简易数字抢答器的设计报告

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课程设计报告

题 目：简易数字抢答器的设计

专 年 级：____2012级_______

学 号：____1210612046___

学生姓名：____韦灵瑾________

联系电话：____[1**********]___

指导老师：_____谢祥徐_______

完成日期：2014年11月22日

简易数字抢答器的设计

摘 要

电路选用优先编码器 74LS148 、锁存器 74LS373 、74LS47译码和一个7 段数码管组成抢答显示电路；定时显示主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、和7段数码管及相关电路组成；由555定时器和三极管构成的报警电路。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。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。本文介绍了系统的总体设计和各个功能模块以及系统原理，重点阐述了实现过程中的数据传输和报警信息发送、接收和处理。

关键词:优先抢答；计时；芯片；逻辑功能

ABSTRACT

74 ls148 circuit selects the priority encoder, latch 74 ls373, 74 ls47 decoding and a 7 Period of digital tubes vies to answer first display circuit; Time display is mainly composed of 555 timer second pulse generating circuit, decimal

synchronization and subtract 74 ls192 counter subtraction counting circuit, and seven segment digital tube and related circuit; Composed of 555 timer and triode alarm circuit. After turning on the power supply, the host will switch to the \"reset\" state, the buzzer in forbidden state, number display out the lamp, the timer display setting time; Presenters will switch; Start \"state, announced the\" start \"buzzer. Players in the timing time vies to answer first, vies to answer first device: priority judgment, number of latches, number display, speakers tip. After the round vies to answer first, timer stop, secondary vies to answer first, timer display the remaining time is forbidden. If again vies to answer first needs to be signed by the host

operating again\" clear \"and\" start \"state switch. This paper introduces the overall design of the system and each function module and system principle, expounds the realization process of data transmission and alarm sending, receiving and processing information.

Key words: first vies to answer first; Timing; Chips; Logic function

目 录

摘 要.............................................................................................................................................. II ABSTRACT .................................................................................................................................... III

1 设计要求及方案选择 ................................................................................................................... 5

1.1设计要求 ............................................................................................................................ 5

1.2总电路框图 ................................................................................................................................ 5

1.3方案选择 ............................................................................................................................ 5

2 理论分析与设计 ......................................................................................................................... 7

2.1抢答电路的分析及设计 .................................................................................................... 7

2.2倒计时电路的分析及设计 ................................................................................................ 8

2.3 报警电路的分析及设计 .................................................................................................... 9

3 电路设计 ................................................................................................................................... 11

3.1 总体电路的设计 .............................................................................................................. 11

3.2 总原理图的设计 ............................................................................................................. 11

3.3PCB图及布线 ................................................................................................................... 12

3.4实物图 ............................................................................................................................... 12

4 系统测试 ..................................................................................................................................... 13

4.1调试所用的基本仪器清单 ............................................................................................... 13

4.2调试结果 ........................................................................................................................... 13

4.3调试中出现的问题及解决方法 ....................................................................................... 13

5 总结............................................................................................................................................. 14

参考文献 ......................................................................................................................................... 15

1 设计要求及方案选择

1.1设计要求

技术指标：

(1) 具有8路以上抢答功能。

(2) 数码显示抢答成功者的编号。

(3) 违规抢答报警功能。

(4)具有抢答倒计时功能。

1.2总电路框图

图1-1 总电路框图

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1-1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，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。

1.3方案选择

（1）方案一：

原理：在选手抢答前， “清除/起始” 开关S使基本RS触发器输出端Q为0，使集成8线-3线优先编码器禁止；当主持人按下“清除/起始”开关S时，基本RS触发器输出端Q为1，与优先扩展输出端Yex共同作用，使集成8线-3线优先编码器选通输入端ST为0，允许编码，等待数据输入。此时优先按动序号的组号立即通过编码器按BCD421码输出，经RS锁存器74LS279将该数码锁存到LED显示器上。与此同时，Yex（引脚为14）由1翻转为0，与非门G1输出为1，选通输入端ST为1，编码器被禁止。此外，在Yex由1翻转为0时，还驱动报警电路工作，发出声音。

（2）方案二：

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

（3）方案确定：

在方案一中，主要多了一个基本RS触发器，以及相对的74LS148引脚与74LS279之间连线的相应改变，这又涉及到之后的提高方案中的连线的改变。它有自身的优点，即基本RS触发器又相当一锁存器（74LS279），它可以对主持人的指令进行进一步的锁存，这样就可以增强它的抗干扰能力，但其线路过于复杂，另外此次实验所用的电路板对电路设计的大小要求很高，而且在布局和焊接上要越精练越好，所以它不是首选方案。而由于方案二已能满足基本设计和提高设计的要求，而且它的原理更简单易懂，直观明了，元件更少，连线更方便，焊接更可靠，且比较容易实现，所以最终选用了方案二。

