课程设计专用封面
设计题目： 四路数字抢答器课程设计 所修课程名称： 电子技术基础（数字部分） 修课程时间： 完成设计日期： 评阅成绩评阅意见：
评阅教师签名： 年 月 日
____ ____学院__ ___专业 姓名_ __ 学号________
………………………………（密）………………………………（封）………………………………（线）………………………………
一、设计题目：
四人智力抢答器
二、设计要求：
(1)4名选手编号为：1，2，3，4。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1，2，3，4。
(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零和抢答的开始。
(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，同时计数器显示此时的时间。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（３０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。参赛选手在设定时间（３０秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，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，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)用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。
三、题目分析：
本设计是一个数字电路设计课题，针对我们所有学的数字电路知识,为满足四组参赛队参赛的声光显示智力抢答器，我们采用７４ＨＣ７４双Ｄ触发器实现抢答电路，采用三十进制计数器实现计时电路、并由555时基电路组成。此课题的设计工作原理为：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，显示器清零，定时器显示设定时间；主持人触发“开始”按扭后，计时器开始倒计时，抢答器处于工作状态。有选手抢答时，本次抢答完成；通过对抢答信号的优先判断，然后将编号锁存、显示。当一轮抢答完之后，如果再次抢答必须由主持人再次操作“复位”开关和“开始”键。
四、方案设计与论证：
1.方案选择：
方案一：抢答电路采用７４ＨＣ７４双Ｄ触发器和基本门电路设计与制作编码回路，然后通过ＣＣ4511译码器对其进行译码显示；秒脉冲信号采用５５５定时器产生振荡脉冲而得；３０秒倒计时选用三十进制同步加减计数器74ＨＣ192实现。
方案二：抢答电路采用优先编码器７４ＬＳ１４８实现优先抢答功能，然后经ＣＣ4511译码器译码显示；秒脉冲信号由555时基电路振荡产生；３０秒倒计时器选用三十进制同步加减计数器74ＨＣ192实现。
2.方案比较：两种方案的设计原理相同。方案二锁存电路采用74LS１４８优先编码器实现，
设计原理简单，但是调试复杂，受芯片质量和外界干扰较大，方案一锁存电路由７４ＨＣ７４触发器和基本门电路控制输入的脉冲而实现，设计原理简单，但是锁存控制方面较复杂。介于本实验提供的芯片选择方案一。
3.方案论证:图1为数字抢答器系统的原理框图，它包括抢答电路、计时电路、报警电路和控制电路四个模块。抢答编码电路采用双Ｄ触发器进行触发到基本门电路（与非门）进行编码，同时将编码发送到译码器译码显示抢答者编号；其次将输入译码器的信号经过处理去控制输入Ｄ触发器的ＣＰ从而禁止其他选手进行无效操作，选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号优先编码输出，一直保持到主持人将系统清除为止。倒计时电路采用三十进制同步加减计数器74LS192，将其工作于减计数器。秒脉冲和报警电路采用555组成的多谐振荡器振荡电路产生。控制电路采用基本的门电路组合而成。
图1
系统原理图
五、具体实现
1.抢答电路设计
如表1所示为74HC74的逻辑功能表
表1 74HC74逻辑功能表
输入 输出
SD RD
CP D Q Q L H X X H L H L X X L H L L X X H H H H ↑ L L H H H
↑
H
H
L
抢答按钮
基本门电路
译码器
译码显示
控制电路
控制开关
报警电路
倒计时计数器
脉冲
信号
译码器
译码显示
