武汉纺织大学数字电子 课程设计实验报告

设计题目：多路智力竞赛抢答器

20xx年6月12日

摘要

课程教学的要求，对学生进行综合性训练的一个实践性教学环节。主要目的是培养学生综合运用理论知识能力，分析问题和解决问题的能力，以及根据实际要求进行独立设计的能力，了解数字电子电路的一般设计方法，初步掌握数字电子线路安装、布线、焊接、调试等基本技能，熟练掌握电子电路基本元器件的使用方法，训练、提高读图能力，掌握组装、调试方法。

关键词 数字电子 、培养能力

一、数电课程设计的目的

数字电子技术课程设计是在学习完数字电子电路课程之后，按照课程教学的要求，对学生进行综合性训练的一个实践性教学环节。主要目的是培养学生综合运用理论知识能力，分析问题和解决问题的能力，以及根据实际要求进行独立设计的能力；了解数字电子电路的一般设计方法，初步掌握数字电子线路安装、布线、焊接、调试等基本技能；熟练掌握电子电路基本元器件的使用方法，训练、提高读图能力；掌握组装、调试方法。

二、设计题目及要求

1．设计题目

多路智力竞赛抢答器

2．功能要求

(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（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。参赛选手在设定时间（10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。

3．设计步骤及要求

（1）给出定时抢答器的组成框图；

（2）设计并焊接安装各单元电路，要求布线整齐、美观，便于级联

与调试；

（3）测定定时抢答器的逻辑功能，以满足设计功能要求；

（4）画出定时抢答器的整机逻辑电路图；

（5）按照要求写出设计报告。

三、方案设计与论证

方案一： 采用51单片机或MSP430单片机以及相关元器件用程序代码完成定时系统和主时序控制系统的设计，外接用数码管显示和手按键抢答系统与报警系统。该电路接线简单，但要求比较高。

方案二： 采用模拟电路设计，利用晶体三极管以及相关元器件设计成各个系统再将各个系统组合在一起实现要求的功能。该方案电路复杂，制作太过于复杂，难以实现。 方案三：，利用各芯片及相关元器件构成抢答电路、定时器电路、报警电路和时序控制电路系统模块，再将各个模块组装起来实现要求的功能。该方案电路设计比较简单，要求也比较合理。

方案选择： 综上三种方案相比较方案二电路太过于复杂难以实现，方案一与方案三相比，，也需要相应的单片机板，要求较高，而方案三电路结构比较简单，芯片成本比单片机底，要求也比较合理比较容易实现题目要求的功能。所以选择方案三最为合理。

四、系统设计框图及工作原理

系统电路由四部分电路组成

1. 抢答电路设计

抢答器电路的功能有两个：一个是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；二是使其他选手的按键操作无效。本设计选用优先编码器74HC148和RS锁存器74HC279。其工作原理结合电路图自己分析。

图1 系统设计框图

2. 定时电路设计

节目主持人根据抢答题的难易程度，设计一次抢答的时间，通过预置时间电路（倒计时电路）对计数器进行预置，本设计选用2片74HC192进行设计(实际提供一片74HC192），最大预置时间为99秒，计数器的时钟脉冲由NE555构成的秒脉冲发生电路提供，电路的工作原理及器件相关参数选择自行分析。

3. 报警电路设计

由555定时器构成的脉冲发生电路产生固定频率的方波信号，控制信号ST’控制方波信号经三极管驱动蜂鸣器或扬声器发出固定频率的声音。当有选手抢答或设定的抢答时间到时，控制信号ST’为高电平时，多谐振荡器工作，可驱动蜂鸣器发声；其它时候控制信号ST’为低电平，多谐振荡器电路停振，输出低电平，蜂鸣器不能发出声音。

4. 时序控制电路设计

时序控制电路是抢答器设计的关键，它主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，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，扬声器发声报警，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，扬声器发声报警，同时抢答电路和定时电路停止工作。

时序控制电路主要有几个与非门实现，提供的参考电路图中报警时间不能控制，简单的控制办法由主持人按下清除开关即可停止发声，若要实现报警时间自动控制，可在电路设计中增加一个单稳态触发器，采用其输出的暂稳态信号控制报警时间，设计时这部分可以自行发挥，如设计报警时间为1秒，设计时给出相关器件（如R,C）参数的选择依据。脉冲周期T=（R1+2*R2)Cln2。

en

多路智力竞赛抢答器电路

图2 多路智力竞赛抢答器参考电路图

5. 元件清单 见附录一

五、实物制作及调试

1.

