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1、学 号： 课 程 设 计题 目智能抢答器的设计与制作学 院自动化学院专 业电气工程及其自动化班 级姓 名指导教师2011年07月06日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电气0906班 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 智能抢答器的设计与制作 初始条件： （1）可同时供名选手抢答输入，每人一个开关；（2）稳定显示与输入开关编号相对应的数字0-7；（3）主持人一个开关以控制开始或显示清0（4）当有人抢答时，其对应编号立即显示并锁存，且其他选手被禁止选作: 设计具有定时抢答功能的电路，由主持人预先设定时间要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求
2、）（1） 设计任务及要求（2） 方案比较及认证（3） 系统框图，原理说明（4） 硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明（5） 调试记录及结果分析（6） 对成果的评价及改进方法（7） 总结（收获及体会）（8） 参考资料（9） 附录：器件表，芯片资料时间安排：6月27日6月30日：明确课题，收集资料，方案确定，仿真7月1日7月4日：硬件电路制作与调试7月5日7月8日：报告撰写，交设计报告，答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 目录摘要11智能抢答器的设计21.1抢答器的功能要求21.2方案的提出和比较21.3整体设计思路41.4单元电路的设计51.4.1抢答电路设计5
3、1.4.2定时电路设计91.5抢答器整体电路122电路仿真132.1抢答电路仿真142.2整体电路仿真152.3仿真中出现的问题153智能抢答器实物制作中出现的问题154总结16参考文献17附录 元器件清单-18摘要抢答器是一种广泛运用于各种场合的、操作简便的普通用具。 此次设计的智能抢答器可同时供8名选手或8个代表队参加比赛。其电路由主体电路和扩展电路两部分组成，分别由集成编码器、计数器、锁存器、定时器和必要的门电路等元器件组成。其中主体电路的作用是完成主持人的控制，系统清零与抢答开始功能，以及完成参赛者的抢答、显示其编号的功能。扩展电路主要包括秒脉冲发生电路和定时电路，起到抢答计时的作用。
4、此次设计的原理图经Proteus仿真软件验证基本无误，可实现设计所要求功能。根据原理图，在面包板上连接构成实物。关键词： 抢答器 仿真 主体电路 扩展电路智能抢答器的设计与制作1智能抢答器的设计智力竞赛是一种生动活泼的教育形式和方法，通过抢答和必答两种方式能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短时间内，使人们增加一些科学知识和生活常识。抢答器的应用可以避免某些竞赛中的不公平，因此抢答器广泛运用于各种场合。随着科技的飞速发展，能够实现抢答器功能的方式有多种，可以采用模拟电路、数字电路或模拟与数字电路相结合的方式以及利用微电脑芯片作为核心部件进行逻辑控制及信号产生的单片机技术和C语言编程而设计的
5、多路智力竞赛抢答器。本设计将采用数字电路实现八路智能竞赛抢答器。1.1抢答器的功能要求基本功能：设计一个智能竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，其对应的编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，他们各用一个抢答按钮，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。节目主持人拥有一个总的控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。抢答器具有数据锁存和显示的功能。当主持人发出指令开始后，抢答开始，若有选手按抢答按钮，其对应的编号立即会被锁存，并在数码管上显示出对应的选手的编号。此外，禁止其他选手再抢答。第一个抢答的选手的编号一直保持到主持人将系统清零
6、为止。扩展功能：该抢答器具有定时抢答的功能，每次抢答的定时时间可由主持人设定。当主持人宣布“开始抢答”后，定时器立即开始倒计时，并在数码管显示屏上显示。参赛选手在规定的时间内抢答，抢答才有效，然后定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时刻，维持到到主持人再次清零为止。如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，系统会封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。1.2方案的提出和比较根据对功能要求的理解，可以设计出如下两种方案。方案一系统框图如图1所示。图1 方案一系统框图方案一所示抢答器工作过程：该方案是将抢答按钮先直接与锁存器相连，将最先抢答的选手的编号锁定，
7、再依次经过优先编码器、译码器和七段显示器，最后显示的是抢答选手的编号，经过优先编码器后的信号到单稳态触发器，单稳态触发器又与报警电路直接连接，所以显示编号的同时可以发出报警信号。另外由主持人控制开关和其他部分电路通过门电路实现控制。方案二系统框图如图2所示。图2 方案二系统框图方案二所示抢答器的工作过程：主持人按动开始抢答的开关后，最先抢答的选手的电平信号先经过优先编码器，再依次经过数据锁存器，此时已经限制了其他选手的抢答，信号再经过译码器和七段数码显示器，将最先抢答的该选手的编号显示出来，到此完成的是抢答功能；如果没有人抢答，30秒减计数器减到00，此是完成计时功能。看图发现，第二种方案更好
