智能抢答器的设计

沈阳航空航天大学课程设计（说明书）智能抢答器的设计班级 / 学号 14020101/[1**********]26 学 生 姓 名 指 导 教 师 王纪尧 李智慧沈阳航空航天大学课 程 设 计 任 务 书课 程 名 称 课 程 设 计 题 目 课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标 用数字电路设计一个具有锁存与显示功能的 8 人抢答逻辑电路。 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；主持人将开关置于“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。电子线路课程设计 智能抢答器的设计二、设计要求 1．在选择器件时，应考虑成本。 2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。 3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化） 。 三、实验要求 1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。 2．进行实验数据处理和分析。 四、推荐参考资料 1. 童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：高等教育出版社，2006 年 五、按照要求撰写课程设计报告成绩指导教师日期一、概述在各种智力竞赛场合， 抢答器是必不可少的最公正的用具。 在我们各种竞赛中我们也 经常能看到有抢答的环节，某些举办方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， 而抢答器的应用就能 避免这种弊端。 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 求时就无法实现，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，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。二、方案论述图 1 智能抢答器电路的原理框图 1设计一个智能抢答电路， 原理图如图 1 所示， 电路主要包括抢答电路模块和倒计时电 路模块两部分。其中抢答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，但是只要主持人没有按下控制开关，选手抢答无效。 倒计时电路模块完成定时抢答的功能以及报警功能， 同时封锁输入电路， 控制其他选手抢 答无效。图 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。当选手 在规定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选手的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电 路在数码管显示电路上显示抢答者的编号，并且 LED 灯工作，给出抢答完毕信号； （2）传输门电路对优先编码器进行封锁，禁止其他选手进行抢答； （3）传输门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，使系统恢复到禁止工作状态，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。三、电路设计1.倒计时电路模块图 2 倒计时模块原理图 2倒计时模块由两片 74LS192 可逆十进制计数器和译码电路构成。LED 数码管接收来 自 74LS192 的输出信号并显示出来。74LS192 的 9，10，11，15 引脚完成时间设定功能， 本设计定时为 30 秒，所以把左边的芯片的 1，15 引脚接高电位，其余的全接低电位，使 计时器的初始时间设定为 30 秒。该电路主要完成两个功能：一是显示倒计时时间示数； 二是当有选手抢答完毕， 禁止其他选手按键， 其按键操作无效。 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，秒脉冲推动 U7 开始倒记时，同时 U7 产生的信号由 13 引脚输出，做为 U6 的 CP 信号推动 U6 倒记时，完成十进制的倒记时功能。当有人抢答后 U1 的 15 引脚输出为 1， 经过非门 U12 后变为 0，通过与门 U13 屏蔽了 555 脉冲秒信号，停止记时，完成显示抢 答时间的功能，同时 U6 的 13 引脚产生低电位信号，进过非门 U13，变为高电位，反馈 到优先编码器 U13 的 5 引脚，使优先编码器不工作，实现了当有一人抢答完毕时，其他 人抢答无效的功能，确保不会出现二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性，只要有 一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。当计到了 30 秒时， U6 产生的定时时间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。如有 再次抢答需由主持人将控制开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。 2.抢答电路模块图 3 抢答模块原理图抢答电路模块使用优先编码器 74LS148， 两片锁存器 74LS279 和译码器 74LS48 来完 成，原理图如图 3 所示。该电路主要完成功能：分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答 者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管） ，同时有相 应发光二极管点亮和数码显示。 74LS148 的输入端和输出端低电平有效。I 0 ~ I 7 是输入信号，Y 2 ~ Y0 为三位二进制编 码输出信号， I S ＝1 时，编码器禁止编码，当 I S ＝0 时，允许编码。 Y S 是技能输出端， 只有在 I S ＝0，而 I 0 ~ I 7 均无编码输入信号时为 0。 YEX 为优先编码输出端，在 I S ＝0 而3I 0 ~ I 7 的其中之一有信号时， YEX ＝0。 I 0 ~ I 7 各输入端的优先顺序为： I 7 级别最高， I 0 级别最低。如果 I 7 ＝0（有信号） ，则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按 I 7 编码， Y 2 Y1 Y0 ＝000。优先编码被广泛用于计算机控制系统中，当有多个外设 申请中断时，优先编码器总是给优先级别高的设备先编码。