八路抢答器设计报告

1摘要：本文介绍了用优先编码器，译码器，锁存器等集成元件制作八路数字抢答器的原理，功能，及功能调试过程。本次设计的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。通过对计时电路时间的预置可以设置抢答时间，电路将完成规定时间的倒计时。在规定的时间内如果有人抢答，计时将自动停止，并显示抢答选手的编号；若在规定的时间内无人抢答，则电路中的蜂鸣器将发响，表明本轮抢答无效，实现报警功能。关键词：抢答器，定时器，报警器，时序控制，译码器一、概述八路数字抢答器的设计涉及到模拟电子线路，数字电子技术等学科的应用。本课题通过设计抢答电路，定时电路，警报电路三部分电路最终实现规定的设计要求，并通过仿真实现了实际抢答器的功能，锻炼了学生对问题的分析能力，提高了对电子电路设计的了解及专业软件的应用能力。本次课程设计的任务是设计一个八路数字抢答器，可以同时供8名选手或8个代表队比赛，设计指标如下：1．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；2．抢答器具有锁存与显示功能；3．抢答器具有定时抢答功能，定时时间为30秒，当主持人启动开始键后，定时器进行减计时；4．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。二、工作原理说明八路数字抢答器原理框图如图1所示，抢答器电路一共分为二大部分，主体电路和扩展电路。主体电路由抢答电路和警报电路组成，扩展电路主要是提供定时功能。接通电源后，主持人将开关闭合，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为30秒；主持人将开关断开，即“准备状态”，宣布开始抢答，定时器开始倒计时。如果30秒后无人抢答，扬声器给出声响提示。若选手在定时时间内抢答，抢答电路进行：优先编码，编码所存，编号显示等步骤。当一轮抢答之后，定时器停止工作，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闭合和打开开关，进行电路的清零和准备工作。图1总体设计框图21.抢答电路的设计抢答器设计电路原理图如图2所示。电路选用优先编码器74LS148，锁存器74LS297，译码器74LS48，7段数码管来完成。该电路主要完成两个功能：一是在选手按动开关后，通过优先编码器分辨出选手按键的先后，然后通过锁存器锁存优先抢答者的编号，此时译码把锁存的选手编号输入到译码显示电路中，在七段数码显示管上显示选手编号；二是所存抢答器状态，防止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S闭合时，74LS297的输入端（R、S端）均为0，四个输出置0。与此同时，74LS148的优先编码工作标志端EI为0，使之处于工作状态。GS为优先编码器的输出端，当EI=0时，GS=0。当开关S置打开时，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S6），允许编码，在I0～I7输入中，输入I7优先级最高，其余依次为I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0等级排列，输入为11111011，74LS148的输出经锁存器锁存后，GS=1，BI/RBO=1,译码器74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=110,经译码显示为“6”。此外，GS=1使74LS148优先编码工作标志端EI＝1，优先编码器停止工作，其他选手将无法输入，确保证了抢答者的优先性。如果有再次抢答需由主持人将S开关重置，然后再进行下一轮抢答，表1为功能表。图2抢答器电路图2.定时电路的设计定时电路部分主要由555定时器，十进制同步加减计数器74LS192，74LS48译码器和2个7段数码管组成。电路原理图如图3所示。电路运行时，555定时器产生方波脉冲，控制两块74LS192实现减法计数，计数值通过译码电路74LS48显示到数码管上。74LS192的预置数控制端实现预置数，抢答时间为30秒。开关弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时3时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，计时器1的BO端输出为低电平，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。表174LS148的功能真值表输入输出___ST___0IN___1IN____2IN____3IN___4IN___5IN___6IN___7IN__2Y__1Y__0Y__EXY__SY1xxxxxxxx11111011111111111100xxxxxxx0000010xxxxxx01001010xxxxx011010010xxxx0111011010xxx01111100010xx011111101010x01111111100100111111111101电路中555定时器的3端输出的脉冲的频率为：f=1.43/（1R+22R）×C=1Hz我们选择的电阻值为1R=15K，2R=68K，C=10uF，代入到上式中即得f≈1Hz，即秒脉冲，555定时器功能如表2。图3定时电路4表2555定时器功能表__R1iU2iUoUT的工作状态00导通123CCV13CCV1截止123CCV从13CCV变到13CCV1截止123CCV13CCV0导通1从23CCV变到23CCV13CCV0导通3.警报电路的设计警报电路由计数器74LS192，三与门74LS11，三极管，扬声器组成。若开关断开后30秒后无人按动开关，输出信号通过三极管驱动扬声器，警报器报警。计数器计数初值设置为2秒，即警报响声持续2秒。图4为警报电路原理图。图4警报电路四、性能的测试问题一：当仿真进行时，按动选择开关，数码管不能显示对应数字。