8、些。它的优点在于，这种方案原理比较简单。主持人对整体电路的控制只需几个门电路就可完成，不必用特别的芯片来组成控制电路。在有选手抢答后或者计时开始和结束时。既减少了布线使整个电路更直观简单，又降低了产生错误的可能性。1.3整体设计思路根据需要的功能，将定时抢答器电路分为主体电路和扩展电路两部分。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动按钮时，显示选手编号并锁存，同时封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成抢答的定时功能。比赛开始时，接通电源，主持人把开关置于“清零”位置，抢答器此时并未工作，数码管无显示，定时显示器上显示设定的抢答时间。当主持人宣布“抢答开始”，同时将总的控制开关
9、拨到“开始”位置，抢答器则开始处于工作状态，定时器开始倒计时。若选手在规定时间内抢答，则抢答电路应该实现一下功能：(1)编码器电路识别出出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；(2)控制电路对输入电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答； (3)控制电路使定时器停止工作，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清零为止。当选手将问题回答完毕时，主持人操作控制开关，电路禁止工作状态，为下一轮的抢答做好准备。若规定的时间已到，但是没有人抢答时，系统会封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。抢答器的工作过程是，主持人按动开始抢答的开关后，最先抢答的选手的电平信号经过优先编
10、码器、锁存器，此时已限制了其他选手的抢答，信号再经过译码器和七段数码显示器，将该选手的编号显示出来；如果没有人抢答，减计数器会减到00，由此完成了计时功能。图3 智能抢答器总体设计框图1.4单元电路的设计1.4.1抢答电路设计抢答电路的功能有两个：一是能识别出选手按键的先后顺序，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钮操作无效。因此，可以选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279以及译码显示电路完成上述功能。74LS148是八线-三线优先编码器，该编码器有8个信号输入端，3个二进制输出端，输入输出端均为低电平有效。EI为输入使能端，低电平有效，当EI为低电平
11、时，编码器处于工作状态，当EI为高电平时，编码器处于禁止状态。EO为输出使能端，只有在EI=0，且所有输入都为1时，输出才为0；GS表征编码器的工作状态，当且仅当EI为低电平，且输入至少有一各为有效电平时，GS才有效。因此，可通过EI、EO、GS功能扩展端对电路进行相应的控制。优先编码器在抢答电路中功能是识别抢答者的编号。图4 74LS148引脚图表1 74LS148真值表图5 74LS279引脚图表2 74LS279真值表74LS279是4个由与非门构成的RS锁存器。其中，1S和3S有两个输入端，S1和S2均为相与的关系。本设计中，将S2均接高电平，仅利用S1控制输出。其引脚图如图6所示，下
12、表为SR锁存器的功能真值表，值得注意的是S和R不能同时为高电平，否则输出不确定。图6 74LS48引脚图表3 74LS48真值表由真值表可以看出译码器74LS48输出高电平有效，驱动共阴极数码管。七段显示译码器一般与七段数码显示器相连，共同构成四输入端的数码显示电路，如图7所示。共阴极数码显示器的功能表如表4所示。图7 74LS48组成的四个输入端的数码显示组合电路表4 共阴极数码显示器的功能表十进制A3A2A1A0abcDefg00000111111010001011000020010110110130011111100140100011001150101101101160110001111
13、1701111110000810001111111910011110011结合上述各芯片功能和准备设计的抢答器的功能要求，可设计出抢答器电路如下所示。图8 抢答器电路工作原理：SW1-SW8为八位选手的抢答开关，分别对应选手0、1、2、3、4、5、6、7。SW9单刀双掷开关，是主持人的总控制开关。当主持人控制开关置于“清零”状态时，RS触发器的R端为低电平，输出端全部为低电平。于是74LS48的显示器灭灯；74LS148的输入端ST为高电平，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当SW9置于开始状态，优先编码电路和锁存电路同时开始工作。74LS279的1R、1S均为高电平，由真值表可
14、知，输出1Q为低电平，从而使74LS148输入使能端为低电平有效，即抢答器处于等待工作状态。若有选手（假设为1号选手）按动抢答开关（即闭合SW2），此时优先编码器74LS148输入端I1接低电平有效，则输出A2A1A0为001，A2A1A0分别接至4S、3S、2S，根据RS锁存器真值表，2Q3Q4Q输出分别为100，从而74LS48的输入端DCBA为0001，经74LS48译码，显示器上显示“1”。与此同时，当74LS148输入端有一个为低电平时，GS为低电平有效，即译码器处于工作状态，从而使1S为0，此时1Q输出为高电平，致使EI为高电平，74LS148处于禁止工作状态，其他选手抢答按钮的输
