁存等，以及重新温习了上个学期的《数字逻辑与数字系统》书本。

经过资料的搜集，基本确定了用哪类芯片达到哪类功能。

然后就研究电路图，仔细对照真值表连接电路图，并画好电路图草稿。

画好电路图后，然后在电脑上模拟，一开始在电脑上画好电路图后，编译也不过，存在几个错误，慢慢检查后，是连线的错误，有几个地方是不该接在一起的，从而造成了一个输入端有两个输入量。

在排除错误后，经过了编译，但是数码管完全没有反应，检查后发现是因为在通过与非门进行清零的时候，接线错误导致令74LS279一直不工作，改过错误后，数码管能正确显示，选手也能抢答，但是抢答时间到了，74LS192还是在计数，不能在00那里停止，于是改进电路图，使74LS192的十位的BON连到一个脉冲上。

上面是一些问题和解决方法，其实遇到的问题远不止这些，不过现在回想起来都是一些很低级的错误，有时候是因为粗心大意造成的错误，有时候是因为没有认真看芯片的真值表而造成的。

经过了这次课程设计，我收获良多。

在一开始的时候，很担心自己不能完成实验，因为上学期的数字逻辑不是学得很好，造成信心不是很足。

后来也证明了我是可以独立完成的。

在设计电路的时候，考虑的不是很全面，以及画电路图的时候没有很细心谨慎地工作，造成了一些低级错误。

所以经过课程设计，我提高了自己的动手能力，也增强了自己的信心。

同时让我知道在工作的时候要保持细致严密的工作态度，这样会事半功倍。

第7章使用仪器设备清单

（1）74LS148的引脚图和逻辑功能表

（2）74121的逻辑功能表和引脚图（代替74LS121）

（3）74LS279的逻辑功能表和引脚图

（4）74LS192的逻辑功能表和引脚图

参考文献

1.李景宏，马学文.电子技术实验教程.沈阳：

东北大学出版社.2000

2.王永军，李景华编著.数字逻辑与数字系统.北京：

电子工业出版社，2002

3.高吉祥，易凡编著.电子技术基础实验与课程设计.北京：

电子工业出版社，2002

4.陈大钦编著.电子技术基础实验.北京：

高等教育出版社，2000

收获、体会和建议

做完此次实验，我认识到以下几点：

1、设计思路是整个设计的灵魂

拿下每个课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。

只有对课题的充分理解，对各种器件的熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键，，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。

翻阅各种资料，上网查询填补所需知识的空白是必要的。

2、焊接制作必须精益求精

焊接必须精益求精，一丝不苟，一点的差错都可能导致实验结果错误，因此必须准确无误还要工整，这样才能在调试中能比较轻松进行，也是整个电路可看性更好。

3、调试

调试工作是个精细工作。

在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。

当最后解决问题时，电路的正确是非常振奋，也很有成就感和满足感。

4、不足

实验效率低，焊接水平不足导致电路稳定性不高，布线比较混乱，这些都有待提高。

总之，在设计过程中学到了许多。

作为现代的大学生，如果仅停留在以往的层次上，是远远跟不上时代的步伐，也无法使自己立足在竞争如此激烈的社会里，通过此次实习，看到了自己的水平和差距，学要在今后的学习中又进一步的提高。