八路智力抢答器

南华大学电气工程学院电子设计课程University of South China 电子技术 课程设计说明书 设计题目： 八路智力竞赛抢答器 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 08级 学 号： - 姓 名： - 指导教师： - 2011年 01 月 13 日电子技术课程设计任务书设计题目： 八路智力竞赛抢答器 专 业： 电气工程及其自动化 电子技术课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：八路智力竞赛抢答器一、主要技术指标与要求：1、同时供8名选手或代表队参加比赛，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S0、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，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。#扩展功能：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，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间05s左右。二、参考元件（不限，供参考）74LS148 74LS279 74LS48 74LS192 NE55574LS00 74LS121、发光二极管 共阴极显示器2对课程设计成果的要求包括图表、实物等硬件要求： 设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件选择要有计算依据。3主要参考文献：1谢自美。电子线路设计、实验、测试M华中理工大学，20012彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社，19973毕满清.电子技术实验与课程设计M.北京：机械工业出版社，19954陈明义.电工电子技术课程设计指导M.长沙：中南大学出版社，20025陈永甫.新编555集成电路应用800例M.北京：电子工业出版社 20006http:/www. alldatasheet .com. GB4728.12-85 电气图用图形符号-二值逻辑单元4课程设计工作进度计划：序号起 止 日 期工 作 内 容12011-1-3布置任务，教师讲解设计方法及要求22011-1-4学生查找阅读资料，并确定方案32011-1-5学生设计小组会议，讨论方案42011-1-611设计、仿真实验52010-1-1213写说明书，小组讨论62010-1-14答辩指导教师苏泽光日期： 2010 年 12 月 日目 录引言 51 整体设计原理分析 61.1 设计思路 61.2 设计方案 62 单元电路设计 72.1 抢答电路 72.2 定时电路 72.3 报警电路 92.4 时序控制电路 103 总体电路设计 114 Multisim仿真结果及分析 124.1 单元电路仿真结果及分析 124.1.1 抢答电路 124.1.2 定时电路134.1.3 报警电路144.2 总体电路仿真结果及分析 17结论 18总结体会 18参考文献 18附录 19 引言 智力竞赛是一种生动活泼的教育方式，而抢答就是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。抢答能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们迅速增加一些科学知识和生活常识。但是，在这类比赛中，对于谁先谁后抢答，在何时抢答，如何计算答题时间等等问题，若是仅凭主持人的主观判断，就很容易出现误判。所以，我们就需要一种具备自动锁存，置位，清零等功能智能抢答器来解决这些问题。利用本次设计出的电路制造成的定时抢答器，即可轻松实现在8人或8个代表队之间进行的抢答比赛中进行控制，使得这一活动更加趣味、公平。 1整体设计原理分析1.1 设计的思路1）本题的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可用触发器或锁存器等。在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁，即使其他组的抢答信号无效。同时还必须注意，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效，否则应视为提前抢答而犯规。2）当电路形成第一抢答信号之后，用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别，也可以用发光二极管直接指示出组别。还可以用鉴别出的第一抢答信号控制一个具有两种工作频率交替变化的音频振荡器工作，使其推动扬声器发出两态笛音音响，表示该题抢答有效。3）计分电路可采用2位7段数码管显示，由于每次都是加或减10分，故个位总保持为零，只要十位和百位作加/减计数即可，可采用两级十进制加/减计数器完成。