根据以上的逻辑功能表，可以看出，只有当SD 、RD 两个端子为高电平的时候74HC74才有效。当SD 、RD 有一个为高电平，一个为低电平的时候，它的输出端就有一个为高电平，一个为低电平，在这个设计中，由于所取的是Q 端，故考虑将RD 端接一个控制开关(主持人)，当主持人按下这个开关的时候，就达到了清零的效果。下图2所示为本设计中的抢答器的主体电路。
在下图的电路中，四个抢答端从S1—S4，分别对应四个抢答选手的1—4号。另外，S0按钮为主持人按钮，当该抢答器上电开始工作时，主持人需要先按下S0按钮来清零，当有选手按下了抢答按钮时，与之相对应的LED 灯亮，并且蜂鸣器响。并且在数码管上面会显示出先按下抢答按钮的选手的编号。当抢完毕后，需要重新开始新一轮的抢答时，则主持人再按一下，S0按钮就可以了。由于在该抢答器中只需要数码管显示从0—4（其中0的状态为没有选手按下抢答按钮，或者是主持人清零），而CD4511则能从0—9进行译码，故它的D 端就直接接地，而C ，B ，A 这三端的驱动方程分别为4Q 、
3
2Q Q 、
3
1Q Q 。同时，为了保护数码
管，从CD4511引出来与数码管相连接的线上必须接上510 的电阻。
A B C D E F G CA
H
4511BT_5V
D A 7D B 1D C 2D D
6
O A 13O D 10O E 9O F 15O C 11O B 12O G 14
~E L 5~B I 4~L T
3
74LS00N
74LS00N 74LS00N
74HC74N_4V 1D
2
1Q 5
~1Q 6
~1C L R
1
1C L K
3
~1P R 4
74HC74N_4V 1D
2
1Q 5
~1Q 6
~1C L R
1
1C L K
3
~1P R
4
74HC74N_4V
1D
2
1Q 5
~1Q 6
~1C L R
1
1C L K
3
~1P R
4
74HC74N_4V
1D
2
1Q 5
~1Q 6
~1C L R
1
1C L K
3
~1P R
4
74LS00N 74LS00N 30
31
74LS20N 74LS20N
48
19
333445
1k|?
1k|?
1k|?1k|?
46
Key = 4
29
32
510 |?
1234567205152535455
56
49
50
Key = 2
Key = 1
Key = 359
LED215
1617
18
47
U2
SONALERT
200 Hz
21
图 2 抢答电路图
图3为555定时器产生的1Hz 脉冲信号。由555构成多谐振荡器，振荡频率fo ＝1．43，／［（RI ＋2R2）C ］=1Hz 在设计中我们选择R 1=15K,R 2=68K,C1=10 uF ，C2=0.01uF 从而实现产生周期为1s 的脉冲
图 3 秒脉冲电路图
3.倒计时电路设计
图4为倒计时部分模块电路图。计时器选用三十进制同步加减计数器74LS192进行设计，采用减计数器工作方式，初始值设置为30秒对应的个位74LS192置数输入二进制为Q 3Q 2Q 1Q 0=0000，十位74LS192置数输入二进制为Q 3Q 2Q 1Q 0=0011。 其中个位74LS192的减计数端CPD 接秒脉冲，非同步借位段BO 接十位74LS192的减计数端CPD ，而十位74LS192的借位输出端与与非门控制秒脉冲的输入，两74LS 192的清零端接低电平而两加法计数端接高电平。74LS192的输出通过CC4511译码器译码再由数码管显示，达到显示倒计时目的。
图 4 倒计时电路图
A
B
C
D
E
F G CA
H
4511BT_5V
D A 7D B 1D C 2D D
6
O A 13
O D 10O E 9O F 15O C 11O B 12O G
14
~E L
5~B I 4~L T
3A
B
C
D
E
F G CA
H
4511BT_5V
D A 7D B 1D C 2D D
6
O A 13O D 10O E 9O F 15O C 11O B 12O G
14
~E L 5~B I 4~L T
374LS00N
5V
A
15B 1C 10D 9
U P 5Q A 3Q B 2Q C 6Q D
7
D O W N
4
~L O A D 11~B O 13
~C O 12
C L R
1474HC192 5V
A 15
B 1
C 10D
9
U P 5Q A 3Q B 2Q C 6Q D
7
D O W N
4
~L O A D 11~B O 13~C O 12
C L R
1435363738
39404142
43
58
44
10111213
14222324510 |?
