数电电子技术课程设计之四路抢答器倒计时

集美大学诚毅学院

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数字电子技术课程设计

题 目：四路智力竞赛抢答器 专 业 班 级：机电**91 学 号：2012******25 姓 名：陈志真

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二〇一四年六月

数字电子技术课程设计报告

一、设计任务

1.1要求设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器并具有定时抢答功能。

1.1.1抢答器：能分辨出选手按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，并可通过显示译码器准确的显示出来；同时，要求其他选手按钮操作无效即避免其他选手再次抢答；开始抢答和清零由主持人控制。

1.1.2定时器：时钟脉冲由555多谐震荡器提供；通过主持人控制开始倒计时，定时抢答器可从9~0；可控制定时器停止工作，显示译码器上显示的是剩余时间，并可以保持到主持人清零位置；

1.1.3整体电路：主持人拨动开关，抢答器可以进行抢答，定时器开始倒计时；某一选手抢答后，抢答器显示选手编号，定时器停止计时，这时其他选手无法进行抢答，抢答器和定时器停止工作一直保持到主持人清零为止；主持人清零后，系统恢复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答，当定时时间到后，却没有选手抢答时，禁止选手超时后抢答。

二、 设计要求

2.1基本功能

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2.1.1抢答器同时供4名选手或4个代表队比赛，分别用4个按钮S0 ~ S3表示。

2.1.2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。用来控制系统清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。

2.1.3抢答器具有锁存与显示功能。即抢答开始后，选手按动按钮，锁存相应的编号，并在编号显示器上显示该编号。同时封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。 2.2扩展功能

2.2.1抢答器具有定时抢答功能。要求定时器开始倒计时，并用定时显示器显示倒计时时间，同时扬声器发出音响，音响持续0.5秒。

2.2.2参赛选手在设定时间（9秒）内抢答，抢答有效，扬声器发出音响，音响持续0.5秒，同时定时器停止倒计时，编号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。

2.2.3如果定时抢答时间已到，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0.5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 。

三、系统设计 3.1设计方案

选定设计方案，先列出总体框图，分模块设计。分模块电路设计、功能测试完成后，再把各个组成部分整体测试。先在multisim上仿真，验证原理图的正确性，

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再在面包板上做出抢答器实物。

3.2系统设计原理

3.2.1抢答器的组成框图

定时抢答器的总体框图如图1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。

图1 抢答电路

图1所示的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

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“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，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： ① 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；

② 扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；

③ 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； ④ 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清零为止。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。

主体电路抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路显示电路主持人控制开关控制电路报警电路扩展电路秒脉冲产生电路定时电路译码电路显示电路 图1 定时抢答器总体框图

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3.3单元电路设计

3.3.1、抢答电路设计

抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的先后，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。 选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能。

查看优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279的功能表和引脚图等使用资料。也可以选用其他的器件完成此功能。

工作过程：开关S置于\"清除\"端时，RS触发器的 端均为０，４个触发器输出置０，使74LS148的 ＝０，使之处于工作状态。当开关S置于\"开始\"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出 经RS锁存后，1Q=1, =1,74LS48处于工作状态，４Q３Q２Q=101,经译码显示为\"５\"。此外，1Ｑ＝１，使74LS148 ＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的 此时由于仍为１Ｑ＝１，使 ＝１，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将Ｓ开关重新置“清除”，然后再进行下一轮抢答。

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4RS触发器74LS279管脚图

4RS触发器74LS279 功能表

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3.3.2、定时电路设计

节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，可以选用十进制同步加/减计数器74LSl92进行设计，计数器

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图2 可预置时间的定时电路

的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。

查看十进制同步加/减计数器74LSl92的功能表和引脚图等使用资料。

同步十进制可逆计数器74LS192

3.3.3脉冲产生电路：该电路是由555定时器构成的多谐振荡器，使其产生需要的方波作

为触发器和计数器的CP脉冲。

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VCC5VXSC1R14RST7R3625CONC1C31uFDISTHRTRIVCC8U1ABGTOUT3GND1555_VIRTUAL

图 3 脉冲产生电路

3.3.4、报警电路设计

由555定时器和三极管构成的报警电路如图3所示。其中555构成多谐振荡器， 振荡频率

fo11.43

(R12R2)Cln2(R12R2)C.

