1、数字电路课程设计 八 路 智 力 抢 答 器 学校: 河南大学 院系: 计算机和信息工程学院 姓名: 班级: 07 自动化 学号: 时间: 2009-12-24 目录 第一章 引言 3 1.1 设计要求 3 1.2 功能要求 3 1.3 摘要 3 第二章 方案设计和论证 3 2.1 各部分电路简述 .3 2.2 设计方案简述 .4 第三章 系统分析和设计 4 3.1 抢答器电路设计和相关元器件 4 3.2 定时电路设计和相关元器件 6 3.3 报警电路设计和相关元器件 8 3.4 时序电路和相关元器件 8 3.5 智力抢答器电路原理图 9 3.6 元器件清单 10 设计总结体会 .11 参考文
2、献 .11 第一章 引言 一、设计要求 1. 设计一个智力抢答器,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 1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号和选手的编号相对应，分 别是 S0、S 1、S 2、S 3、S 4、S 5、S 6、S 7。 2. 节目主持人设置一个控制开关,用来控制系统的复位和抢答开始. 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,同时扬声器发出声音提示.此外封锁输入电路,禁止 其它选手抢答.优先抢答的选手的编号一直保持到主持人将系统复位为止. 二、功
3、能要求 1. 抢答器具有定时抢答功能.且一次抢答的时间可由主持人设定.当节目主持人启动”开始” 键后,要求定时器立即开始减计时,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 0.5S 左右. 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消零为止. 3. 如果定时抢答器时间已到,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,时间显示器显示 00. 三、摘要 1. 数字抢答器由主体电路和扩张电路组成.优先编码电路,锁存器,译码电路将参赛队的输 入信号在显示器上输出: 用控
4、制电路和主持人的开关启动报警电路,以上两部分组成主体 电路.通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能,构成 扩展电路.经过布线,焊接,调试等工作后数字抢答器成型. 2. 抢答器四周有安装孔,可以方便的安装在操作台上,外接抢答按钮接入相应的接线端子, 如果需要外接电铃或指示灯,则接入继电器端子,安装完毕后就可以上电了,抢答器的电 流输入为 5V 直流输入. 3. 抢答器通上电后,蜂鸣器响,三个数码管都显示 0,按下复位按钮后进入正常工作状态,这 时可以设定抢答倒计时间,只要按动 10 进制编码 按钮分别对时间的十位和个位设定,设 定的时间在数码管上实时的显示出来.设定的
5、时间范围为:030 秒,设定完时间后,就可以 按动开始按钮,表示抢答开始,这时蜂鸣器响 0.1 秒,提示各位选手,抢答已经开始,同时倒 计时器开始从设定的时间进行倒计时. 4. 若在抢答时间内有人抢答,则第三个数码管立即显示抢答位号,倒计时间停止倒计时,所 用掉的时间就是抢答的时间,同时蜂鸣器响 2 秒,继电器吸合 2 秒,表示有人抢答,在这个 按键之后按下的按键除了复位键外,其他按键均无效,只有主持人按下复位键后,可以进 入下一轮抢答. 5. 若在抢答时间内均无人抢答,则在倒计时器计数到 0 的时候,第三个数码管显示 0,表示无 人抢答,蜂鸣器响 2 秒,继电器吸合 2 秒,这时除了复位键外
6、,其他键均无效, 只有主持人 按下复位键后,可以进入下一轮抢. 第二章 方案设计和论证 一、各部分电路简述 1. 30 秒定时器：可由两片 74LS192 构成，当第一片为零即输出为 1111 是通过 74LS20 将脉冲信号截止，使其显示为 00. 2. 抢答器部分：由一 74LS148 优先编码器实现抢答功能，用 74LS279 将选手代码锁存直 到主持人消零为止，然后用七段译码器显示选手代码。 3. 脉冲产生电路：可由一 74LS121 来产生，提供给定时电路及声响电路。 4. 报警部分：由一 NE555 定时器来控制，当倒计时为零时产生报警响声。 二、设计方案简述： 1. 定时抢答器的
7、总体框图如下图所示，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。 2. 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“消除”位置，抢答 器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，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：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；扬声器发出短暂的声响，提醒 节目主持
8、人注意；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； 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 将系统消零为止，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。 第三章 系统分析和设计 一、抢答器电路设计 1. 抢答电路的功能有两个：一是分辨选手按键的先后，并锁存抢答者的编号，供译码显 示电路用；二是是其他选手的按键操作无效。选用优先编码器 74LS148 和 RS 锁存器, 74LS138,74LS279 可完成上述功能。译码电路选用 74LS48 芯片具体电路如图 1 所示， 其工作原理为： 2.
