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11物理与机电工程学院课程设计报告课程名称：四人竞赛抢答器系部：电子工程系专业班级：电子信息工程Z（1）班学生姓名：陈嘉俊指导教师：李建华、江晓玲完成时间：报告成绩：评阅意见：评阅教师日期22四人智力竞赛抢答器一、设计任务与要求（一）总的指导思想对本次课程设计，原则上指导老师只给出大致的设计要求，在设计思路上不框定和约束同学们的思维，所以同学们可以发挥自己的创造性，有所发挥，并力求设计方案凝练可行、思路独特、效果良好。（二）项目具体要求1、数字智力竞赛抢答器的设计设计说明：比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一枪答者，所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者。同时还应设计记分、犯规和奖惩记录等多种功能。设计要求：1)、基本部分抢答器可供四组使用，组别键(信)号可以锁存；抢答指示用发光二极管(LED)。(1)记分部分独立(不受组别信号控制)，至少用2位二组数码管指示，步进有10分，并且具有预置、递增、递减功能。(2)要求性能可靠、操作简便。(3)自制稳压电源。2）、发挥部分(1)增加抢答路数。(2)数码管显示组别键(信)号。(3)自动记分(受组别信号控制)：当主持人分别按步进得分键、递增键或递减键后能够将分值自动累计在某组记分器上）。(4)超时报警。33二、方案设计与论证1、设计方案抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用LED数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。抢答时间设定9秒，报警响声持续1秒。接通电源后，主持人将开关拨到“清除”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，扬声器给出声响提示。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、扬声器提示。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。2、系统框图当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时，并通过译码器在显示器中显示。报警电路给出声音提示。当选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状态。最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。如图1.44图1系统框图3、方案比较方案1：采用CD4511芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽然比较简便，但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。方案2：采用D触发器和译码器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实现锁存功能时可以简单的实现。经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案2。然后利用软件Protues来进行仿真调试，再进行逐步改进。三、单元电路设计与参数计算（一）单元电路设计及元器件选择（1）抢答电路电路如图2所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁定74LS175的功能真值表即优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示选手编号；二是要使其他选手随后的按键操作无效。扬声器数码显示脉冲电路倒计时器译码器数码显示扬声器锁存器编码转换电路译码器主持人选手55图2抢答电路其工作原理为：当主持人控制开关处于“清除”时，D触发器的清零端为低电平，使D触发器被强制清零，输入的抢答信号无效。当主持人将开关拨到“开始”时，D触发器Q非端前一状态为高电平，四个Q非端与在一起为高电平，再和抢答按键信号和借位信号与在一起给D触发器的脉冲端，当没人抢答时，抢答信号为低电平，与门U11输出端为低电平给D触发器脉冲端，当一有人抢答时，抢答信号为高电平，并和U2的输出信号和借位信号与在一起，使得U11输出端为高电平给D触发器，于是D触发器就有一个上升沿，使得抢答信号经D触发器触发锁存再经过译码器74ls48译码，把相应的信号显示在数码管上。另外，当选手松开按键后，D触发器的Q非前一状态为低电平，与在一起后给与门U11,使得U11的输出端为低电平给D触发器，则D触发器的脉冲输入端恢复原来状态，从而使得其他选手按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性及抢答电路的准确性。当选手回答完毕，主持人控制开关S是抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。（2）定时电路如图3。定时9秒，把74LS192对应的9，10，1，15四个端子预置为“1001”。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路555提供。当复位开关按下时，给74ls192一个低电平，从而开始倒计时，每来一个脉冲信号进行减计数一次。当有选手抢答或66借位信号时，就使得74ls192的输入脉冲变成低电平，从而实现倒计时的停止。再按复位键时，再一次倒计时。图3定时电路（3）报警电路由74ls121和蜂鸣器构成的报警电路，但仿真中没有74ls121，因此用功能相同的MONOSTABLEVIRTUAL（后文简称A1）来代替仿真，如图4所示。其中A1的脉冲输入端是由复位信号和Q非的与信号和借位信号与在一起来提供的。当其中一个信号为低电平时，使得A1得到一个下降沿脉冲，从而使A1的Q端输出一个宽度为一秒的高电平，那么蜂鸣器就会响一秒。反之，电路停振，蜂鸣器不响。图4报警电路（4）时序控制电路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：771）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。