2 理论分析与设计

2.1抢答电路的分析及设计

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2-1所示：

图2-1抢答电路

（1）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。

（2）RS触发器：①保持状态。当输入端接入S=R=1的电平时，如果基本SR触发器现态Q=1、Q=0，则触发器次态Q=1、Q=0；若基本SR触发器的现态Q=0、Q=1，则触发器次态Q=0、Q=1。即S=R=1时，触发器保持原状态不变。

② 置0状态。当S=1，R=0时，如果基本SR触发器现态为Q=1、Q=0，因R=0，会使Q=1，

而Q=1与S=1共同作用使Q端翻转为0；如果基本SR触发器现态为Q=0、Q=1，同理会使Q=0，Q=1。只要输入信号S=1，R=0，无论基本SR触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为0态。

③置1状态。当S=0、R=1时，如果触发器现态为Q=0、Q=1，因S=0，会使G1的输出端次态翻转为1，而Q=1和R=1共同使G2的输出端Q=0；同理当Q=1、Q=0，也会使触发器的次态输出为Q=1、Q=0；只要S=0、R=1，无论触发器现态如何，均会将触发器置1。 ④不定状态。当S=R=0时，无论触发器的原状态如何，均会使Q=1，Q=1。当脉冲去掉后，S和R同时恢复高电平后，触发器的新状态要看G1 和G2两个门翻转速度快慢，所以称S=R=0是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。

（3）74LS148优先编码器：

2.2倒计时电路的分析及设计

该部分主要由555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192 减法计数电路、74LS48 译码电路和 2 个 7 段数码管即相关电路组成。完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，进行30s倒计时，到0s时倒计时指示灯亮。当有人抢答时，计时停止。两块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。74LS192 的预置数控制端实现预置数30s，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，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，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。

图2-2 倒计时电路

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。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。

2.3 报警电路的分析及设计

由555定时器和三极管构成的报警电路如图2-3所示

图2-3 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。

3 电路设计

3.1 总体电路的设计

图3-1 总体仿真电路

3.2 总原理图的设计

图3-2 总原理图

3.3PCB图及布线

3.4实物图

4 系统测试

4.1调试所用的基本仪器清单

（1）万用表。

（2）示波器。

4.2调试结果

将检查好的电路加上5伏直流稳压电源后，显示选手编号的数码管显示7，按下复位键后，接通电源，开关打到预置端，倒计时数码管显示29。主持人拨动开关后，倒计时电路开始从29秒倒数，8路触点开关处于待命状态。若有选手按下所在开关（抢答），抢答电路显示选手所在编码（0～7），倒计时电路停止计时。同时其他选手所在的开关被锁定，抢答无效。如果30秒倒计时结束后仍无人抢答，倒计时电路锁定为00，抢答不再有效，且蜂鸣器发出。 这时只需主持人重新将开关打到预置段，整个电路全部回到初态。准备进行下一轮抢答。

4.3调试中出现的问题及解决方法

（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。

5 总结

这次数电设计，从我们接到老师给我们的任务后，我们就认真找资料，资料很多，网上更是繁杂。很快我们就找到了自己要做的东西，于是马上proteus仿真，这一步就是关键了，经过一个星期的反复修改，才终于弄好。然后是画protel图，这个我花了两天，硬是有几根飞线，算了，飞就飞吧。要做到十全十美不是不可能，只要花更多时间去画，一定行的。由于时间问题，所以我就容许有几根飞线了。焊接就容易多了，我花了一下午的时间就焊好了，焊好了就检查电路，没有问题。我马上去测试，竟然一试就行，高兴得跳起来。或许太激动了，把板子折了下，第二次测试时，就不亮灯了。这可急坏我了，与是我就仔细检查电路，检查了好几遍，终于发现是线被我折得短路了，排除了故障，抢答器又正常工作了。

在这次实验制作中，我体会到制作的过程是先苦后甜的，只有潜下心来用心去做，才做得又快有对。当你早其他同学做完时，那是很愉悦的。体会到了乐趣，我们就更愿意自己动手去做东西，这应该就是这门专业的乐趣吧！

参考文献

【1】钱培怡.电子电路实验及课程设计.西安电子科技大学出版社.1992

【2】王毓银.数字电路逻辑设计（第三版）.高等教育出版社.1999

【3】陈有卿.集成电路妙用巧用300例.人民邮电出版社.1999

【4】谢自美.电子线路设计实验测试.华中科技大学出版社.2000

【5】高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2002

【6】赵保终.中国集成电路大全（TTL集成电路）.国防工业出版社