2627285761646869510 |?
7071
8972
由发光二极管和扬声器构成的报警电路如下图5所示。有选手抢答后，有一高电平流入发光二极管，二极管发光，同时扬声器发出响声；如果三十秒倒计时结束仍无选手抢答，扬声器将发出警报提示。
图 5 报警电路图
5.控制电路设计
锁存控制电路：对输入CC4511的信号各接一个与非门再与输入74HC74的秒脉冲共接一个四输入与非门以此来控制CP从而锁存优先抢答的选手的信号，阻止其他选手抢答。
时间与报警控制电路：时间与报警控制电路采用基本门电路组合而成，此电路形式简单，调试方便；当主持人按清零按钮时计数器处于置数状态，当主持人按开始按钮时计数器进入倒计时状态。如果期间有人抢答，抢答信号经过锁存控制电路再各加一与非门后与秒脉冲共进入一个四输入与非门来控制计数器，让计数器停止工作。与此同时抢答信号经过处理变为一个高电平让报警电路工作。如果计数器倒计时结束
图 6 控制电路图
六、系统调试
首先检查电路连接的正确性，连线是否都一一对应，有无出现漏接、多接等情况；然后检查电路焊接是否正常，要求不出现虚焊、短路等情况；电路检查正常后进行如下调试：1.抢答电路调试
接通电源，断开与控制电路、倒计时电路的连接“复位”控制开关复位后打到工作状态；按下抢答按扭，看译码显示是否对应。
可能出现问题以及对策：
1、按下抢答键后译码显示部分无任何反应。可能是因为CC4511处于锁存状态，检查CC4511的LE端是否因为短路而接着高电平，看数码管是否能够正常显示；也可能是因为抢答按键无效，故应检查按下键后对应的指示灯是否亮。
2、译码显示部分出现显示乱码或者显示不完全，可能是因为数码管连线时出现虚焊、短路现象或是数码管因为焊接时温度过高而损坏。
3、抢答键触发无效，可能是因为按键损坏，使用万用表进行检查
2.倒计时电路调试
首先，调试由555组成的秒脉冲产生电路，调节R1、R2阻值，使秒脉冲电路产生1S 周期的矩形波；然后将此脉冲直接加到74LS192减计数脉冲输入端，看它能否实现从30到0的连续减计数。
可能出现的问题及解决办法：
1、译码显示部分出现显示乱码或者显示不完全，可能是因为数码管连线时出现虚焊、短路现象或是数码管因为焊接时温度过高而损坏
2、计数器不能有效计数，可能是因为74LS192清零端（CR）为高电平，置数使能端为低电平。
3、译码显示出现明显的跳跃计数情况，可能是因为555多谐振荡器振荡产生的秒脉冲信号纹波较大，造成波形不规则。
3.报警电路调试
接通电源，给报警电路输入一个高电平，看二极管是否正常发光，同时听扬声器有无发出响声。如果二极管不发光则二极管坏了，扬声器不响则有可能在焊接时把它损坏了。
4.整机调试
各模块电路调试功能正常后，通过控制电路将各模块连接在一起。首先，先连接抢答电路和倒计时电路，实现以下功能：a、有选手抢答时禁止其他选手抢答，并且倒计时能够停止在所抢答时刻上；b、时间到时禁止选手进行抢答。其次，将报警电路接入，实现以下功能：a、主持人按下“开始”键时蜜蜂鸣器发出声音以此提醒选手抢答；b、有选手抢答时蜜蜂鸣器发出声音提醒此次抢答结束；c、定时到信号为低电平时扬声器发出声音。按上述步骤进行整机调试，若出现问题则通过示波器测试控制信号电平，对照时序电路进行必要的调整，直到达到要求为止。
七、设计心得体会：