4）在主持人没有按下开始抢答按钮前，若有人提前抢答，则鸣喇叭“嘟-”表示有组别提前抢答；当主持人按下开始抢答按钮后，开始进行30秒倒计时，此时，若有组别抢答，显示该组别并伴有“嘀-嘟”的双音音响持续2-3s；当计时时间到，仍无组别抢答，则会发出“嘀-”的声音，主持人清零后开始新一轮抢答。1.2设计方案优先编码电路主持人控制开关锁存器译码电路译码显示控制电路报警电路抢答按钮秒脉冲产生电路定时电路译码电路显示电路主体电路扩展电路 图3.2 八路抢答器总体框图 该设计抢答电路器的电路主要由抢答电路触发电路报警电路定时电路显示电路等组成 工作原理：通电后，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，编号显示器熄灭，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”位置，宣布“开始”抢答，抢答器处于工作状态，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优先判断，编号锁存，编号显示，扬声器发声提示，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，并保持到主持人将系统清零为止。再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。2单元电路设计 设计分为抢答、定时、报警、时序控件四个电路单元。2.1抢答电路 此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有相应发光二极管点亮和数码显示。 利用74LS148优先编码器对所有组别进行抢答时的输入信号进行编码，将输出结果输入四个RS触发器进行信号保持，同时利用的返回值控制74LS148优先编码器的使能端，即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。通过74LS283加法器使抢答组别数字显示1-8，清零时显示9.另外，将通过加法器的输出信号输入74LS42译码器，使抢答组输出端产生低电平平从而使相应的发光二极管点亮。原理图如下： 图2.1 抢答电路原理图 2.2定时电路 此部分电路主要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时喇叭发出“嘀-”的声音。 首先用555定时电路产生秒振荡频率，控制74LS193加减计数器的down输入端，按秒频率减数。利用一片74LS85比较器控制高位减法，另一片74LS85比较器完成当计时器显示0s时使另一个555定时电路产生振荡，放大后可推动喇叭发声。原理图如下： 图2.2 定时电路原理图2.3 报警电路 此部分电路主要完成的功能是在选手按下抢答器后发出“嘀-嘟”的双音音响并持续2-3s。选手按下抢答器后会使74LS195移位寄存器开始移位。可以使用倒计时电路中的555定时电路产生的秒振荡频率来控制移位速度，使发声时间保持2-3s。移位寄存器的输出端分别控制两个不同参数的555振荡电路，发出不同频率的响声，即“嘀-嘟”的双音音响。原理图如下： 图2.3 报警电路原理图2.4 时序控制电路 时序控制电路是设计的关键，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。 根据上述的功能要求，时序控制电路如下图所示。图中，门G1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。 (a) 抢答与定时时序控制电路 (b) 报警电路时序控制电路 2.4 时序控制电路原理图 3 总体电路设计 将抢答、定时、报警、时序控制四个单元电路经过适当调整组装成八路抢答电路的总体电路。原理图如下： 图3 总体电路图4 Multisim仿真结果及分析 Multisim仿真软件简介Multisim软件就是一个专门用于电子线路仿真工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具， Multisim 是一个完整的集成化设计环境。而且Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。 理论教学计算机仿真实验环节。 4.1 单元电路仿真结果及分析 分别对抢答、定时、报警单元电路进行仿真，并分析其仿真结果。 4.1.1 抢答电路 图4.1.1 Multisim仿真图将图6所示抢答器电路在Multisim正确连线后仿真图，结果发现对应开关S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，未加283时数码管的显示对应为0，4，2，6，1，5，3，7，仔细检查后发现，原理图中148的输出与279的高低位对应错误，改正后再加上283后仿真，图4.1.1为按下开关7后的显示结果。4.1.2定时电路 部分电路主要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时喇叭发出“嘀-”的声音。 