1、南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 1 页 共 23 页电子信息工程学院电子课程设计报告八 路 抢 答 器姓 名：_专 业：_班 级：_学 号：_同组人：_指导教师：_学校：日期：目录南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 2 页 共 23 页摘要-3前言-4第一章 设计要求 -51.1 基本要求 -51.2 提高要求 -5第二章 系统的组成及工作原理-62.1 系统的组成框图-62.2 系统的工作原理-6第三章 电路设计-73.1 方案的选择-73.1.1 方案一-73.1.2 方案二-83.1.3 确定方案-83.2 单元电路设计-93.2.1 抢答
2、电路的设计-93.2.2 定时电路的设计-113.2.3 报警电路的设计-123.2.4 时序电路的设计-13第四章 电路实验与调试-154.1 焊接-15南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 3 页 共 23 页4.2 调试中出现的问题及解决-15第五章 设计总结-15参考文献-18附录（元件清单）-19摘 要介绍了数码显示八路抢答器电路的组成、设计及功能，电路采用74 系列常用集成电路进行设计。该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。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时
3、间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能，若超过抢答时间则抢答无效。该抢答器主要运用到了编码器，译码器和锁存器：它采用74LS148 来实现抢答器的选号，采用 74LS279 芯片实现对号码的锁存，采用 74LS192 实现十进制的减法计数，采用 555 芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时功能，采用 74LS121 单稳态芯片来实现报警信号的输出。通过课程设计提高和巩固了所学的专业知识，以及知识的综合应用和焊接技术。关键词: 抢答器 编码 译码 定时 报警南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 4 页 共 23 页前 言进入 21 世纪越来越
4、来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是必要设备。过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数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。人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩
5、纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。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，而且当有更高要求是酒无法实现，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，功能更加多样话，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，本次设计主要利南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 5 页 共 23 页用常见的
6、 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。第一章 设计要求1.1 基本要求（1） 抢答器同时供 8 名选手或 8 个代表队比赛，分别用 8 个按钮S0 S7 表示。（2） 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。（3） 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。 1.2 提高要求（1） 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如 30 秒）。当主持人启动“
7、开始“键后，定时器进行减计时。同时扬声器发出短暂的响声，响声持续 0.5 秒左右。发光二极管灯亮。（2） 参赛选手在设定的时间内进行抢答，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的时间，并保持到主持人将系统清除为止。（3） 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并 南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 6 页 共 23 页禁止抢答，定时显示器上显示 00。（4） 按钮到控制中心的距离为 20M。第二章 系统的组成及工作原理2.1 系统的组成框图：图 2.1 系统组成框图2.2 系统的工作原理：定时抢答器的总体框图如下图 2.2：南昌航空工业学院电子
8、信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 7 页 共 23 页图 2.2 抢答器工作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 2.2 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，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能
9、： （1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；（2）扬声器发出短暂声响；（3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；（4）控制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，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。当定时时间到，却南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 8 页 共 23 页没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。第三章 电路设计3.1 方案的选择：3.1.1【方案一】原理：在选手抢答前， “清除/
10、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 输南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 9 页 共 23 页出为 1，选通输入端 ST 为
11、 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。5VVCCR13kohmA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG1435 4RBILTU174LS247DBI/RBOA09A17A26GS1431341522121117463E015V181011121314151617EI574LS148DU2010U3A74LS279D4723 16 5RS1S2QRSQU3B74LS279D9131112 1015 14RS1S2QRSQ5VVCCABCDEFGBusBus8x10kohm1 23 74LS00D&4 56 74LS0
12、0D&2 1174LS04D45674LS00D&Q_QRSG1图 3.1.2【方案二】该方案即为笔者所采用的方案，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。3.1.3 确定方案在方案一中，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 触发器又相当南昌航空工业学院电子信息工程学院
13、 课程设计 八路抢答器第 10 页 共 23 页一锁存器（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。3.2 单元电路设计3.2.1 抢答电路的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
14、码 74LS148 和 RS 锁存器 74LS279 可以完成上述功能，其电路组成如图 3-1 所示：南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 11 页 共 23 页图 3.2.1 抢答电路其工作原理是：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（4Q1Q）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、I 6、I 5、I 4、I 3
15、、I 2、I 1、I 0 输入信号，当有选手将键按下时（如按下 S5） ，74LS148 的输出Y2Y1Y0=010，Y EX=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 处于禁止工作南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 12 页 共 23 页状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松开后，74LS148 的 YEX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