. VCC5VR51.0kohmVCC8R115kohm4RST76DISTHRTRI5CONGND13OUTVCC5VXSC1GU1Q12N1711ABTR4510ohmC2R3R268kohmU22100uF510ohm100HzC10.1uF555_VIRTUAL 图4 报警电路

3.3.5、抢答器控制电路设计

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：

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。

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。

图6时序控制电路

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VCC5VVCC5VR115kohm4RST76DISTHRTRI5CONGND13OUTVCC8LED1LED_redXSC1GABTU1R268kohm2C110uFC20.1uF555_VIRTUAL

3.3.6器件管脚图

七段数码管脚图

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3.3.7读出电阻阻值

（1）色环标志法

表2.1.2 色环的基本色码及意义

色别 第一环 第一位数 棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑 金 银 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 —— —— 第二环 第二位数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 —— —— 第三环 第三位数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 —— —— 第四环 应乘倍率 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 -2-10987654321第五环 精度 F±1% G±2% —— —— D±0.5% C±0.2% B±0.1% —— —— K±10% J±5% K±10% 色环标志法用各种颜色的色环，环绕在电阻器表面，有五色环和四色环等形式，其各道色环的含义表2.1.2所示。

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（2）文字符号直标法

①标称电阻 电阻单位：Ω（欧）、KΩ（千欧）、MΩ（兆欧）、GΩ（吉欧）、TΩ（太欧），其数量关系为：K=10、M=10、G=10、T=10。

遇到小数时，常以Ω、K、M取代小数点，例如：0.5Ω可标为Ω5，5.1KΩ可以标为5K1。 ②精度 精度也可以用不同的字母表示，如表2.1.3所示。

表2.1.3 字母表示精度的含义

% 符号 % 符号 ±.001% E ±0.2% C ±0.002% X ±0.5% D ±0.005% Y ±1% F ±0.01% H ±2% G ±0.02% U ±5% J ±0.05% W ±10% K ±0.1% B ±20% M 3

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9

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四、软件仿真 4.1仿真电路

4.1.1四路抢答器

4.1.2倒计时

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4.1.3整体电路

4.2仿真结果

按照原理图进行电路仿真测试，仿真正常，没有出现什么错误问题，只是数码管倒计时部分速度稍微快了一点，估计是电容的问题，换了下其它值的电容，也就

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正常了。

五、安装调试 5.1安装调试结果

5.1.1先按照抢答器电路仿真图连接面包板，并对电路的性能及波形进行测试，发现抢答器不具有抢答功能，首先先排查电路，确认电路连接是否有问题，检查了下发现二输入四与非门芯片74LS00P忘记接电源和接地线了，从新连接好，继续调试电路，问题又出现了，抢答器只有0和1能抢答且具有锁存功能，但是2和3能抢答却不能锁存，就猜测是4RS触发器74LS279出现问题，用万用表检查芯片，发现芯片连接部分断路了，从新换了下芯片，抢答器功能正常。 5.1.2再按照倒计时电路仿真图连接面包板，并对电路的性能及波形进行测试，看倒计时功能是否能实现，一经调试，发现倒计时不能正常实现，检查了下电路，发现电路仿真只能显示9却不能倒计时，首先数码管能显示9证明数码管可能不在影响范围之内，然后检查了下同步十进制加减法74LS192芯片是否正常，用万用表检查发现没有问题，检查了下三输入四与非门芯片74LS10P的连接，与仿真电路图比较发现仿真三输入与非门电路还得经过一次二输入四与非门芯片74LS00P功能方能实现，从新连接好电路，倒计时能实现从9～0倒计时，功能正常实现。

5.1.3按照仿真电路连接整体电路，并对性能进行测试，通过上面的一系列问题出现和排查、解决，整体电路一连接好也就能实现设计所要求的抢答—倒计时功能了。

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5.2故障分析

5.2.1抢答器电路

首先你得看下电路的功能是在抢答器部分出现问题还是倒计时出现问题，然后根据出现德具体问题进行电路测试，比如说：如果是数码管显示不缺的话，你先看下数码管电路连接是否正确，地线是否都有接，还有就是数码管连接是否齐全，看是否有的管脚没有连接，都没问题就用数字万用表检查看是否数码管坏掉，都没问题的话就考虑74LS48优先译码器是否正常，确认无误后考虑编码器74LS148编码是否正常工作，如果不能锁存的话，那么就考虑4RS触发器74LS279连接及芯片是否正常。 5.2.2倒计时电路

