智能抢答器的设计与应用

附件1： 学 号：

0121211350414

课 程 设 计

题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师

智能抢答器的设计与应用

自动化学院 电气工程及其自动化

电气1204 许飞 王宏

2014 年 6 月 25 日

课程设计任务书

学生姓名： 许飞 专业班级： 电气1204 指导教师： 王宏 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８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）

（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16日~6月19日：明确课题，收集资料，方案确定 6月19日~1月21日：整体设计，硬件电路调试 6月21日~6月24日；报告撰写，交设计报告，答辩

指导教师签名： 2014年 6月 日

目录

摘要.................................................................................3 诸论 ................................................................................................................................................................. 3

1系统原理框图 .................................................................................................................................... 3 2方案设计与论证 .................................................................................................................................. 4

2.1时钟脉冲产生电路 .................................................................................................................. 4 2.2 抢答电路 1、8路抢答开关 .................................................................................................... 6 3单元电路的设计 ................................................................................................................................. 8

3.1时间脉冲产生电路的设计 ....................................................................................................... 8 3.2计数电路的设计 ...................................................................................................................... 8 3.3抢答电路的设计 ...................................................................................................................... 9 3.4报警电路的设计 .................................................................................................................... 10 3.5控制电路 ................................................................................................................................. 10 3.6电路总图 ................................................................................................................................. 11 4 仿真结果及分析 ................................................................................................................................ 12

4.1 时钟脉冲的仿真 .................................................................................................................... 12 4.2抢答电路的仿真 ..................................................................................................................... 12 4.3定时电路的仿真 ..................................................................................................................... 13

5结束语 ........................................................................................................................................................ 13 6参考文献 ................................................................................................................................................... 14

摘要

多路智能抢答器一种以数字电路技术来实现多人抢答的装置，具有操作简单、性化、能化且公平性高的优点，在很多竞答比赛中都有用到。

本文的设计与实现是以中小规模集成电路设计多路智能抢答器的方法，它主要与数字电路挂钩，囊括了数字电路的两大电路（组合逻辑电路和时序电路）。它是由抢答电路、 定时电路、报警电路、时钟脉冲产生电路及电源电路组成。时钟脉冲采用的以555定时器构成的多谐振荡电路产生、定时电路是以74LS192为主要芯片构成的??通过EDA软件Multisim10绘制了电子电路仿真原理图，并进行仿真。

从软件仿真验、了原理设计的正确，通过硬件制作实物电路能够同时供4人抢答，并且能够准确的显示编码和及时报警，达到了设计的要求。

诸论

1系统原理框图

定时抢答器的总体框图如图1所示，其主要是对选手和主持人控制开关所控制的信号的输入进行处理。

抢答按钮 优先编码 锁存器 译码电路 显示电路

主持人 控制电路 报警电路 译码电路 定时电路 产生脉冲

（1） 显示电路：主要由LED共阴数码管对时间和选手编号进行显示；

（2） 译码电路：由74LS48对输入信号进行处理，对计数器输出的8421BCD

码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流； （3） 定时电路：由74LS192为主芯片构成，构成30进制的定时电路；

（4） 脉冲产生电路：所选用的是555定时器构成的多谐振荡器来提供时钟脉 冲；

（5） 报警电路：由时钟脉冲做激励，由定时电路和抢答电路做反馈信号，来 控制蜂鸣器的工作与断开。

显示电路 2方案设计与论证 2.1时钟脉冲产生电路

方案一：由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。

用555电路可以组成施密特触发器，利用施密特触发器的回差特性，在电路的两个输入端与地之间接入充放电电容C并在输出与输入端之间接入反馈电阻Rf，就组成了一个直接反馈式多谐振荡器，如图5(a)所示。接通电源，电路在每次翻转后的充放电过程就是它的暂稳态时间，两个暂稳态时间分别为电容的充电时间Tl和放电时间T2。T1=0.69Rfc，T2=0.69Rfc，振荡周期T=T1+T2，振荡频率f=1／T。

改变R、C的值则可改变充放电时间，即改变电路的振荡频率f。 f=1/(tpL+tpH)≈1.43/[(R1+2*R2)*C] T=1/f R1=300Ω, R2=4KΩ，C=220uF 可得到T≈1s 方案二： 门电路构成的单稳态多谐振荡器

