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四人抢答器课程设计报告.doc

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.16M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    四人智力竞赛抢答器 一、设计目的 1.掌握四人智力竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。 2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法。 二、设计任务与要求 1、设计任务 设计一台可供 4 名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。 用数字显示抢答倒计时间，由 “9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响 1 秒。选手抢答时，数码显示选手组号，同 时蜂鸣器响 1 秒，倒计时停止。 2、设计要求
    (1)4 名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应， 也分别为 1，2，3，4。 (2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的 开始。 (3)抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手 编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电 路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。 (4)抢答器具有定时（9 秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计 时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续 1 秒。参 赛选手在设定时间（9 秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续 1 秒，同时定时器 停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主 持人将系统清零为止。 (5)如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统扬声器报警（音响 持续 1 秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示 0。 (6)可用石英晶体振荡器或者 555 定时器产生频率为 1Hz 的脉冲信号，作为定时计数 器的 CP 信号。 三、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计 1、设计方案 抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存 器锁存相应的选手编码，同时用 LED 数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒 计时，同时用 LED 数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。而在选手按键抢答以及抢答时间 倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。抢答时间设定 9 秒，报警响声持续 1 秒。 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“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。 2、系统框图 当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时，并通过译码器在显 示器中显示。报警电路给出声音提示。当选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被 触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱， 最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。然后在译码器中译码，将触发器输出的 数据转换为数码管需要的逻辑状态。最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。若有多个 开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有 效输出。如图 1.
    抢答按钮 触发器 锁存电路 译码电路 主 持 人 控 制开关 秒 脉 冲 产 生电路 控制电路 报警电路 显示电路 定时电路 译码电路 显示电路 图 1 系统框图 3、方案比较 方案 1：采用 CD4511 芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽然比较简便， 但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。 方案 2：采用 D 触发器和译码器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实现锁存功能时 可以简单的实现。 经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案 2。然后利用软件 Multisim 来进行仿真调试，再进行逐步改进。 4、单元电路设计及元器件选择 （1）抢答电路 电路如图 2 所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁定 74LS175 的功能真值表即优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示选手编号；二是要使其他选手随 后的按键操作无效。
    图 2 抢答电路 其工作原理为：当主持人控制开关处于“清除”时，D 触发器的清零端为低电平，使 D 触发器被强制清零，输入的抢答信号无效。当主持人将开关拨到“开始”时，D 触发器 Q 非 端前一状态为高电平，四个 Q 非端与在一起为高电平，再和抢答按键信号和借位信号与在一 起给 D 触发器的脉冲端，当没人抢答时，抢答信号为低电平，与门 U11 输出端为低电平给 D 触发器脉冲端，当一有人抢答时，抢答信号为高电平，并和 U2 的输出信号和借位信号与在 一起，使得 U11 输出端为高电平给 D 触发器，于是 D 触发器就有一个上升沿，使得抢答信号 经 D 触发器触发锁存再经过译码器 74ls48 译码，把相应的信号显示在数码管上。另外，当 选手松开按键后，D 触发器的 Q 非前一状态为低电平，与在一起后给与门 U11,使得 U11 的输 出端为低电平给 D 触发器，则 D 触发器的脉冲输入端恢复原来状态，从而使得其他选手按键 的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性及抢答电路的准确性。当选手回答完毕， 主持人控制开关 S 是抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。 （2）定时电路 节目主持人通过按复位键来进行抢答倒计时。如图 3。定时 9 秒，把 74LS192 对应的 9，10，1，15 四个端子预置为“1001”。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路 555 提供。 当复位开关按下时，给 74ls192 一个低电平，从而开始倒计时，每来一个脉冲信号进行减计 数一次。当有选手抢答或借位信号时，就使得 74ls192 的输入脉冲变成低电平，从而实现倒 计时的停止。再按复位键时，再一次倒计时。
    图 3 定时电路 （3）报警电路 由 74ls121 和蜂鸣器构成的报警电路，但仿真中没有 74ls121，因此用功能相同的 MONOSTABLE VIRTUAL（后文简称 A1）来代替仿真，如图 4 所示。其中 A1 的脉冲输入端是由 复位信号和 Q 非的与信号和借位信号与在一起来提供的。当其中一个信号为低电平时，使得 A1 得到一个下降沿脉冲，从而使 A1 的 Q 端输出一个宽度为一秒的高电平，那么蜂鸣器就会 响一秒。反之，电路停振，蜂鸣器不响。 图 4 报警电路 （4）时序控制电路 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： 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。
    图 5 抢答与定时时序控制电路 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。 根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图 5 所示。 图 5 中，U2 与门 74ls21 作为抢答的控制信号；U12 与门 74ls11 和 U13 与门 74ls21 的 作用是控制时钟信号 CP 的放行与禁止；U11 与门 74ls11 的作用是控制 74LS175 的输人脉端， U10 的作用是控制 74ls121 的输入脉冲端。工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨 到“开始”位置时，74LS175 的输出 Q！=1，U2 输出为 1，借位信号为 1，则 U12 输出为 1， 使 U13 输出为 1，则时钟信号 CP 能够加到 74LS192 的时钟输入端，定时电路进行递减计时。 同时，在定时时间未到时，则“定时到信号”为 1，U11 和 U13 的输出为 1，使 74LS175 和 74ls192 处于正常工作状态，从而实现功能（1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答键 时，Q！＝0，U2 输出为 0，封锁 CP 信号，则 U12 输出为 0，使 U13 输出为 0，定时器停止倒 计时处于保持工作状态；同时,U11 的输出为 1 使 D 触发器触发而输出信号 ，也使 U10 输出 为 0，给了 74ls121 一个上升沿，使 74LS121 处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，从
    而实现功能（2）的要求。当定时时间到时，则“定时到信号”为 0，U10 输出为 0，有给了 74ls121 一个下降沿，使 74LS121 处于工作状态给蜂鸣器一个一秒的高电平，禁止选手进行 抢答。同时，U13 输出为 0，封锁 CP 信号，使定时电路保持 0 状态不变，从而实现功能（3） 的要求。集成单稳触发器 74LS121 用于控制报警电路及发声的时间。 （5）元器件列表 序号 器件名称 表 1 数量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 74LS175 74LS192 555 定时器 74LS21 74LS11 74LS48 74LS121 开关按纽 S 扬声器 BCD 七段显 示器 电容 电阻 二极管 1 1 1 1 1 2 1 5 1 2 3 9 6 5、四路抢答器总电路图 备注 D 触发器 同步减法计数器 连接成多谐振荡与秒 时钟脉冲 四脚与门 三脚门 译码器 单稳态振荡器 共阴极
    图 6 总电路图 四、成品调试
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