（1）直接焊接电路板：（2）用面包板接线：

，太复杂，不美观。

（3）在芯片引脚边焊接排针在正面接线：此方法比较简单，但感觉不够美观。

本次制作选择第三种制作方法。

2.实物调试

用USB—TTL的下载模块通过电脑提供5V电源进行调试，调试过程中蜂鸣器一直不太响，最后去掉了接蜂鸣器的100uF电容后，可以正常的发生，可以正常记时，正常抢答，正常清零。调试图如图 ：

调试图正面

调试图反面

六、设计总结及心得

初步掌握了电路设计的基本方法。我们要先设计总体框架进行分解、分析。我们只有把每个小模块都设计好了才能设计成完整的电路。此

要用到锁存器74HC279、8位优先编码器

74HC148、译码器CD4511B、10位同步计数器74HC192、与非门74HC00、定时器NE555等芯片。芯片种类比较多，是我们更加深入的掌握这些常用芯片。设计过程中，主要是焊接电路板这块问题比较多，耗时比较大。焊好后出现了一些问题，检查电路后能够改正，但蜂鸣器一直不能正常报警，最后通过仿真软件找出了解决的方法。此次制作增强了我们的动手能力，合作能力，发现问题的以及解决问题的能力，自

己出现了一些问题，也帮同学解决了一些问题，掌握了数电制作的基本流程，知道如何了解芯片的功能。

参考文献：

例如：部分参考资料：

[1].谢自美主编，《电子线路设计实验测试》（第二版），华中科技大学出版社,2003.

[2].阎石主编《数字电子技术基础》，高等教育出版社.

[3].杨志忠主编《电子技术课程设计》

[4].许小军主编《数字电子技术实验与课程设计指导》

[5].王立欣，杨春玲编《电子技术实验与课程设计》

附录一：

第二篇：数电LED猜盘游戏课程设计实验报告

《数电电子技术基础》

课程设计报告书

机电与控制工程学院

年 月 日

目 录

第一章 设计内容及要求

1.1 基本要求 ----------------------------------------------2

1.2 实验原理：---------------------------------------------2

1.3 主要参考元器件：---------------------------------------2

第二章 设计方案 -----------------------------------------------3

第三章 系统组成及工作原理

3.1 系统组成-----------------------------------------------3

3.2 电路原理-----------------------------------------------4

第四章 系统各模块工作原理

4.1由555芯片构成时钟振荡脉冲发生电路模 ---------------------4

4.2 CD1047时序分配电路模块---------------------------------5

4.3 LED显示模 --------------------------------------------5

第五章 实验、调试及测试结果与分析------------------------------6

第六章 结论与心-----------------------------------------------7

附录一----------------------------------------------------------8

第一章 设计内容及要求

1.1基本要求：

系统有10个LED组成轮盘,开始前,先猜测某个LED，然后按下按钮,LED高速旋转,速度逐渐减缓，最后停下已猜中未赢。

1.2电路原理：

本电路由555组成的多谐振荡器和CD4017十进制计数器／脉冲分配器组成。10颗发光二极管模拟幸运物，当按下启动键1秒以上，发光二极管高速循环点亮，几秒钟后旋转速度越来越慢并最终随机停止于某颗灯上。本电路由电压控制器、触发器、加/减控制、分频器组成。。10颗发光二极管模拟幸运物，当按下启动键1秒以上，发光二极管高速循环点亮，几秒钟后旋转速度越来越慢并最终随机停止于某颗灯上。

1.3元件清单

第二章方案设计

本方案采用的用一个个555芯片，另外一个CD4017。 555芯片构成单稳态触发器，单稳态触发器的工作特点：

（1） 在没有受到外界触发器脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；

（2） 在受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器从暂稳态进入“暂稳态”。假设稳态为0，则暂稳态为1.

（3） 经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的时间仅仅取决于电路本身的参数。起到定时的作用。

第三章 系统组成及工作原理

3.1系统组成

利用555芯片和CD4017构成此次课设实验的三个基本框架，即单稳态触发器，多谐振荡器，计数器。继而组成数字转盘游戏电路。当脉冲键控多谐振荡器产生多谐脉冲时4017进行计数，它的十个输出端依次产生高电平，当发光二级管正向接入高电平导通时会发亮，形成有规律的闪动。调节滑动变阻器或电容会调整发光二级管发光循环的速度。

图3-1 系统框图

系统组成器件：

555芯片；

“555”芯片是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路，是该系统的重要组成部分。

CD4017：

CD4017可以在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，高电位输出使得发光二级管发亮。

3.2电路原理

系统由电压控制器、触发器、加/减控制、分频器组成。

系统电路如图1所示，用12V电池供电，555在开关的启动下产生渐慢脉冲作用下驱动10个LED循环发光，循环转动，最后速度变慢，然后逐渐停止。

图3-2 系统原理图

第四章系统各模块工作原理

4.1时钟振荡脉冲发生电路模块（555芯片构成）

该模块主要有一个555芯片、若干电阻及电容、导线等组成。

555芯片构成无稳态多谐振荡电路。可以作为一个方波产生器电路，它的4脚接上了第一个555芯片输出的高电平，促发产生方波。与单稳模式不同之处仅在于触发端(2脚)接在充、放电回路的电容C上，而不是受外部触发控制。当加上Ｖcc电压后，由于C上端电压不能突变，故555处于置位状2/3态，输出端（3）脚呈高电平“1”，而内部的放电管ＶＴ1截止，Ｃ通过ＲA、ＲB对其充电，2脚电位随Ｃ上端电压的升高呈指数上升，如波形图3-1所示。

