课程设计 智力竞赛抢答器

  学 生 课 程 设 计 报 告

           课程名称：  电工与电子课程设计  

           院    别：      机电学院        

          专    业：机械设计制造及其自动化

          班    级：                

          姓    名：                

          学    号：         

          指导教师：        姚屏          

 教务处制

  二0一一年 1 月 7 日        

课程名称：电工与电子课程设计     课程代码：    09401716      

实训周数：       1               学    分：       1          

实训单位：   机电学院            实训地点：     校内            

实训时间：2011.1.4-2011.1.7 

目录

摘要..............................................................3

第一章 设计任务及功能要求...................................................................................3

1.1基本功能...............................................................................................................3

1.2扩展功能...............................................................................................................3

第二章方案论证与系统框图.....................................................................................3

2.1设计方案论证 .....................................................................................................3

2.2系统组成框图.......................................................................................................4

第三章  单元电路的设计.........................................................................................5

3.1 抢答器电路设计.................................................................................................5

3.2定时电路的设计...................................................................................................6

3.3报警电路的设计...................................................................................................7

3.4时序控制电路设计...............................................................................................7

3.5设计原理..............................................................................................................8

3.6相关参数.............................................................................................................8

第4章 可调试稳压电源设计..................................................................................8

4.1设计的原理框图..................................................................................................8

4.2系统方案设计......................................................................................................9

第五章 主要元器件说明.........................................................................................11

5.1    74LS48.........................................................................................................,11

5.2    74LS192.......................................................................................................11

5.3    74LS148.......................................................................................................12

5.4    74LS279.......................................................................................................12

5.5    74LSI21........................................................................................................13

5.6    NE555...........................................................................................................13

5.7    发光二极管.................................................................................................,14

第六章功能说明与优缺点......................................................................................15

6.1功能说明............................................................................................................15

6.2设计优缺点........................................................................................................15

6.3元件清单............................................................................................................15

第七章  课程设计心得..........................................................................................16

说明.....................................................................................................................................................17

参考文献............................................................................................................................................17

抢答器电路总图（附表）.......................................................................................18

摘要

 这是一种采用数字电路设计的数码显示八路抢答器。它包含基本功能和扩展功能，其中优先编码电路、锁存器、译码电路将电路的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。

【关键字】 八路 抢答器 定时 报警 时序控制

第一章 设计任务及功能要求

1.1基本功能

（1） 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。

    （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。

    （3） 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

1.2扩展功能

（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。

（2） 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

（3） 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。

第二章方案论证与系统框图

2.1 设计方案论证 

方案一：可以用单片机来完成，它的功能强大制作简单，并且外围的元件也很少；

方案二：可以用PLC来实现，他的制作也是比较简单；

方案三：用我们学过的EDA技术来制作；

方案四：用数字电路来实现，它的原理比较简单，集成块的价格也比较便宜且很容易购买，与我们学完的《数字电路》联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义，用了一些成型电路，如NE555标准秒脉冲电路等，使总体方案易于实现。本设计采用的是数字电路。

最终方案：经过综合论证，本设计采用方案四的数字电路。

2.2系统组成框图

如图所示为总体方框图。其工作原理为：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?quot;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。

图1—系统组成框图

第三章  单元电路的设计

3.1 抢答器电路设计

参考电路如图所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。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?quot;清除"然后再进行下一轮抢答。74LS148为８线－３线优先编码器，表11、1为其功能表。

图二——抢答电路

: 

3.2定时电路的设计：

由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，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路如上图所示。

图三——定时电路

3.3报警电路的设计：

由555定时器和三极管构成的报警电路如图11、4所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。

图四——报警电路

3.4时序控制电路设计

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：

  3.4.1、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人正常抢答工作状态。 

  3.4.2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。  3.4.3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。

图五——时序控制电路

3.5设计原理：

根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如上图所示。图中，门G1 的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端 。图11、4的工作原理是：主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图11、2中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD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，门G2的输出 =0，使 74LS148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，1Q＝1，经 G3反相， A＝0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，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， =1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时， 门G1处于关门状态，封锁 CP信号，使定时电路保持00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。

3.6相关参数：

发声延时0.5秒，权衡考虑到元器件的成本和74LSI21的相关性质，最终选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF.