16、，其它按键的输入信号仍不会被接受。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关 S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。3.2.2 定时电路的设计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。555 芯片完成产生秒脉冲的功能。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
17、，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。南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 13 页 共 23 页图ABCDEFG ABCDEFGA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14354RBI LTU374LS247DBI/R
18、BOA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14354RBI LTU474LS247DBI/RBOA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7LOAD11BO13CO12CLR14DOWN4U574LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7LOAD11BO13CO12CLR14DOWN4U674LS192D5VVCCU71DIS7 OUT 3RST48THR6CON5TRI2GNDVCC555_VIRTUAL21 174LS04D12131274LS15D&R115kohmR268kohm10uFC20.1uFBus1QBusR310kohm
19、 3.2 .2 定时电路3.2.3 报警电路的设计由 555 定时器和三极管构成的报警电路如图 3-3 所示：南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 14 页 共 23 页U11DIS7 OUT3RST48THR6CON5TRI2GNDVCC555_VIRTUALR115kohmC10.1uFR368kohm5VVCCR2510ohmR4 1kohmQ1BJT_NPN_VIRTUALR5510ohm5VVCCC2100uF200HzU2图 3.2.3 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
20、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。3.2.4 时序电路的设计时序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作。根据上面的功能要求以及图 3.2.1 和图 3.2.2，设计的时序控制南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 15 页 共 23 页电路如图 3.2.4 所示：1213
21、12U1A74LS11D& 21 1U3A74LS04D211U4A74LS04DBusBusCP1QU2A12374LS00D& _ST图 3.2.4(A) 抢答与定时电路的时序控制电路图 3.2.4(B) 报警电路的时序控制电路图中，门 G1 的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 ST。图 3-4（a）的工作原理是：主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时，来自于图 3-1中的 74LS279 的输出 CTR=0，经 G3 反相，A=1，则从 555 输出端来的时钟信号 CP 能够加到 74LS192 的 CPD 时钟输入端，
22、定时电路进行递减计时，在定时时间未到时，来自于图 3-2 的 74LS192 的借位输出端南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 16 页 共 23 页BO2=1，门 G2 的输出 ST=0，使 74LS148 处于正常工作状态，从而实现功能的要求；当选手在定时时间内按动抢答键时，CTR=1，经 G3 反相，A=0，封锁 CP 信号，定时器处于保持状态，门 G2 的输出ST=1，74LS148 处于禁止工作状态，从而实现功能的要求；当定时时间到时，来自于图 3-2 的 74LS192 的借位输出端 BO2=0，门 G2 的输出 ST=1，74LS148 处于禁止工作状态，禁止
23、选手进行抢答，门 G1 同时处于关门状态，封锁 CP 信号，使定时电路为 00 状态，从而实现功能的要求，74LS121 用于控制报警电路及发声的时间。南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 17 页 共 23 页第四章 电路实验与调试4.1 焊接通过实验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊接工艺的重要性：各个芯片的引脚功能不能混淆，必须了解各个芯片的使用方法，内部结构以及使用时的注意事项，该接电源的一定要接电源，该接地的一定要接地，且不能有悬空。同时在电路板上要预先确定电源的正负端，便于区分及焊接。正确焊接各芯片个管脚连接必须查阅各种资料并记录，以确保在焊接过程和调试过
24、程中芯片不被烧坏，同时确保整个电路的正确性。在焊接完后每块芯片都用万用表检测，看是否有短接等，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路。4.2 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
25、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。南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 18 页 共 23 页第五章 设计总结本次电子课程设计实习将理论与实践有机地结合，既考查了同学对理论知识的掌握程度，由反映了实际动手能力，更主要的是考查了
26、同学对知识的综合运用以及创新设计思维能力，为今后的发展提供了一次良好的学习环境。针对课设题目八路抢答器，一开始还没有头绪，不会运用所学知识进行有效设计，但通过上网查阅各种类似的设计，去图书馆翻阅相关设计书籍，查阅所提供的芯片功能，确定基本设计方案，又通过仿真验证试验方案的可实行性，虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。同时也使自己认识到：1、设计思路是整个设计的灵魂拿下每个课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。只有对课题的充分理解，对各种器件的熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键， ，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。翻阅各种资料，上网查询填补所需知识的空白
27、是必要的。2、焊接制作必须精益求精焊接必须精益求精，一丝不苟，一点的差错都可能导致实验结果错误，因此必须准确无误还要工整，这样才能在调试中能比较轻松进行，也是整个电路可看性更好。3、调试调试工作是个精细工作。在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。当最后解决问题时，电路的正确是非常振奋，也很有成就感和满足感。南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 19 页 共 23 页4、建议设计的作品主要是用 74 系列集成芯片来完成的，在焊接的过程中由于芯片的引脚过多，布线工
28、作不是很方便。有时候还因为某一跟线没有焊牢，造成电路的不稳定，这些都是有待改进的。5、不足实验效率低，焊接水平不足导致电路稳定性不高，布线比较混乱，这些都有待提高。总之，在设计过程中学到了许多。作为现代的大学生，如果仅停留在以往的层次上，是远远跟不上时代的步伐，也无法使自己立足在竞争如此激烈的社会里，通过此次实习，看到了自己的水平和差距，学要在今后的学习中又进一步的提高。南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 20 页 共 23 页参考文献【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【
29、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【7】周常森.电子电路计算机仿真技术.山东科学技出版社【8】http:/南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 21 页 共 23 页附录一：元件清单序号 类型 数量1 74LS279（RS 锁存器） 12 74LS48（4 线7 段译码驱动器） 33 74LS148（8 线3 线优先编码器） 14 74LS192（十
30、进制可逆计数器） 25 74LS121（单稳态触发器） 16 74LS00（二输入与非门） 27 74LS20（四输入与非门） 28 NE555 29 晶体管 3DG130 110 七段数码管（共阴极） 111 B 键（触发开关） 912 发光二极管 113 扬声器 114 B 键（输入开关） 815 电阻（510） 216 电阻（1K） 217 电阻（10K） 918 电阻（15K） 219 电阻（68K） 220 电容（0.01F） 221 电容（0.1F） 222 电容（10F） 223 电容（100F） 2南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 22 页 共 23 页附录二：74LS148 的引脚图和逻辑功能表附录三：74121 的逻辑功能表和引脚图（代替 74LS121）南昌航空工业学院电子信息工程学院 课程设计 八路抢答器第 23 页 共 23 页附录四： 74LS279 的逻辑功能表和引脚图附录五： 74LS192 的逻辑功能表和引脚图74LS192 芯片的引脚图