采用TTL门电路构成的单稳态多谐振荡电路如下图所示。在G1的输入端用Rl和R2进行钳位，提高触发灵敏度。

方案三：采用CMOS门电路构成的非对称式无稳态多谐振荡器

如果把对称式多谐振荡器电路进一步简化，去掉C1和R2，在反馈环路中保留电容C2，电路仍

然没有稳定状态，只能在两个暂稳态之问往复振荡，电路如图所示

假定G2输出为1，电容C充电，在充电开始VI1也为1。因此，该电压经Rp力口到G1输入端，Gl输出为O，电路稳定工作，C继续充电。充电电流随着充电时间延长而减小，RF两端电压下降，若降到Gl的阈值电压以下，则G1输出变为1，G2输出变为0，C反向充电。随着充电的进行，VI1达到Gl的阈值电压时，G1输出变为0，G2的输出变为1，该动作重复进行而产生振荡。电容C的充放电时间分别为T1=RfC1h3，T2=RfC1n3，振荡周期T=T1+T2=2RFC1h3≈2．2 RFC，输出波形的占空比为50％。

在电路的G1输入端串接的保护电阻RP是为了减少电容C充放电过程中CMOS门电路输入保护电路承受较大的电流冲击，且Rp>>RF 。

2.2 抢答电路 1、8路抢答开关

为8位选手提供抢答的按键，应为8个按钮开关，这样可以在松开按钮后及时复位，为下次抢答作好准备。但为节约经费和简化设计，用逻辑电平开关代替，根据要求，设初始值全为“1”，当有选手抢答时，即将开关拨至“0”时，选通。 2、优先编码器

①CD4532 这是我们学过比较熟悉的一个芯片，CD4532输入输出都是以高电平为有效电平，优先级依次为I7，I6，?I1。还有一个输入使能端EI和一个输出使能端EO，以及优先编码工作状态标志GS。

当EI=1时，编码器工作；而当EI=0时，禁止编码器工作，无论输入为多少，输出端均为低电平，GS和EO也为低电平。GS是表明芯片在工作。

②74ls148 （8-3优先编码器）在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上编码信号。不过在设计优先编码器时，已经将所有的输入信号按优先顺序排了队。在同时存在两个或两个以上输入信号时，优先编码器只按优先级高的输入信号编码，优先级低的信号则不起作用。

引脚图

74148优先编码器为16脚的集成芯片，除电源脚VCC(16)和GND(8)外，其余输入、输出脚的作用和脚号如图中所标。其中I0—I7为输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端 由74148真值表可列输出逻辑方程为

A2 = (I4+I5+I6+I7)·EI A1 = (I2I4I5+I3I4I5+I6+7) ·EI A0 = (I1I2I4I6+I3I4I6+I5I6+I7) ·EI

使能输出端OE的逻辑方程为；OE =I0·I1·I2·I3·I4·I5·67·EI 当使能输入EI=1时，禁止编码、输出(反码)： A2,A1,A0为全高电平。 当使能输入EI=0时，允许编码，在I0～I7输入中，输入I7优先级最高，其余依次为：I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0等级排列。

扩展片优先编码输出端GS的逻辑方程为：GS = (I0+I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7)·EI GS = 0表示“电路工作，而且有编码输入” 功能表为；

3单元电路的设计

3.1时间脉冲产生电路的设计

由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。（如上图）可得到几乎接近1HZ的信号。

3.2计数电路的设计

该电路主要是对选手抢答的时间进行限制，可根据实际情况来设定。我们设定的有效抢答时间是5S，且是10进制的减法器，这样更加具有人性化，能使选手客观的感觉到剩余的时间是多少。我们选用的是74LS190芯片。电路图如下：

3.3抢答电路的设计

该电路主要是对抢答时选手的信息（编号）进行锁存和显示。主要电路图如下图

该电路主要是以优先编码器74LS148为主芯片，因为148的输入是低电平有效，所以以开关和接地端串联、电源和限流电阻串联，在两者并联即可。这样主要是为了方便主持人的清零操作。再

148的输出端以四路锁存器74LS279进行锁存，然后通过74LS48进行译码操作即可在数码管上显示。

该电路主要是以优先编码器74LS148为主芯片，因为148的输入是低电平有效，所以以开关和接地端串联、电源和限流电阻串联，在两者并联即可。这样主要是为了方便主持人的清零操作。再把148的输出端以四路锁存器74LS279进行锁存，然后通过74LS48进行译码操作即可在数码管上显示。

3.4报警电路的设计

报警电路的设计主要是为了提醒主持人和选手此刻不能抢答。即当过了有效时间和有人抢答的时候，报警电路就会产生光电和声音报警，从而提示选手和主持人。报警电路主要以发光二极管和蜂鸣器组成。