整机电路的设计通过上面个单元电路的设计，可以画出设计的八路抢答器的整机电路，如附页所示，

第5章 可调试稳压电源设计

4.1设计的原理框图

稳压

滤波

变压

整流

亅    

图六—工作原理图

4.2系统方案设计

    将220V的市电经电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压可调电路转换成可调的直流稳压电源。下图是可调式稳压电源的电路，图中D5是稳压管，V1是取样管，V2是放大管，V3是调整输出管。调节可变电阻R7，就可在很宽的范围内调整输出电压。它的稳压原理是这样的：当旋转R7选择了某一输出电压后，假如因某种原因，U0下降，由于R5、R7、R6的分压作用，V1的基极电位也下降，而它的e极电位是稳定的（稳压管D5作用所致），这样Ube 就变小，从而引起V2基极电位上升，进而导致V3的Ube 增大，这时Uce减小，使得U0上升，达到了稳压的目的。反之，如果U0有上升趋势，情况就会产生与上述过程相反的变化，也能达到稳压的目的。具体设计如下：

图七—稳压电源电路图

    4.2.1  T1为电源变压器，由于所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要电源电压器降压后，在对交流电压进行处理。电源变压器的副边电压有效值将决定后面电路的需要，所以在此应选择输出电压为15V的电源变压器。

   4.2.2  D1—D4是桥式整流二极管，其由四支二极管组成，构成原则就是保证在变压器副边电压的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。

4.2.3 工作原理：如下图，当u2为正半周时，电流由A点流出，经D1、RL、D3流入B点，图中箭头所示，因而负载电阻RL上的电压等于变压器副边电压，即u0=u2，D2和D4管承受的反向电压为-u2。当u2为负半周时，电流由B点流出，经D2、RL、D4流入A点，负载电阻RL上的电压等于-u2，即u0=-u2，D1、D3承受的反向电压为u2。这样D1、D3和D2、D4两对二极管交替导通，致使负载电阻RL上在u2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变。

    4.2.4 整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流成分，不能适应于大多数电子设备的需求。因此采用电容滤波，在整流电路的输出端并联一个电容C1即构成电容滤波电路。滤波电容容量较大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑，电路图如下：

4.2.5  滤波原理：当变压器副边电压u2处于正半轴并且数值大于电容两端电压uC时，二极管D1、D3导通，电路一路流经负载电阻ＲＬ，另一路对电容Ｃ充电。因此在理想情况下，变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压uC（uL）与u2相等,见下图中曲线ab段。当u2上升到峰值后开始下降，电容通过负载电阻RL放电，其电压uC也开始下降，趋势与u2基本相同，见图中的bc段。但是由于电容按指数规律放电，所以当u2下降到一定数值后，uC的下降速度小于u2的下降速度，使uC大于u2从而导致D1、D3反向偏置而变为截止。此后电容C继续通过RL放电，uC按指数规律缓慢下降，见图中cd段。

当u2的负半周幅值变化到恰好大于uC时，D2、D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，uC上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时，D2、D4变为截止，C对RL放电，uC按指数规律下降，放电到一定数值时，D1、D3变为导通，重复上述过程。

第五章 主要元器件说明

5.1  74LS48

   74LS48是输出高电平有效的中规模集成BCD七段显示译码驱动器，它的简图和脚管引线图如右图所示。

图八——74LS48

5.2    74LS192

 它具有以下几个功能：

（1）异步清零：CR=1，   Q3Q2Q1Q0=0000

（2）异步置数：CR=0，   LD=0,   Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0

 (3)保持：CR=0 ， LD=1， CPU=CPD， Q3Q2Q1Q0保持原态

（4）加计数：CR=0 ， LD=1， CPU=CP， CPD=1  Q3Q2Q1Q0按加法规律计算。

（5）减计数：CR=0 ， LD=1， CPU=1， CPD=CP，按减法规律计算。

图九——74LS92

5.3   74LS148

74LS148是8:3线优先编码器，它允许多个输入信号同时有效，但只对一个优先级最高的输入信号进行编码。

图十——74LS48

5.4 74LS279

以TTL集成触发器74LS279为例，其逻辑符号如图（a）所示。每片74LS279中包含四个的用与非门组成的基本RS触发器。其中第一个和第三个触发器各有两个R输入端（S1和S3），在任一输入端上加入低电平均能将触发装置1；每个触发器只有一个R端入端（R）。图（b）为第一个触发器的逻辑电路。

图十二——74LS279

74LS279集成电路

R=1,S=0时，Qn+1=1,触发器置1状态

R=0,S=1时，Qn+1=0,触发器置0状态

R=1,S=1时，Qn+1=Qn,触发器保持原来状态

R=0,S=0时，触发器状态不稳（不允许这种输入存在）

5.5   74LSI21

TTL集成器件74I21是一种不可重复触发集成单稳态触发器

关于定时：单稳态电路的定时取决于定时电阻定时电容的数值。74I21的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。若输出脉宽较宽，二采用电解电容时，电容C的正极连接在C输出端（10脚）。    对于定值电阻，使用者可以有两种选择：

