1、数字抢答器的设计姓 名 李永宏 学 号 201401910034 年 级 14 自动化 专 业 自动化 系 （院） 机械与材料工程学院 指导教师 王丹 1 设计任务与要求11.1 基本功能.11.2 扩展功能.12 设计原理13 电路设计.23.1 抢答电路23.2 定时电路63.3 相关逻辑电路84 元器件的使用列表.105 仿真结果116 设计体会11参考资料1218 路智力竞赛抢答器1 设计任务与要求1.1 基本功能（1）设计一个智力竞赛抢答器，可同时供 8 名选手或 8 个代表队参加比赛，其编号分别是 0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别
2、是 S0、S 1、S 2、S 3、S 4、S 5、S 6、S 7。（2）给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。（3）抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在 LED 数码管上显示选手的编号，同时扬声器发出音响提示 此外要封锁输人电路，禁止其他选手抢答，并将优先抢答选手的编号直保持到主持人将系统清零为止。1.2 扩展功能（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间长度可以由主持人设定（如 30 s） 。当节目主持人启动“开始” 键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的音响，音响持续时间
3、为 0.5 s 左右。（2）参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效；有效抢答结束定时器停止工作显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。（3）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后做无效抢答，时间显示器上显示 00。2 设计原理定时抢答器的总体框图如图 1 所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答；扩展电路完成定时抢答的功能。2图 1- 1 定时器总体框图 图 1 所示的定时抢答器的工作过程是：
4、接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间；当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“ 抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器发出音响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时开始。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手在超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：（1）优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码电路显示编号；扬声器发出短暂音响，提醒节目主持人注意。（2）控制电路要对输人编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答。（3）控制电路要使
5、定时器停止工作，时间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。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关使系统回复到禁止工作状态，以便进行下轮抢答。3 电路设计3.1 抢答电路抢答电路的功能有两个：是能分辨选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。方案一：选用优先编码器 74LS148 和八 D 锁存器 74LS573（或 74LS373）可以完成上述功能。通过 74LS573 可以一次性锁存八个信号输入的功能，将八个抢答的信号送给它 29 的八个输入管脚，再将它 1912 的八个管脚接 74LS148 的优先编码信号输入的八个管脚，最
6、后通3过优先编码器的 GS 端经相应门电路处理后接锁存器的锁存端进行锁存。74LS573 管脚与功能如图 3-1 所示。图 3- 1 74LS573 管脚与功能方案二：选用优先编码器 74LS148 和 RS 锁存器 74LS279 可以完成上述功能，其电路组成如图3-2 所示。4图 3- 2 抢答器电路其工作原理是：当主持人的控制开关处于“清除”位置时，RS 触发器的 端为低电平，R输出端（4Q1Q）全部为低电平，于是 74LS48 的 0，显示器灭灯；74LS48 的选通RBI输入端 0， 74LS48 处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到 “开ST始”位置时，优先编码电路
7、和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端 、 、 输人信号。当有选手将键按下时（如按下 S5，74LS148 的输出7I0I000， 0，经 RS 锁存器后，CTR1， B1，74LS279 处于工作状态； 012YEX4Q3Q2Q101，经 74LS48 译码，显示器显示 “5”。此外， CTR1，使 74LS148 的 端为T高电平74LSl48 处于禁止工作状态，封锁了其他按键的输人。当选手按下的键松开后，74LS148 的 为高电平；但由于 CTR 维持高电平不变，所以， 74LS148 仍处于禁止工作EX状态，其他按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优
8、先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制开关 S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。最终方案：经过对比以上两种抢答电路，我们最终选择实验室有所有现成芯片方案二（在最后的方案里对方案二也进行了修改） 。抢答与按键电路如图 3-3 和图 3-4 所示。为了连线方便，图中使用了大量的网络标号，如“RBO” 、 “A0” 、 “A1” 、 “A2”等。5完整电路原理图请看附录。图 3- 3 抢答电路通过 Proteus ISIS 7.8 仿真得图 3-2 的抢答电路未能实现所需的抢答要求。主要为74LS279 的最右边个 RS 触发器输出 Q 端接 74LS148 的 时
9、，在电路工作状态主持人控ST制开关不能实现“清零”后再“开始”让抢答电路继续工作。经过改进得如上图 3-3 完成了抢答电路要求。RBO 从图 3-9 中产生。图 3- 4 抢答按键电路图 3-4 中的 8 个按钮现实中用 1 个八位拨码开关代替，简化材料的同时又更加贴近真实抢答过程中选手会一直按着按钮的这种情况的模拟。如果电路中再增加一个 74LS83 到优先编码器与显示译码器之间，实现二进制码的加一操作可以使数码管从 18 数码的显示可更加贴近真实抢答中的显示内容，同时可以去掉图 3-4 中的与门。本电路中的与门为对抢答时“0”信号的特殊处理，避免抢答时“0”号按钮按下而数码管中不显示“0”
10、的情况。74LS148 是有八个输入端，三个输出端的优先编码器，它的功能是判断抢答选手的编号。74LS148 的功能表如表 3-1 所示。6表 3-1 74LS148 的功能表七段显示译码器 7448 输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。七段显示译码器一般与七段数码显示器相连，共同构成四输入端的数码显示电路。共阴极数码显示器的功能表如表 3-2 所示表 3-2 共阴极数码显示器的功能表十进制 A3 A2 A1 A0 a b c d e f g0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 01 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 02 0