15、入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。抢答结束后，主持人开关置于清零状态，数码管不亮，恢复抢答前的准备状态，以便进入下一轮抢答环节。1.4.2定时电路设计设计要求抢答器具有定时功能，且节目主持人可自由设定一次抢答的时间（设为30s）。设计中选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，74LS192具有置数和清零功能，其引脚图和逻辑图如图9所示，真值表如表5所示。图9 74LS192引脚图P0、P1、P2、P3置数并行数据输入；Q0、Q1、Q2、Q3计数数据输出；CR清零端；LD置数端；CPu 加法计数CP输入；CPd 减法计数CP输入；CO进位输出端；BO借位输出
16、端。 表5 74LS192真值表根据设计的要求，需要两片74LS192构成100进制减计数器。由功能真值表可知，只需将个位74LS192的借位输出端BO与十位74LS192的CPd即可实现100进制减计数。值得注意的是，CPu端口必须接高电平，才可以实现减计数功能。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。秒脉冲电路由555构成的多谐振荡器构成，如图10所示。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形波输出。图10 多谐振荡器因为周期为1秒，所以频率是1赫兹。图10中电容的充放电时间分别是：=Cln20.7C （1-1）=()Cln20.7()C （1-2）所以555的3端输出的频率为： f
17、= （1-3）于是采用的电阻和电容值分别是：RA=15K，R2=68K，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲。图11 74LS00引脚图图12 74LS11引脚图定时电路工作原理：首先主持人改变74LS192的输入端D3D2D1D0的电平来确定抢答时间（假定为30秒），555构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。抢答开始前主持人闭合开关，74LS192的置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。抢答开始，主持人打开开关，计数器处于减计数状态，555产生的秒脉冲与十位74LS192借位输出端（其初始状态为高电平）相与。计数器递减计数至00，十位74LS192借位输出端为低电
18、平，计数器停止工作。计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻的抢答时间。图13 定时电路1.5抢答器整体电路通过控制电路将抢答、定时电路进行连接后，构成了抢答器电路的整体设计，总电路图如图14所示。图14 总电路图下面介绍智能竞赛抢答器的使用原理。首先是各个选手分别对应的按钮编号是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是0、1、2、3、4、5、6、7。 然后是主持人对整个电路系统进行清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，该低电平作用于两路：一路与锁存器的1R2R3R4R端相连，使输出端1Q2Q3Q4Q为低电平，1Q所输出的低电平经与门反馈给7
19、4LS148的EI端子，编码器不工作，因此抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零；另一路低电平输出到计数器74LS192的LD端，而CR端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据。接下来主持人自由设置抢答时间（例如30秒），此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端D、C、B、A的高低电平来进行。（设定30秒计时就要将十位的74LS192的D、C、B、A分别置位为0、0、1、1，而将各位的74LS192的D、C、B、A都置于0）。当主持人宣读完题目说“开始抢答”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此高电平有两路方向：一路输出到74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减计数
20、；还有一路输出到锁存器的R端。当任意一个选手抢答时，例如1号抢答时，74LS148一号端子输入低电平有效，此时GS为低电平有效，表征编码器在正常工作。编码输出A2A1A0为100，与其对应的4S3S2S为100，经74LS279锁存，4Q3Q2Q输出为001，经译码显示编号为1。与此同时，1Q所输出的高电平反馈回编码器的是能输入端，使其停止工作。此时，其他选手若再按动按钮也无对应输出，这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。另一路，74LS148的GS端输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得无脉冲抵达计数器74LS192的减计数端端，计数器停止工作，保持原来显示不
