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数字式竞赛抢答器 数电课程设计报告

时间:2014-01-05


数电课程设计报告
题 学 目:数字式竞赛抢答器 院:

专业班级: 姓 学 名: 号

指导老师:

2013 年 5 月 20 日

1、设计题目 数字式竞赛抢答器 2、设计要求 1)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。 2)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。 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,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。 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 始显示倒计时间,若无人抢答,倒计时结束时,扬声器响持续 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。 3、设计方案 3.1 各功能方案选择 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。 1)抢答功能实现方案 方案一:用一片四 D 触发器 74LS175 和四输入 2 或非门 CD4002 实现。四 D 触发器输出经四输入或非门到四路抢答按键开关,加到触发器的四个输入端,同 时经四输入或非门和反相器作为四 D 触发器的时钟信号, D 触发器清零端经上 四 拉电阻接电源,同时经过清零控制开关到地。电路简单成本低,稍加扩展就能达 到实用化。 方案二: 用一片八线-三线八进制优先编码器 74LS148、 SR 触发器 74LS279 四 和七段译码器 74LS48 实现四路抢答功能。

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虽然方案一的电路简单能够满足要求,但是由于需要 4 个 4D 触发器,接线 繁琐,增加了电路设计与仿真的难度;而方案二的电路较简单,更容易实现。所 以我决定采用方案二。 2)定时功能实现方案 方案一:采用 555 定时器。 方案二:采用石英晶体振荡器。 虽然采用石英晶体振荡器可产生高精度的秒脉冲,但因为方案一的 555 电路 相对较简单,更容易实现,所以我决定采用方案一。 3)显示功能实现方案 采用 74LS48 加上共阴极数码管比较容易实现。 4)报警功能实现方案 采用有源蜂鸣器,并与三极管、电阻、电解电容搭配比较简单。 3.2 单元电路设计 1)整体电路流程图

由电路流程图可以看出,数字抢答器电路主要分为三个部分:抢答电路、定时电 路以及报警电路。 2)抢答电路 抢答器控制电路要完成两个功能:一是分辨出选手按键的先后,并锁定最先 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。
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U3
7 1 2 6 4 5 3 A B C D BI/RBO RBI LT QA QB QC QD QE QF QG 13 12 11 10 9 15 14

74LS48

13

4

7

9

1Q

2Q

3Q

1 1R 2 1S1 3 1S2

10 3R 11 3S1 12 3S2

74LS279
5 2R 6 2S 14 4R 15 4S
R5
10k

4Q

U2 U6:A
74LS04

U4:B
74LS04

1

2

14

9 A0 7 A1 6 A2

15

13 2 1 GS EO
U1 U13:A
74LS10

74LS148
EI 0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 1 2 3 4 5
U4:D
12 74LS04 13

12
R45
10K

R1
10K

R2
10K

R3
10K

R4
10K

工作原理:该抢答控制电路的工作原理为:当主持人控制开关处于“清除” 时, 触发器的清零端为低电平, D 触发器被强制清零, D 使 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
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4

3

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。 74LS148 的真值表 74LS279 的真值表

74LS48 的真值表

3)定时电路

该部分主要由 555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器 74LS192 减法计数电路、74LS48 译码电路和 1 个共阴 7 段数码管即相关电路组成。
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工作原理:由 555 定时器产生时间基准信号秒脉冲。振荡周期为 10 秒脉冲 信号经两级有预置功能的可逆十进制计数器 74LS192 对时钟信号进行计数, 当计 数到达预置的时间,计数器产生溢出而封锁计数脉冲,使计数器停止计数。数码 管指示时间值。主持人通过按复位键来进行抢答倒计时。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。 74LS121 的真值表 74LS192 的真值表

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74LS74 的真值表

3)报警电路 该电路主要由 555 时钟电路(用于控制报警声音频率)、蜂鸣器即相关的延 时电路和控制电路组成。 集成单稳态触发器 74LS121 用于控制报警电路及发声的 时间,由于 Proteus 元件库缺少 74LS12 以用 74121 代替仿真。

工作原理:单稳态触发器 74121 通过信号/Ys、BO2、S 控制报警与否和报警时

间,555 时钟电路产生脉冲时钟。在规定的时间有人抢答时,/Ys 由 1 跳变到 0, 74121 有状态 2, Q 输出暂态高电平, 即 蜂鸣器连续发声报警, 持续时间为 t 秒, 依据公式 T=(R1+2R2)Cln2 可知当 R1+2R2=100K+2*22K=144K 欧姆时可得到周 期为 1 秒的振荡信号。如果在规定时间内无人抢答,BO2 由 1 跳变到 0,74121 有状态 1,Q 输出暂态高电平,蜂鸣器连续发声报警持续时间为 1 秒。 3.3 整体电路

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3.4 元件列表 名称 自锁开关 按钮开关 接线柱 跳线 整流二极管 三极管 电阻 瓷片电容 电解电容 数码管 蜂鸣器 555 定时器
74LS148 74LS279

数量 1 5 2 若干 1 1 10 1 3 2 1 1 1 1

型号

参数

1N4002 2N222 103

PNP 型 10K*5、100K*2、510K、22K、10K 10nF 10uF*2、100uF 共阴 有源

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74LS48 74LS04 74LS08 74LS192 74LS74 74LS10 74LS121

2 1 1 1 1 1 1

4、电路仿真 4.1 Proteus7 软件仿真数据 频道 A 接 555 定时器的第 3 个引脚即 Q 端,频道 B 接 74LS148 的第 5 个引 脚即 EI 端,频道 C 接 74LS192 的第 13 个引脚即 TCD 端,频道 D 接 74LS74 的 第 5 个引脚即 Q 端。 1)无抢答而超时的波形图

2)超时后抢答的波形图

3)无超时成功抢答的波形图

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4)成功抢答后未复位就提前抢答的波形图

4.2 Lochmaster4.0 洞洞板排版布线软件仿实物焊接电路板图

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5、总结分析 1)优点 A.与标准时钟相比计时准确,使用元件较少,电路不会太复杂。 B.跳线横平竖直,并且全在非焊面,较美观。 2)不足 A.焊工较差,跳线较多,检测出很多短路和虚焊的焊点,影响了整体电路性能。 B.数字芯片主要为从旧板上拆下来的旧芯片,性能是否完好不明确,且 LS 和 HC 混用, 发生了未知故障影响某些功能的实现, 比如抢答后锁存编号不能完全实现。 C.蜂鸣器不响, 表面原因是芯片 74LS121 的 Q 和反 Q 输出端不能翻转,根本原因 未知。 3)改进 A.可通过添加少量门控制电路来实现超时抢答报警功能和未计时即抢答报警功 能。 B.可把 74LS20 四输入二与非门替换为 74LS10 三输入三与非门,而 74LS08 二输 入四与门的功能可使用多出来的一个与非门与 74LS04 六反相器结合来代替。这 样的话就可以减少了一块数字芯片的用量。 6、心得体会 A.仿真与实物有差异,不可尽信不可太过依赖。 B.焊接工艺必须提高,否则后期检修工作会较麻烦。 C.最好使用新买的芯片, 如果用了有问题的旧芯片的话后果可能会很严重,比如 烧板。 D.焊接的时候不要焊同一个点太久,否则会损坏元件。也不要重复拆焊元件,容 易损坏。 7、实物图

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