11、 0 1 0 1 1 0 1 1 0 13 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 14 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 15 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 16 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 17 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 08 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 19 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 13.2 定时电路节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间长度，通过预置时间电路对计数器进行预置。主持人按键电路如图 3-7 所示。现选用十进制同步加减计数器74LS192 进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供，具体电路如图
12、 3-5 与图 3-6 所示。图 3- 5 定时器减计数电路7在现实调试中两个 74LS192 的第 5 管脚同时接 5V 高电平才能使计数器正常减计数。不然会发生无法借位的情况。图 3-5 中 74LS192 输入所用的“0” 、 “1”的逻辑开关，在实际电路中使用一侧接地的拨码开关代替。拨码开关导通时，输入为“0” ；拨码开关断开时，输入为“1” （TTL 悬空的输入默认为高电平） 。表 3-4 74LS192 的功能表图 3- 6 定时器 1 秒脉冲发生电路555 定时器构成一个多谐振荡器，产生一个周期接近 1 秒方波信号从第 3 管脚输出。而接一个与非门是为了对方波信号整型。555 定
13、时器的振荡频率计算公式为： CRf121210 )43.ln)(图 3-6 中 R11=15K，R12=68K，C2=10uF 带入公式得：HzCRf 947.0.)680215(43.43.21 sfT.由以上计算得 555 电路产生的方波周期约为 1 秒。8图 3- 7 主持人按键与抢答指示灯电路由于光比声音在空气中的速度快，而每个抢答按钮与提示开始抢答的信号距离不一定相等，所以图 3-7 的电路中使用 LED 的熄灭模拟主持人按下按钮后提示选手开始抢答的现象。即图 3-7 中 D3 灯灭时，选手开始抢答，同时图 3-5 中数码管显示每秒减一个数字，直到显示为零。3.3 相关逻辑电路逻辑控
14、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 SW1 拨到图 3-7 显示的状态为定时器减计数电路置数，也是抢答器总复位状态。当控制开关 SW1 拨到另一个位置时，抢答电路和定时电路进人正常工作状态。（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以及前面所有电路，设计的逻辑控制电路如图 3-9 所示。9图 3- 8 相关逻辑控制电路图 3-9 中，U2:B、U2:C、U2:D 的三个与非门通过反演律组成一个或门（5、9 脚悬空即为高电平） 。U1
15、2:C、U12:D、U16:A 的功能与前面相同。反演规则：i.变换时应保持原函数运算顺序不变。ii.变换运算符号的优先顺序，遵循 “先进行括号里的运算变换，再进行逻辑乘的运算变换，最后进行逻辑加的运算变换” 。iii.不属于单个变量上的非号应保留不变。当 74LS279 输出的 A0、A1、A2 有信号时，则 RBO 为高电平，实现 74LS148 封锁输入。由图 3-9 得逻辑函数表达式如下：RBO=(A0+A1)+A2= A0+A1+A2TCD4=RBO= (A0+A1+A2)TCD2=(TCD4)(D0) 注：D0 在图 3-4 中TCD3=(TCD2)(TCD)DCLK=(CLK)(
16、TCD3) 注：CLK 在图 3-6 中表 3-4 函数 RBO 与 TCD4 的真值表输入 输出A0 A1 A2 RBO TCD40 0 0 0 10 0 1 1 00 1 0 1 0100 1 1 1 01 0 0 1 01 0 1 1 01 1 0 1 01 1 1 1 0当 74LS279 输出为零的二进制码，即 A0、A1、A2 都为 0 时，不能使 RBO 为 1，因而不能实现 74LS148 封锁输入。在本抢答器电路中对 0 号按钮（抢答选手对应的 0 号）做了特殊处理。U15:B 中只要 TCD3=0 则使 DCLK 不能随着 CLK 的变化而变化，74LS192就不会计数。4
17、 元器件的使用列表表 3-5 元器件清单元器件 数量74LS192 274LS48 374LS148 174LS279 174LS00 274LS08 1NE555 18 位拨码开关 2一位 7 段共阴数码管 310K电阻 91K电阻 315K电阻 168K电阻 110电阻 13的 LED 10.1uF 无极性电容 11110uF 有极性电容 11N4007 1电源开关按钮 18550 三极管 1蜂鸣器 1小型面包板 7导线 若干5 仿真结果仿真效果良好，完成所有设计要求。6 设计体会经过这次课程设计的学习，我确实学习了很多知识，真正的感受到了理论联系实际的重要性，以及这之间莫大区别，到最后看
18、着自己的结果心里还是感到很欣慰的。在课程设计期间我懂得了怎样利用网上的资源和图书馆里的资源，通过网上的资源和图书馆的资源我了解了许多电子元件的工作原理，如：74LS121、74LS48 、74LS192 等。12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电子设计软件如：Proteus 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。同时我深刻的体会到实际与理论有很大的区别。在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。特别是在仿真过程中对参数的改进和电路图的查找过程中，我深有体会。我认为这次实
19、习不仅仅学习了软件知识，还提高了我们专业素质。完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了数电的知识及相关专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。实践是检验真理的唯一标准。理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。这将有助于我今后更加明确学习的方向，可认识到自己的不足，确定自己的目标，从而更加努力的学习。只有这样我们才能真正的去掌握它，真正的去运用它。虽然只是初步学会了数字抢答器的设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，因为我有学到了课本以外的很多知识，还锻炼了自己的动手能力。作为一个电气工程及其自动化专业的学生，我深刻体会到课程设计的重要性。我以后会更加注重这方面能力的培养，在学习好理论知识的同时加强时间能力。很高兴有这样一个锻炼、提高自己的机会。参考资料1阎石，数字电子技术基础，高等教育出版社2童诗白 华成英，模拟电子技术基础，高等教育出版社3彭介华，电子技术课程设计指导 ，高等教育出版社4李海，74 系列芯片手册，重庆大学出版社5朱清慧 张凤蕊 翟天嵩 王志奎，Proteus 教程，清华出版社6邱关源 罗先觉，电路，高等教育出版社13原理图PCB 图14实物八路抢答器背面图15实物八路抢答器正面图