9、当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS 触发器 R 为低电平，输出端（4Q1Q） 全部为低电平。于是 74LS48 的 BI=0,显示器灭灯；74LS148 的选通输入 ST=0，74LS148 处于工作状态，此时锁存器电路不工作。当主持人开关拨到开“始 位”置，优先编码电路和锁存电路同时开始工作，等待输入信号 I7，I0 。当 有选手按下键时，74LS148 的输出 Y2Y1Y0=010,Yex=0。经 RS 锁存器后， CTR=1,BI=1，74LS279 处于工作状态，4Q3Q2Q=101 。经过 74LS48 译码后，显示 器显示选手编号。此外，CTR=1，是 74LS148 的 S
10、T 为高电平，74LS148 处于禁止 工作状态，封锁了其他选手按键的输入。当按下的键松开后，74LS148 的 Yes 为高电 平，但由于 CTR 维持高电平不变，所以 74LS148 仍处于禁止工作状态，其他选手的 输入不会被接收，保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。抢答完后主持人使 抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。电路图如图所示: 3. 七段数码管显示器 74LS48 测试灯输入端。 =0（低电平有效）且 =1 时，Ya-Yg 输出均为 1，显示LTLTBI 器七段应全亮，否则说明显示器件有故障。正常译码显示时， 应处于高电平，即LT =1。 双重功能端。此端可作为输入信号端又可
11、以作为输出信号端。作为输入RBOI/ 端时是熄灭信号输入端 ，利用 端可按照需要控制数码管显示或不显示。当 =0 时IBI BI （低电平有效） ，无论 A3A2A1A0状态如何，Ya-Yg 均为 0，数码管不显示。当该端作为输出 端时是灭零输出端 ，当 =0，且 A3A2A1A0=0000 时， =0。RRBO 灭零输入端。该端的作用是将数码管显示的数字 O 熄灭。当 =0（低电平I I 有效） 、 且 A3A2A1A0=0000 时，Ya-Yg 均输出 0，数码管不显示。 其功能和引脚如图LT 所示: 4. 74LS148 优先编码器功能 优先编码器在同一时间内,当多个输入信号请求编码时,
12、只对优先级别高的信号进行编码 的逻辑电路,常用的集成优先编码器有 74LS148(8 线-3 线) 其原理图和功能真值表如图: 二、定时电路设计 1. 主持人设定抢答器时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由 秒脉冲电路提供，可预置时间进行倒计时电路选十进制同步可逆，计数器 74LS192 进 行设计，倒计时到零时，定时电路输出低电平有效的“定时到信号 ”。如图所示为八 路智力竞赛抢答器的定时电路单元图。 同步加减计数器 74LS192 进行设计，具体电路 如图所示。 该倒计时显示电路由两个 74LS192 及两个译码器及七段显示器构成,高位片置数 1,低位 片置数 5,do
13、wn 端接 555 输出的脉冲 ,从而实现 30 秒倒计时 . 2. 74LS192 引脚图管脚及功能表 74LS192 是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能， 其引脚排列及逻辑符号如下所示： 图 5-4 74LS192 的引脚排列及逻辑符号 （a）引脚排列 (b) 逻辑符号 图中： 为置数端， 为加计数端， 为减计数端， 为非同步进位输出端， 为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3 为计数器输入端， 为清除端， Q0、Q1、Q2、Q3 为数据输出端。 其功能表如下: 表 5-2 74LS192 的功 能表 三、报警电路设计 由 555 定时器和 三极管构成的报
14、警电 路如图所示。555 定 时器构成多谐振荡器，振荡频率 f=1.43/(R1+2R2)C。其输出信号经三极管推动扬声器， PR 为高电平时多谐振荡器工作，否则振荡器停振。 四、时序控制电路 抢答器控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能： 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。 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。 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 输入 输出 MR P3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 0 0 0 0 0 0 d c b a d c
15、 b a 0 1 1 加计数 0 1 1 减计数 作。 五、抢答器电路原理图 六、元器件清单 序号 名 称 型 号 数量 备 注 1 七段译码器 74LS48 3 2 十进制加减计数器 74LS192 2 3 555 定时器 CB555 2 4 优先编码器 74HC148 1 5 单稳态触发器 74LS121 1 6 RS 锁存器 74LS279 1 7 和非门 74LS20 1 每个芯片有 4 个两输入端的和非门 8 和非门 74LS03 1 每个芯片有 4 个三输入端的和非门 9 反向器 74LS04 1 每个芯片有 6 个非门 10 三极管 SDG130 1 11 电阻 ROHM 1 1
16、00K 12 电阻 ROHM 2 15K 13 电阻 ROHM 9 10K 14 电阻 ROHM 2 68K 15 电阻 ROHM 2 1K 16 电阻 ROHM 3 510 17 电容 16CE470AX 1 100uF 18 电容 16CE470AX 2 10uF 20 电容 16CE470AX 1 0.01uF 19 扬声器 SP10 1 19 开关 AZD1169 1 20 共阴极显示器 3 21 抢答按扭 SB 8 22 发光二极管 A694B 2 23 LED 显示器 8 24 译码器 74LS138 1 设计总结体会 经过两周的课程设计,我学会了如何进行电路设计及丰富了自己的理论
17、知识和实践实习 能力,在设计过程中,加深了对组合和时序逻辑电路的掌握情况,同时也使得学过的知识得到 了巩固和复习,在设计抢答器、报警器、定时器的过程中，通过翻阅资料，上网搜索等，我 对各电路器件（如：和非门，555 定时器和 LED 显像管等）及原理有了更深一层次的认识， 既增强了我的理解能力,也使我能更好的运用所学的知识。在设计之初,并不明白如何用所 学的器件来实现电路的功能,经过老师谆谆教导和小组内的激情讨论,最终确定了答题的设 计方案,在设计的过程中,不断的发现和克服困难,使我明白了,学习并非上课认真学习那么 简单,我深深的体会到了,要将所学的理论知识转变成事物的重要性,不仅能够加深对理论知 识的理解,也能怎家对本课的兴趣和爱好. 两周的磨练, 使我对本课由最初的懵懂认识到现 在的全面了解,总的来说收获很多. 在此,我要深深的感谢指导老师-吴老师和我的小组成员们给和我的帮助和支持,是他 们给予了我坚持完成课程设计的信心和动力,明白了团队在理论实践和创新中的作用,我相 信在以后的学习和工作过程中,我都将受益匪浅. 参考文献: 1. 电子技术基础（数字部分） 康光华主编. 高等教育出版社 2. 数字电子技术基础(习题解答和实验指导) 范文兵主编 清华大学出版社 3. 数字电子技术基础 张志良 主编 机械工业出社