解决方法：关闭开关，然后用万用表检查74LS48四个输出端是否为零，74LS148输出端GS端是否为零。打开开关，通过按动选择开关，对74LS138输入端输入不同的电平值，测试GS端是否为1，及锁存器输出端电平值是否与输入电平值相对应。按下开关然后打开，抢答器系统开始倒计时，数码管显示如图5所示。图5抢答倒计时显示器仿真图5问题二：当仿真进行时，定时电路不能正常定时。解决方法：1，测试555定时器输出是否为频率约为1Hz的方波信号，若频率相差比较大，通过改变1R,2R的阻值，及C的电容值，通过计算，使结果约等于1Hz。2，改变计数器的计数初值，查看显示的倒计时数是否有相应的改变。若没有改变，则检查电路的连接是否正确。当有一路开关有人按下时说明有人抢答，仿真电路结果如图6所示。其中数字2表示第2路有人抢答。图6抢答路数显示五、结论、性价比通过以上部分电路的设计及调试，基本满足了任务书所给出性能指标，即能完成抢答信号的输入与锁存，抢答器的定时及警报功能。用一片555定时器同时控制定时电路和警报电路的时序，提高了电路的整体同步性。采用三片LED7段数码管显示选手编号及计时时间，节省了成本。六、课设体会及合理化建议通过本次课程设计，我学到了很多以前没有接触到的电路设计方面的方法与知识。本次设计的要求是设计一个带有显示及定时功能的数字抢答器，不仅需要完成每个部分的功能，还对电路整体工作的协调性有很高的要求。同时，我进一步掌握了mutisim仿真软件和protel软件的基本操作，对数字电路系统设计有了深入的认识，而且，课设让我体会到书本上知识的局限性，这就要求我在平时积极去图书馆或网上查找资料，极大地开拓了视野，虽然在设计的过程中遇到各种各样的困难，但最终在老师和同学的帮助下完成了设计。极大的培养了我们的科研精神，激发了我们的专业兴趣，积累了实践经验，为将来的继续学习和工作打下了基础。希望在今后的学习过程中，能有更多的机会接触具有现实意义的项目，能接触更多的硬件，更好的提升自己的实践能力和综合能力。参考文献1．阎石编著.数字电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2005年2．童诗白、华成英编著.模拟电子技术基础.[M]北京：高等教育出版社，2006年3．南新志、刘计训编著.数字电路实验教程.[M]济南：山东大学出版社，2003年4．谭博学编著.集成电路原理与应用.[M]北京：电子工业出版社，2003年5.伍时和.数字电子技术基础.[M]]北京：清华大学出版社.2009年6附录I：总电路图7附录II：元器件清单序号编号名称型号数量1J1八路控制开关SW-DP812R2排电阻RPACK813U1优先编码器74LS14814U5,U6锁存器74LS27925U2，U11，U12七路显示译码器74LS4836U4,U13,U14共阴极七段数码管DPY_7-SEG37U7单稳态触发器LM55518U8,U9,U10十进制可逆计数器74LS19239U8二输入与门74LS08110U15A,U15B,U15C,U16A三输入与门74LS11211U19A,U19B二输入或非门74LS136112U20A，U20B,U20C反相器74LS04113U21与非门74LS00114J2弹片开关IDS_BOARDKEY115R1电阻500Ω116R3电阻10kΩ117R4电阻15kΩ118R5电阻68kΩ119C1电容10uF120C2电容100nF121Q1三极管2N1711122U3发光二极管LED_RED_RATED123U22蜂鸣器BUZZER1一、抢答器的功能要求·基本功能①设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是So、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。②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。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，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时蜂鸣器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选8手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。·扩展功能①抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定(如30s)。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，同时蜂鸣器发出声响。②参赛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。③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，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。二、抢答器的组成框图定时抢答器的总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。图1所示的定时抢答器的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：①优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；②扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；③控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；④控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。