首先用555定时电路产生秒振荡频率，控制74LS193加减计数器的down输入端，按秒频率减数。利用一片74LS85比较器控制高位减法，另一片74LS85比较器完成当计时器显示0s时使另一个555定时电路产生振荡，放大后可推动喇叭发声。 定时电路Multisim仿真图将图3所示定时电路在Multisim正确连线后仿真，将开关由“清除”打到“开始”时，定时电路开始倒计时，LED灯点亮，当倒计时时间到时，LED灯熄灭，且驱动555使蜂鸣器发出延时警报声0.5秒。 图（a） 定时时间为20秒时仿真图 图(b) 仿真波形图 图4.1.2 定时电路仿真图4.1.3 报警电路单元这部分电路我们是由555构成多谐振荡器，振荡频率 fo=1.43/【（R1+2R）C】，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为谐振荡器工作；而当PR为低电平时，电路停振。原理图如下： 图（a） 报警电路原理图 图（b）20秒结束时仿真图 图（c）20结束时报警电路振荡图 图4.1.3（1） 报警电路仿真图如图4.1.3所示为报警电路仿真图，由图可看出当在555的2端来了低电平的触发脉冲后，等到脉冲消失，555在电容c3的作用下会继续保持高电平，为了在Multisim10更清楚的看到仿真结果，故c3调整到了100nF，对192的脉冲也调整到了100HZ，有图可看出，在192的高位借位脉冲从到来到到消失的10ms后，555的输出没有立即变为低电平，而时继续保持高电平10ms左右，即图6所示报警电路仿真电路可正常延时，其延时时间可通过调节c3与R17的大小来改变，具体计算公式：Td=1.1Rt*Ct这样，就可以用根据电容与电阻的大小来控制报警电路具体延时时间的大小，达到一些特殊的功能。在该抢答器的设计中，报警不需要多长时间，只是提醒主持人与选手定时时间到时，本次抢答结束，如果需要抢答，需要主持人重新“清除”再“开始”。所以我选择报警延时1秒左右，故在实际电路中将R17选择为100K，c3选择为10uF，其理论延时为1.1秒，符合系统要求。 图4.1.3（2）报警电路仿真图5 总体电路仿真及结果分析将图3的简易抢答器的总电路原理图在Multisim中仿真时，第一次仿真时因为数码管的下拉电阻过大，数码管不能正常点亮，将其调小后，数码管可正常显示，但考虑到数码管在实际焊接及工作中的安全性，将下拉电阻设定在300欧姆。数码管正常显示后，可看出仿真结果，可是对应于开关S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，数码管显示数字为04261537，再次出现了高低位错误的结果，在仔细检查后，正确连线后，可完整实现系统要求功能。 图5 总体电路仿真图结论 通过本次课程设计，使我对与非门以及触发器等芯片有了更深的了解，对课本上的知识有了进一步的掌握。在Multisim10环境下仿真以实现系统要求，并且在实际环境中组装并焊接实际电路，通过调试完全满足设计要求。简易抢答器由抢答电路，定时电路，报警电路及电源构成。主持人首先提出问题，在抢答前，主持人按下开始按键后，抢答开始。若有人抢答，则按下对应按键S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7,则数码管显示对应数字，并且其他人再无法抢答。定时器为30秒，30秒计时到时则LED灯熄灭且蜂鸣器报警。心得体会通过这次课程设计,我学到了很多书本上没有的实际的知识,熟悉了一些元器件、芯片在工程中的灵活运用。在设计及制作过程中，遇到过一些困难。通过上网和去图书馆查资料解决之。并且在网上搜集到了一些元器件及电路的相关资料对以后的学习及工作是很有帮助的。最重要的是我学会了自学的方法，这将使我今后离开学校，踏上社会是相当有帮助的。其次是进一步熟练地掌握和运用了Multisim软件，提高了我们自身的专业素质。这也是我们工科学生所必须掌握的基础技能。同时也深深的体会到，我们书本上所学的知识和实际的东西相差甚远，我们所不懂的知识还有很多，因此今后我们要更加注重实际方面的锻炼和运用。参考文献. 电子线路设计、实验、测试，谢自美，武汉：华中科技大学出版社，2000年。. 电子技术基础（数字部分），康华光，高等教育出版社，2006年. 电子技术基础实验与课程设计，高吉祥，北京：电子工业出版社，2002年。. 电子技术基础实验，陈大钦，武汉：华中科技大学出版社，2001年。附录 1 元器件清单及主要芯片的功能8线3线优先编码器 74LS148 1个锁存器 74LS279个译码器 74LS42 1个比较器 74LS85 5个加法器 74LS283 3个四2输入与非门 74LS00 3个非门 74LS04 2个显示译码器 74LS47 5个555振荡器 3个共阳数码管 5个其他：50K、100K电阻、0.01u电容、0.047u电容、100u 第Error! 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