21、变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能。若没有选手按动按钮，则74LS279输出全为高电平，74LS148也输出高电平，1Q端输出低电平至74LS48的灭灯输入RI/RBO端，使得信号经74LS48到显示器上时无显示；若到定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，十位74LS192的借位输出端输出高电平反馈回个位，停止计数。综上所述，所设计的电路基本可以实现要求中的功能。2电路仿真Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然
22、目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和M
23、PLAB等多种编译器。此次电路仿真采用Protues仿真软件进行。Protues软件可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件；可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪信号发生器、交直流电压表电流表等。因此，选用该软件对抢答器各单元电路及整体电路进行仿真。2.1抢答电路仿真图15 抢答电路仿真2.2整体电路仿真图16 整体电路仿真通过对各单元电路及总电路的仿真，验证了设计电路的正确性。2.3仿真中出现的问题在仿真中，刚开始出不来结果，经查验后发现是由于参数没有设置的原因。555计数器的参数设置不正确，不仅影响整个电路功能的实现，而且计时器的工作状态也改变的很缓慢，不方便
24、观察出结果。另外，对软件及不熟悉，也耽误了一些时间。3智能抢答器实物制作中出现的问题 我们这次做的八路抢答器是安装在面包板上的。在安装电路之前要仔细的检查一下面包板的导通状态。也许在面包板的插孔里面留下硬线的铁丝。或者有的2个孔之间不能导通的倒通了。在安装元件之前都要把这些问题排除掉。要不然在调试的时候很难找到问题的出错点。在安装的时候要小心不要把二极管的正反接错了。要不然在数码管就不能显示正常的数字。有时候连数码管都不亮。在布线的时候也要注意，铁丝不能插的太深，也不能搭高架桥似的，因为这些细节的出错往往很难找到错的原因。在实物的制作中，屡屡遇到问题，后来总结发现是由于面包板的老化，还有芯片管
25、脚，芯片功能缺失等所产生的问题。最终，通过各种检验途径，发现了问题，并克服了障碍，做出来了可实现功能的实物。4总结在设计之前，参考了许多相关的资料。在设计中又参考了以前讲过的四路抢答器的原理图，有了基本的思路。但在真正开始着手设计时，又出现了许多未预料到的问题，例如元件的选择。在选择编码器时，是采用普通编码器还是优先编码器。普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号。所以选择了优先编码器。但是74LS系列中众多不同管脚的类型，选择哪个作编码器。经过查找，选择了74LS148，因为想用数字的形式显示抢答者的编号，所以选择了数码显示管，但数码显示管不能直接，数码显示管需要由TTL或CMOS集成电
26、路驱动，所以在TTL还是CMOS集成电路上又进行了比较和选择。最后选择了数显译码器，用它将输出的二进制代码译成相对应的高、低信号，用其作为数码显示管的驱动信号，数码显示管显示出相对应的选手编号。在定时电路中，根据设计需要选择了555定时器。 通过这次抢答器的设计，我发现了以往学习中的许多不足，也让我掌握了以往许多掌握的不太牢的知识，感觉学到了很多东西。两周的课程设计，我印象最深的就是要设计一个成功的电路，必须要有耐心。理论和实际的差距是很大的。在整个电路的安装调试的过程中，花费时间最多的是各个元件电路的连接，电路的细节设计以及连完线路后的检查工作上，其中在连接电路是出现问题比较多。在这次过程中
27、，我深刻的体会到在设计过程中，过程很可能相当的烦琐，需要很大的耐心，有时花很长时间检查电路故障，分析原因，那时心中就有点灰心，有时还特别想放弃，此时更需要静下心来，更仔细的查找原因。 总之，这次实验过程中我受益匪浅。这次课程设计培养了我的设计思维，增加了动手操作的能力。更让我体会到实现电路功能喜悦，我还学会如何运用软件Protues仿真进行仿真，以及如何使用面包板进行实物制作。相信在以后的学习中会活用到这次学到的知识。参考文献1孙梅生.电子技术基础课程设计.北京:高等教育出版社2康华光.电子技术基础数字部分.北京:高等教育出版社第五版3李士雄,丁康源.数字集成电子技术教程.北京:高等教育出版社
28、，20034胡 锦.数字电路与逻辑设计.北京：高等教育出版社5阎 石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社 附录 元器件清单下表为八路智能竞赛抢答器整体图所生成的元器件清单。各芯片的引脚图、逻辑功能、真值表等均在前有相应介绍。表6 元器件清单Resistors9 R1-R9 10k 1 R10 15k 1 R11 68k 1 R12 1k Capacitors1 C1 100n 1 C2 10u Integrated Circuits3 U1-U3 74LS48 1 U4 74LS279 2 U5, U6 74LS192 1 U7 74LS148 1 U8 74LS00 1 U9 74LS11 1 U10 555 Diodes1 D1 LED Miscellaneous8 SW1-SW8 SW-SPST 1 SW9 SW-SPDT