图5抢答与定时时序控制电路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，设计的时序控制电路如图5所示。图5中，U2与门74ls21作为抢答的控制信号；U12与门74ls11和U13与门74ls21的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止；U11与门74ls11的作用是控制74LS175的输人脉端，U10的作用是控制74ls121的输入脉冲端。工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，74LS175的输出Q！=1，U2输出为1，借位信号为1，则U12输出为1，使U13输出为1，则时钟信号CP能够加到74LS192的时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未88到时，则“定时到信号”为1，U11和U13的输出为1，使74LS175和74ls192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，Q！＝0，U2输出为0，封锁CP信号，则U12输出为0，使U13输出为0，定时器停止倒计时处于保持工作状态；同时,U11的输出为1使D触发器触发而输出信号，也使U10输出为0，给了74ls121一个上升沿，使74LS121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，从而实现功能（2）的要求。当定时时间到时，则“定时到信号”为0，U10输出为0，有给了74ls121一个下降沿，使74LS121处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，禁止选手进行抢答。同时，U13输出为0，封锁CP信号，使定时电路保持0状态不变，从而实现功能（3）的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。主要参数计算：脉冲发生电路：HZCRRtf1)2(7.011121取：151R0Ω682R0Ω得：1C10F四、仿真过程与仿真结果（1）在设计方案时，遇到了信号不能锁存的问题。经过查找资料，了解如何通过D触发器的输出信号来反馈回D触发器的脉冲端来进行锁存。（2）在仿真时遇到了555不能仿真和没仿真元件74ls121的问题。通过翻阅书本了解555如何准确使用和上网搜索74ls121的代替元件来解决。（3）当焊完电路调试时，数码管没显示。于是对照电路图来逐一检查，发现有些管脚没接上。例如数码管的接地端没接地、74ls192的CLR脚没接地等等。五、总原理图及元器件清单表1序号器件名称数量备注99174LS1751D触发器274LS1921同步减法计数器3555定时器2连接成多谐振荡与秒时钟脉冲474LS202四脚与非门574LS112三脚门674LS482译码器7741211单稳态振荡器8单刀双掷开关59扬声器110BCD七段显示器2共阴极11电容512电阻713三极管1四路抢答器总电路图1010图6总电路图四路抢答器总PCB图图7总PCB图六、安装与调试把电路焊好后，首先是对照电路图逐一检查电路有没有漏焊，经检查发现有几个管脚没接，于是细心地接上。然后用万用表逐一检查有没有虚焊或线路断路或线路短路，但没发现有虚焊等问题。下一步就接通电源调试，但电路完全没反应，然后用电源逐个模块进行检查，发现有些管脚还没接上，于是在对照电路图细心地检查，改进后再进行接电调试，先测试脉冲的输出，正常，如图9和图10。但下一步发现倒计时是从“6”开始，然后查找74ls192的相关资料才知道其输出端不只是数字“9”才有“1001”出现，在“6”的时候也是这样（我把“1001”两边的“1”用或门或在一起作为反馈信号），所以修改电路图把74ls192的反馈信号改接到其借位信号输出端，再进行调试，这次欣喜地发现功能已经实现了，最后完善一下电路，宣告成品大功告成。七、性能测试与分析（一）、设计成品的优点与不足1111优点：元器件较少，功能满足要求不足：在设计时，用了D触发器来进行抢答信号的筛选和锁存，在同时按下S0和S1时（其同时按下的几率较小，其可精确到微秒甚至纳秒级，但情况还是会存在的）会显示“3”，而按S2时也会显示“3”，所以显示“3”的几率大一点，但几率很小。(2)可靠性：整个实验电路分为四个部分，在实验的过程中，每一部分都经过了仔细的检测，各部分功能完好；通过焊接搭接将各部分按电路图连接成完整的抢答器电路，经过检测，连接无误，最终实现抢答器的功能，保证了抢答器电路的可靠性。(3)易测性：抢答器电路由四部分构成，在实验的过程中，依次完成每部分，如果出现什么问题，可以随时检测该部分的功能或连线是否出现故障。(4)实验改进：该电路只是用发光二极管显示结果，没有声音，没有显示，应该还要接入一个蜂鸣器和LED显示器。改良：可改用编码器和锁存器来代替D触发器。（5）电路跳线较多，使得电路板外观不好。改良：焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接。八、结论与心得这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74LS121、74LS48、74ls192等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一电子设计软件如：Multisim等，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。加上在设计过程中遇到了一些问题，使得我得查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能耐。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。所以在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。九、参考文献1212[1]阎石数字电子电路.北京：高等教育出版社.2007[2]康华光电子技术基础（数字部分）.北京：高等教育出版社.2000[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[4]赵淑范电子技术实验与课程设计[M].北京：清华大学出版社,2003[5]历雅萍易映萍编.电子技术课程设计[M].北京：高等教育出版社,2002[6]康华光电子技术基础（数字部分