首先也是看下数码管的显示，看是哪里出现问题，数码管及74LS148的检测和抢答器的一样，然后看下数码管是否能倒计时，如果不能的话，可能是同步十进制加减法74LS192芯片的问题，看电源、地线是否连接及管脚是否正常，特别是CR切记记得接地，然后要是没问题的话就可能是二输入四与非门74LS00P的问题，还是先看下电源、地线是否连接，然后检查管脚、电路连接是否有误，还有就是555的电路连接。 5.2.3整体电路

整体电路连接基本上全面抢答器、倒计时连接没有错误的话这边问题也较少，主要记得倒计时和抢答器的连接部分74LS00P与74LS10P连接部分好好看下连接问题，特别是记得74LS10P接线后还有还得经过74LS00P与非门电路，这些也就是

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连接电路会出现德基本电路问题了。

六、心得体会

经过这次课程设计的学习，我确实学习了很多知识，真正的感受到了理论联系实际的重要性，以及这之间莫大区别，到最后看着自己的结果心里还是感到很欣慰的。首先摆在我们面前的是要先弄懂所要设计电路的原理，于是最开始我们在拿到题目之后就查找了大量的相关的资料，再加上平时理论课的学习以及充分利用了网络资源和在图书馆借了相关的书籍资料，在仔细分析了这个题目所要达到的目的之后。接下来的是单元电路的设计，以及进一步的分析其原理，实现哪些功能需要哪些电路，在此之间我们用到了以前没有用到过的芯片，但最终我们还是弄清楚了其原理。经过几天的与大家的一起讨论，做种确定好了符合要求的电路。看似很复杂的电路就这样被我们攻克了。接下来的是实验的仿真，这阶段刚开始以为原理图都设计好了，那就应该很简单了，首先是确定用何种软件，接下来碰到的问题是虽然是按着原理图来接线画的，可就是达不到期望的结果，经过了N次的摸索最终还是解决了，对照设计的原理图，发现仿真的图形与设计的有小小的出入，总之最后总算达到了目的，心里很是高兴。在原理图设计和电路仿真完成后就是焊接电路板了，我认为这个阶段很好的锻炼了我们的动手能力。由于之前的电工实习让我简单的接触到了焊接实物，以为会比较轻松，但实际焊接起来才发现此次与电工实习中的焊接实物有很大的不同，首先要自己对焊板上元件进行布置和焊接电路元件连线，增加了很大的难度。由于采用了电路板，为了使步线美观、简洁，还真是费了我们不少精力，经过不断的修改与讨论，虽然

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做出来的板子不太令人满意，但也是我们自己一步一步做出来的。在这次课程设计过程中，我发现给我留下了很深的印象。由于没有接触，开始学得很费力，但到后来就好了。在每次的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是问别人，因为每个人掌握情况不一样，不可能做到处处都懂，发挥群众的力量，复杂的事情就会变得很简单。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就已遇到，向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。通过这次课程设计，我明白了学会与大家合作的重要性，因为从开始到最后，都是大家一起出主意，一起来解决中间出现的各种问题。从原理图的最终确定，到波形的仿真，再到元器件的选择与购买，到最后实物的焊接与调试，这都是大家分工合作的结果，正是因为大家相互配合，才使我们很快的完成了任务。经过这些天的学习我深刻的体会到实际与理论有很大的区别。在我们学习的过程中，不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。特别是在仿真过程中对参数的改进和电路图的查找过程中，我深有体会。我认为这次实习不仅仅学习了软件知识，还提高了我们专业素质。作为一个机械电子工程专业的学生，我深知课程设计的重要性。这次课程设计我从刚开始的什么都不懂不会，到现在的基本了解了一个电路元件是如何构成的，完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了数电的知识及相关专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。实践是检验真理的唯一标准。理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。这将有助于我今后更加明确学习的方向，可认识到自己的不足，确定自己的目标，从而更加努力的学习。只有这样我们才能真正的去掌握它，真正的去运用它。虽

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然只是初步学会了数字抢答器的设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，因为我有学到了课本以外的很多知识，还锻炼了自己的动手能力。作为一个机械电子工程专业的学生，我深刻体会到课程设计的重要性我以后会更加注重这方面能力的培养，在学习好理论知识的同时加强时间能力。

七、电路图

面包板抢答--倒计时

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