（1）采用内部定时电阻（2K），此时9号引脚接至电源VCC（14脚）。

（2）采用外部定时电阻（阻值在1.4—40K之间），此时9脚应悬空，电阻接在11、14脚之间。74I21的输出脉冲宽度T=0.7RC。

该式中R可以是外接电阻，也可以是芯片内部电阻，如希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。

图十三—74LSI21

5.6  NE555

NE555时基电路封形式有两种，一是DIP双列直插8脚封装，另一种是SOP-8小型（SMD）封装形式。其他HA17555、LM555、CA555分属不同的公司生产的产品。内部结构和工作原理都相同。NE555属于CMOS工艺制造，下面我们将对其进行介绍。

    图1是NE555的外形图，图2是它的内部功能原理框图，图3是它的内部等效电路。NE555的内部中心电路是三极管Q15和Q17加正反馈组成的RS触发器。输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1，复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。输出端为F，另外还有集电极开路的放电管DIS。它们控制的优先权是R、T、TH。

图十五 ——NE555的封装形式

5.7  发光二极管

  发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 

第六章 功能说明与优缺点

6.1功能说明

 上面介绍了简单逻辑数字电路抢答器的设计及工作原理，以及它的实际用途。该设备能完成第一章中的所有基本功能和扩展功能。

6.2设计优缺点

5.2.1优点：（1）操作简单，方便。

      （2）价格便宜，经济实用。

5.2.2缺点：（1）无法较好防止违规抢答，即主持人在读题时如果有选手提前抢答造成违规，但设备无法显示是哪位选手违规抢答。

6.3元件清单

俗话说：“万事开头难”，刚开始听到老师说课程设计搞智力抢答器的时候，我感觉头好像一下子蒙了。对于最基本的芯片都还不怎么了解我们来说，要想凭借自己的力量把综合性较强的抢答器设计出来是比较困难的。但作为学工科的我们来说，不论再难，实践是必不可少的，毕竟求索科学的道路注定是充满艰辛的。

可能是每个人都感觉到了压力的重大，刚下完课，我匆匆跑去图书馆借书时，已经有很多同学在那里了。好多有关这方面的书都已经被抢借一空，几乎每个人都抱着5、6本书才肯离开。生怕漏下了一丁点有用的东西。在接下来的几天里，我们便全身心投入了这个课程之中，把好些自己从未听过的芯片认真研究，经过几个昼夜的奋斗，果然功夫不负有心人，我最终完成了我的设计方案。

经过这次课程设计，我的收获还真是不小的。首先，我第一次深深理解到了实践的重要性，因为就在此次的设计中，通过对芯片和电路工作原理的研究，感觉好多以前书本上看起来那么抽象的东西变得是那么的简单，以前看起来那么难以理解的东西理论，现在看起来是那么的合情合理。其次，我深深体会到了学海无涯，知识是永远都学不完的，我们看似读了十几年的书，但当真正到了应用时才发觉，我们是多么的无知，感觉还有好多好多的东西我们是不懂的。真正感受到知识的重要性。

工科是一定离不开实践的，在追求素质教育的当代，仅仅有书本知识是远远不够的。所以，我希望在今后能多开展一些实践课，能有机会让我们到实验室里去结合自己的理论知识完成一些自己感兴趣的课题，制作一些自己的小发明，真正把理论运用到实践中去。

为期一周的课程设计就快要结束了，但我们追求在实践中锻炼自己的心是永远不会变的，今后我继续积极参加学校的各种科创活动，如挑战杯，积极在实践中锻炼自己。

说明

1、本课程设计所有电路图由CAD作图完成。

2、电路图详细图见CAD图文件。

参考文献

[1] 金唯香等编. 电子测试技术. 长沙：湖南大学出版社，2004年.

[2] 侯建军. 数字电路实验一体化教程. 北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005年.

[3] 阎石. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2001年.

[4]谢自美.电子线路设计·实验·测试 (第二版).上海:电子工业出版社,2001年.

[5]陈大钦.电子技术基础实验(第二版).湖北:机械工业出版社,2001年.

[6]安玉景，李雪莹.电子技术基础实验. 人民邮电出版社, 2002年.

[7]丁建伟.抢答器电路设计.兰州工业高等专科学校学报,2008年.

[8]王冬梅,张建秋.八路抢答器设计与实现. 佳木斯大学学报(自然科学版), 2009年

附图一：CAD电路总图（见CAD图文件夹）

附图二：电路总图

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教师