项目名称：三路竞赛抢答器电路的设计                                          

                班    级 ：  机电1205  

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                学    号 ： ********** 

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机 电 工 程 系

二〇一四年十一月-二〇一五年六月

课程设计任务书

题目   三路竞赛抢答器电路的设计  专业    机电一体化    

学号   **********     姓名   李逍遥

主要内容、技术要求等：

一、主要内容

1．阅读相关科技文献。

2．学习protel软件的使用。

3．学会整理和总结设计文档报告。

4．学习如何查找器件手册及相关参数。

二、技术要求

•要求电路实现抢答原理，即如果有一人比其余两人先按键，则此人获得回答权。要求说明抢答器的最小反应时间。

•要求电路设置一个按键，此按键能够起到复位的作用。

•要求电路能够通过声光的形式表明由谁获得回答权。

三、完  成  期  限： 2015年 05 月 26 日 

1、概述…………………………………………………………………  3                                                                                                 2、设计基本思路………………………………………………………………   3                                      

3、内容摘要…………………………………………………………………      3

4、总体设计及框图…………………………………………………    4

5、单元电路设计及元器件选择…………………………………………   5

6、设计过程中的问题和解决办法………………………………      9

7、设计成品的优点与不足…………………………………………   10 

8、心得体会 …………………………………………………………………   10

9、参考文献…………………………………………………………………   10

三路竞赛抢答器电路的设计 

一、概述                     

实现抢答原理，即有一人比其余两人先按键，则此人获得回答权。此抢答器有最小反应时间，并设有一个起复位作用的按键。由于主持人要看到谁获得抢答权，因此此电路还能够通过声光的形式表明由谁获得回答权。

关键词 抢答器 可调精确度 快速反应能力 设计原理 器件选择 原理图

二、设计基本思路

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。

三、内容摘要：

（一）设计任务

设计一台可供3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。

（二）设计要求

1.3名选手编号为：1，2，3。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。

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（10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（10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。

四、总体设计及框图

（一）、方案选择

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：在选手抢答前， “清除/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 输出为 1， 选通输入端 ST 为 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。但是电路较为复杂，我们只要求设计简易的三路抢答器，这个电路不适合。

方案3：采用4线-2线优先编码器实现输入的控制，其输出端接七段显示译码器7448的输入端，7448的输出即是获得回答权的选手。但中间实现选择和控制则比较麻烦。

方案4：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。

经过对比四方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案4。

（二）、总体框图

                        图1总框图

抢答器系统原理框图如上所示。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。

五、单元电路设计及元器件选择

（一）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

（二）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

（三）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

                         图四  报警电路

（四）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。 

               图五 抢答器与定时时许控制电路

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 

                   表1

5、三路抢答器总电路图 

图6  总电路图

六、设计过程中的问题和解决办法

（一）在设计方案时，遇到了信号不能锁存的问题。经过查找资料，了解如何通过D触发器的输出信号来反馈回D触发器的脉冲端来进行锁存。

（二）在仿真时遇到了555不能仿真和没仿真元件74ls121的问题。通过翻阅书本了解555如何准确使用和上网搜索74ls121的代替元件来解决。

（三）当焊完电路调试时，数码管没显示。于是对照电路图来逐一检查，发现有些管脚没接上。例如数码管的接地端没接地、74ls192的CLR脚没接地等等。

七、设计成品的优点与不足

优点：元器件较少，功能满足要求

不足：（1）在设计时，用了D触发器来进行抢答信号的筛选和锁存，在同时按下S0和S1时（其同时按下的几率较小，其可精确到微秒甚至纳秒级，但情况还是会存在的）会显示“3”，而按S2时也会显示“3”，所以显示“3”的几率大一点，但几率很小。改良：可改用编码器和锁存器来代替D触发器。

（2）电路跳线较多，使得电路板外观不好。改良：焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接。

八、心得体会 

这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74LS121、74LS48、74ls192等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一电子设计软件如：protel等，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。加上在设计过程中遇到了一些问题，使得我得查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能耐。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。所以在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。

参考文献

1、《电气控制与PLC》案例教程，胡汉文、张鑫主编

2、谢克明、夏路易、可编程控制器原理与程序设计 [M] .北京：电子工业出社，

2005.1-20.  

3、郑成、现代可编程序控制器原理及应用[M]、北京：科学出版社，1999. 

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