3.5控制电路

3.6电路总图

4 仿真结果及分析 4.1 时钟脉冲的仿真

时间间隔大约为1s，但占空比不为0.5.这对电路整体没有影响，我们只需要1s的脉冲就可以，所以可以通过。

4.2抢答电路的仿真

4.3定时电路的仿真

4.5仿真的结果和分析

经过对四种主电路的仿真，电路可以基本实现设计的要求。并且可以很简单明了的实现抢答器的功能，如： 1、抢答具有数据锁存功能，选手抢答后可以卦锁整个电路，直到主持人重新置数。

2、抢答后或是计数到零会有报警和卦锁整个电路，选手不能作答。 3可以显示是哪个选手抢先取得资格作答。 但值得注意的是这个抢答器可以说是完全不成功的，其原因有以下几点： ① 我们要求时间可以由主持人自行设定，可我们为了省时省力，没有接入

开关，按想法是可以一个四位单刀开关，可以用高低电平来设定时间，我们没有。而要如现实中一样用1～4的数来设定，就还要一个编码和译码器，这个没做到。

② 在我们做的这个中，主持人设定时间时，还有报警，这样会对选手产生 误导。

③ 报警要求是短暂报警，可我们是用时钟脉冲作激励，没有设定控制电路

来控制脉冲产生，所以不能达到发出短暂（0.5s左右）报警的要求。 ④ 抢答器中选手编号为1、2、3、4而显示的是从0～3，与

现实不符（我们当初设计了加1，用74ls83，可书上还没要求，省掉了）。

5结束语

1.设计

这次假期实习是我们初次根据自己所需的内容来设计属于自己的电路，这对于我们来说有一定的难度，所以在最开始的时候无从下手。我们通过上网查阅整理资料，慢慢理清思路并开始进行设计。做抢答电路是我从选了74ls148后用用高低电平一个一个测看输出是否和我先前计算的一样，同时可以熟悉这一块芯片，如些到整个作品完成。在开始选择了138这块芯片做但后面遇到问题（验证电路上有分析）放弃了。在这个设计中第一次用到数码管这个器材，在没有对其充分了解的情况下就用了，但一直没有结果（没显示）直到上课听到老师说数码管有共阴、共阳之分，要求接地或接电源。定时电路由禹龙设计的，他从网上了解到用74ls192,我把各个芯片的资料从网上找到后，选择了高低位，知道进位与信号输入及输出后轻松搞定。对于时钟脉冲产生器的设计，因为有了上学期555的学习，通过参考8.4.4节-用555定时器组成的多谐振荡器，很快设计出来，但在检测时放在仿真中并不是1s，这一问题还是通过多次实验测出。整体的控制中，因为熟悉了芯片还是比较容易出来。如对抢答器的锁存，可以通过74ls148的使能端EI来控制，最后计数到零后74ls190的进位端是输出高电平，而148使能端要EI=0时充许输入，所以加一个非门。 不过在这部分我们遇到了一些问题，190这种芯片已经停产，我们无法购买到产品，因此我们用192芯片来代替，但发现功能行有所不同，因此我们再这部分上花了很多的时间。

2.连线

这次连线是一个相当大的工程，面包线记起来超过了200根，因此在连接上给我们很大的难度，不过最后

通过我们几个人的努力终于连接好电路。

6参考文献

1 《数字电子技术基础》康华光 主编 高等教育出版社 。

2 《数字电子技术试验与综合培训》邱寄帆 唐程山 主编 人民邮电出版社。

本科生课程设计成绩评定表

姓 名 专业、班级 许飞 电气工程及其自动化1204班 性 别 男 课程设计题目：智能抢答器的设计与应用 课程设计答辩或质疑记录： 问题一：你们怎样产生脉冲？ 答：由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。（如上图）可得到几乎接近1HZ的信号。 问题二：你们的计时电路的工作原理是怎样的？ 答：该电路主要是对选手抢答的时间进行限制，可根据实际情况来设定。我们设定的有效抢答时间是5S，且是10进制的减法器，这样更加具有人性化，能使选手客观的感觉到剩余的时间是多少。我们选用的是74LS190芯片。 问题三：你们在实际中遇到了什么困难？ 答：我们原本的设计中用的是74LS190芯片，但是市场上这种芯片停产，因此我们不得不用类似的74LS192芯片来代替，但是这种芯片来实现我们的功能有一点的难度，主要是这种芯片多了一个清零端，让我们无从下手。 成绩评定依据： 设计方案和内容 （30分） 制作与调试 （30分） 说明书内容和 规范程度 （20分） 考 勤 （10分） （10分） 答 辩 总 分 （100分） 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

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