图4-1 波形图

当Ｃ上的电压随时间增加，达到Vcc阈值电平（6脚）时，上比较器A1翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出Vo呈低电平“0”。此时，放电管VT1饱和导通，C上的电荷经RB至VT1放电。当C放电使其电压降至Vcc触发电平（2脚）时，比较器A2翻转，RS触发器复位，经倒相后，使输出端（3脚）呈高电平“1”。以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。

4.2 CD4017时序分配电路模块

该模块构成一分配/分频器电路。CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。

CD4017有10个输出端（O0～O9）和1个进位输出端～O5-9。每输入10个计数脉冲，～O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。CD4017输出高电平的顺序分别是③、②、④、⑦、⑩、①、⑤、⑥、⑨脚，故③、②、④、⑦、⑩、①脚的高电平使9个二极管按顺序发光，若要改变发光二极管的闪光速度，可改变电容C3的大小。

4.3 LED显示模块

该模块接受出自整个电路产生的高电平，由于是分频器CD4017产生的高电平，所以是个发光二极管一次接受来自它产生的高电平，逐一闪亮并以此为循环，周而复始。但发光二极管亮度和闪光速度受到前面电路中电阻和电容的影响，我们可以自由调节。

第五章 实验调试过程及结果

在确保实验原理的正确性后，把元器件都焊接上去了，在正确连接电源后出现了一个意想不到的问题，芯片突然发热，于是立即断开电源，检查是否有短路或者焊接问题，果然，发现4017芯片8管脚，16管脚都接了正电源，问题的起因弄清楚后，立即把8管脚接地，焊接电路没有问题了。

通过上述的检查，将做好的LED猜盘接上电源，电路能工作，但是会自己停止和启动，经过触摸一下底板，发现某个地方接触不良，初步判断是按键没有焊牢，经检查，是按键存在问题，换了器件重新焊接好后，接通电源，经过多次调试，终于和实验要求相同，实验成功。

实验结果：

十盏灯闪动频率各一，开始选择一盏灯，按下控件，,LED高速旋转,速度逐渐减缓，落在一盏灯上，猜中为赢

第六章 结论与心得

通过为期两周的课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。根本不知道在现实中还，

存在有很多问题。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考

虑的多的多。所以，一开始，我遇到了很多麻烦。通过老师和同学们的帮助，我渐渐的有了眉目。这样，在很大程度上提高了我考虑问题的全面性。

设计电路，还要考虑到它的前因后果。什么功能需要什么电路来实现。另外，还要考虑它的可行性，实用性等等。这样，也提高了我的分析问题的能力。原来，我们学习的电路只是一个理论知识，通过这次实习。使我的理论知识上升到了一个实践的过程。同时在实践中也加深了我们对理论知识的理解。

总之，通过这次实习，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。

最后，在这里，我非常感谢各位老师的耐心辅导以及同学们的热心帮助。

附录一 芯片介绍

1、CD4017

十进制计数/分频器CD4017，它是一种用途非常广泛的电路：其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9，依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。 CD4017有10个输出端（O0～O9）和1个进位输出端～O5-9。每输入10个计数脉冲，～O5 9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。 CD4017有3个输（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1～O9）均为低电平。CP0和～CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CPl端输入。 置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。 由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。

2、芯片555简介
555时基集成电路是数字集成电路，是由21个晶体三极管、4个晶体二极管和16个电阻组成的定时器，有分压器、比较器、触发器和放电器等功能的电路。它具有成本低、易使用、适应面广、驱动电流大和一定的负载能力。在电子制作中只需经过简单调试，就可以做成多种实用的各种小电路，远远优于三极管电路。

555时基集成电路各管脚的作用：脚①是公共地端为负极；脚②为低触发端TR，低于1／3电源电压以下时即导通；脚③是输出端V，电流可达2000mA;脚④是强制复位端MR，不用可与电源正极相连或悬空;脚⑤是用来调节比较器的基准电压，简称控制端VC，不用时可悬空，或通过0.01μF电容器接地;脚⑥为高触发端TH，也称阈值端，高于2/3电源电压发上时即截止;脚⑦是放电端DIS;脚⑧是电源正极VC。