此次课程设计通过学号组队，老师安排题目，由团队自己查找资料完成设计，并制作出实物，在遇到问题时由指导老师辅导的方式进行。我们查阅了相关资料,并对实验题目及其设计要求进行分析,抓住其中的要点,经过四天的准备画出实验原理图，并对实验要求的有关数据进行计算，通过计算出的数据选取所需的电阻、电容。在设计过程中增加了我们对数字电路理论知识的认识，在设计与制作过程中出现的各种不确定因素，锻炼了我们解决实际问题的能力，和对问题的预见能力；通过社会实践增加了我们的动手能力和团队合作意识，同时又缓解了以往的纯理论学习的枯燥氛围，明确了学习目和学习方法，虽然做的过程充满了不确定性，但我们的团队积极面对和准备着，一起解决每一个理论和实际问题，一起完美每一个细节，我们做到了，虽然调试时暴露出一个问题（计数器倒数完后选手仍可以抢答），这是由于在对抢答电路进行编码锁定时不停地改变设计方法而遗忘了，看来做出来的作品不是完美的，细节决定成败，我希望我们团队记住它！以此为鉴！
八、参考文献：
《电子技术基础》数字部分康华光高等教育出版社《实验指导书》数字部分
《Multisim9入门及运用》张俊华机械工业出版社《Protel DXP电路设计实例教程》王莹莹清华大学出版社
平时成绩
考核成绩
实物制作成绩（50分）课程设计报告成绩（40分）
答辩成绩
（10分）
总成
绩
备注方案
实物
制作
实物效
果
方案
论证
设计计算、绘
图、程序
报告
格式
原理
讲述
问题
回答
平时占
30%，
考核成
绩占
70%
四人数字抢答器全图
A B C D E F G CA
H 4511BT_5V
D A 7D B 1D C 2D D
6
O A 13O D 10O E 9O F 15O C 11O B 12O G
14~E L 5~B I 4~L T
3
A B C D E F G CA
H 4511BT_5V
D A 7D B 1D C 2D D
6
O A 13
O D 10O E 9O F 15O C 11O B 12O G
14~E L
5~B I 4~L T
3
A B C D E F G CA
H
4511BT_5V
D A 7D B 1D C 2D D
6
O A 13O D 10O E 9O F 15O C 11O B 12O G 14
~E L 5~B I 4~L T 3
74LS00N
74LS00N 74LS00N
74LS00N
74LS00N
74HC74N_4V 1D
2
1Q
5
~1Q
6
~1C L R
1
1C L K
3
~1P R 4
74HC74N_4V 1D
2
1Q
5
~1Q
6
~1C L R
1
1C L K
3
~1P R
4
74HC74N_4V
1D
2
1Q
5
~1Q
6
~1C L R
1
1C L K
3
~1P R
4
74HC74N_4V
1D
2
1Q
5
~1Q
6
~1C L R
1
1C L K
3
~1P R
4
74LS00N 74LS00N 74LS00N
Key = Z
5V
A 15
B 1
C 10D
9
U P 5Q A 3Q B 2Q C 6Q D
7
D O W N
4
~L O A D
11~B O 13
~C O
12
C L R
14
74HC192 5V
A 15
B 1
C 10D
9
U P 5Q A 3Q B 2Q C 6Q D
7D O W N
4
~L O A D 11~B O 13~C O 12C L R
14
35363738
39404142
30
31
74LS20N 74LS20N
48
43
19
333445
58
Key = Q
555_VIRTUAL
GND
DIS OUT
RST
VCC THR CON
TRI C110uF
C2
0.01uF
68k|?
15k|?
62
65VDD 5V
VDD
66
1k|?
1k|?
1k|?1k|?67
63
44
46
Key = 4
29
32
510 |?
1234567205152535455
56
10111213
14222324510 |?
2627285761646869510 |?
7071
897249
50
Key = 2
Key = 1
Key = 3
59
25
LED215
16
17
18
47
U2
SONALERT
200 Hz
21