表 1 74LS148 真值表输 入 输 出3.Y EX1 1 0 0 0 0 0 0 0 0Is1 0 0 0 0 0 0 0 0 0I0XI1XI2XI3XI4XI5XI6XI7XY21 1 0 0 0 0 1 1 1 1Y11 1 0 0 1 1 0 0 1 1Y01 1 0 1 0 1 0 1 0 1Ys1 0 1 1 1 1 1 1 1 1译 码 显 示 电 路 模 块1X X X X X X X1X X X X X X1X X X X X1X X X X1X X X1X X1X00 10 1 10 1 1 10 1 1 1 10 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 1 1图 4 译码显示电路二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出信号的 电路。也称为变量译码器。若输入端有 n 位，代码组合就有 2n 个，当然可译出 2n 个输出4信号。 显示译码器由译码输出和显示器配合使用，最常用的是 BCD 七段译码器。其输出是 驱动七段字形的七个信号，常见产品型号有 74LS48、74LS47 等。 字符显示器： 分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成。 电子 计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。而 LED 数码显示器是最常见的。通 常有红、绿、黄等颜色。LED 的死区电压较高，工作电压大约 1.5~3V，驱动电流为几十 毫安。74LS47 译码驱动器输出是低电平有效，所以配接的数码管须采用共阳极接法；而 74LS48 译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。使用时， 共阴极接地，7 个阳极 a~g 由相应的 BCD 七段译码器来驱动。 4.脉冲电路模块图 5 555 计时器电路图由于本电路需要计时器， 所以由 555 芯片构成周期为 1 秒的多谐振荡器。 原理图如图 5 所示。其中由 555 芯片构成的多谐振荡器，振荡频率为：f o  1/( R5  2R6 ) * C2 * ln 2  1.43/( R5  2R6 ) * C2要使周期为 1 秒，那么频率也为 1Hz，人为设定电阻 R5 ， R6 为 40kΩ，电容 C2 的值 为 10μF。这样多谐振荡器的周期就近似为 1 秒。四、性能的测试1.脉冲电路的测试 如表 2 所示，该脉冲信号输出波形为周期（T）=1s，频率（f）=1Hz 的脉冲。表 2 脉冲电路测试数据表 5R5 值(kΩ)40R6 值(kΩ)40C2 值(μF)10频率（Hz） 1周期(s) 1图 6 脉冲电路周期2.抢答电路测试图 7 抢答电路测试经测试，当选手 3 在规定时间内率先抢答时，LED 数码管显示 3。 3.电路整体性能测试6图 8 整体电路测试对电路的整体测试结果完全符合实验最初设计要求，电路设计连接成功。五、结论接通电源，主持人将开关打到预置端，倒计时数码管显示 30，此时选手按下抢答按 键，抢答无效。当主持人拨动开关后，倒计时电路开始从 30 秒倒数，8 路触点开关处于 待命状态。这时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，LED 灯熄灭，倒计时电路锁定为 00，抢答不再有效。 如果想进行下一轮的抢答， 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。六、性价比本实验设计电路结构十分简单，进过查询资料和商家的报价，了解到元器不但件价格 十分低廉，而且易获取，所有的材料的价格总和不到人民币 35 元，最后电路运行可靠。 所以本实验可实现性较高，性价比较高。七、课设体会及合理化建议7一开始拿到任务书的时候， 个人觉得这次电路课程设计的是比较复杂的。 刚开始做的 时候还是感到无从下手。 于是在图书馆和网上查阅相关的资料， 再运用自己在课堂上学习 的数字电路的知识，也慢慢有了一些初步的模型。同时这也是我再一次接触 Multisim 软 件。 在整个电路的设计过程中， 花费时间最多的过程应该是各个单元电路的连接及电路的 细节设计。在多种方案的选择中，仔细比较分析各个芯片的原理以及可行性，最后在仿真 软件上通过多次对电路的改进，终于使整个电路可稳定工作。在设计电路过程中，深刻地 体会到在设计过程中， 连接电路和选择元件是非常复杂和繁琐的， 在这个过程中很容易产 生错误，这个时候人也非常的烦躁， 也会想到放弃， 但是再要静下心来， 分析电路的结构， 了解电路的原理，最后仔细地检查电路，就可以找到问题的根源。 设计电路模块阶段，这个阶段可以说是考察数字电书路书本知识的阶段。所有的设计方 法还有步骤在书本上都有，每个元件的引脚图和功能表也需要自己查阅。如果遇到某个芯片 在书本上查不到，就需要查阅课外资料来了解了。所以这个阶段的问题也不是很大，耐心一 些就也可以把电路设计出来。 连接仿真电路阶段，也可以说是这次设计中最重要的部分，需要灵活运用 Multisim 这款 设计电路软件，也熟练了这软件的运用，了解了基本电路元件的属性、代号，掌握了基本电 路的绘制要求。 总之， 通过这次课程设计我有了很多收获。 在摸索该如何设计电路使之实现所需功能 的过程中，培养了我的设计电路思维，增强了动手能力。在改进电路的过程中，经过查阅 各方面的资料，最后的电路已经比初期设计有了很大提高。参考文献1.《数字电子技术基础》 范文兵 清华大学出版社 2007 年 2.《数字电路逻辑设计（第三版） 》 王毓银 高等教育出版社 2005 年 3.《数字电路实验基础》 崔葛瑾 同济大学出版社 2005 年 4.《数字电路实验与课程设计》 吕思忠、施齐云 哈尔滨工程大学出版社 2001 年 5.《Multsim9 在电工电子技术中的应用》 董玉冰 清华大学出版社 2008 年8附录 I 总电路图9附录 II 元器件清单 序号1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 15 16 型号 74LS08D 74LS04D 74LS148 74LS279 74LS48D 555-VIRTUAL 74LS192D SEVEN_SEG_CO M_K DSWPK-8 SPDT 名称 与门 非门 优先编码器 锁存器 译码器 555 定时器 可逆计数器 共阴极 7 段数码 管 开关 单刀双掷开关 LED 指示灯 电容 电阻 蜂鸣器 导线 数量 3 4 1 2 3 1 2 3 1 1 1 2 7 1 若干 编号 U16,17,1 8 U12,13,1 14,15 U1 U2,U3 U4,U8,U 9 A1 U18,U19 U5,U10, U11 J1 J2 LED1 C1,C2 R1,2,3,4, 5,6,7,8 U1910