十五路抢答器设计-毕业设计.doc

十五路抢答器设计－毕业设计

十五路抢答器设计

一、 设计的目的
通过本课题设计，掌握数字电路系统的设计方法。

二、 设计的内容要求
1．设计一个智力抢答器，可同时供15名选手参加比赛，对应15个抢答按钮。
2．主持人设置一个控制开关，用来控制系统得清零（显示数码灭）和抢答开始。
3．抢答器具有数据锁存功能，抢答开始后，若有选手抢答，编号立即锁存，LED显示选手编号。同时扬声器给出音响提示，此外，要封锁输入电路。
4．（扩展功能）定时抢答，主持人设定时间，启动开始后，定时器立即减计时，并用显示器显示。
5．参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示选手编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
6．如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，本次抢答无效，并封锁输入电路，报警，禁止超时抢答。

三、参考元件
74LS192 NE555 74LS48 74LS279 74LS148 74LS00 74LS121
发光二极管 数码显示器 电阻 电容

四、 设计步骤与要求
1． 拟定组成框图；
2． 设计各单元电路，要求步线整齐、美观、便于线路连接调试；
3． 仿真测试逻辑功能，已满足设计功能要求；
4． 画出整机逻辑电路图；
5． 写出设计论文。

五、 设计成果
1． 设计说明书，不少于6000字，用A4纸打印装订；
1． 设计电路总图一张，用电路设计软件绘图；
2． 电子文档

六、 主要参考资料
数字电子教材 数字电子电子电路设计相关资料 集成电路产品手册

目录

引言…………………………………………………………………………………1
一、 设计任务与要求………………………………………………………..........1
(一) 基本功能…………………………………………………......................1
(二) 扩展功能…………………………………………………......................1
二、抢答器组成框图……………………………………………………………...2
(一) 抢答器组成总框图……………………………………………………...2
(二) 各个电路的组成……………………………………………...................2
(三) 抢答器组成具体框图……………………………………………………3
三、单元电路……………………………………………………………………….3
(一) 抢答电路…………………………………………………………………3
1. 主要功能………………………………………………………………3
2. 电路原理图……………………………………………………………4
3. 子电路…………………………………………………………………4
(二) 定时电路…………………………………………………………………….8
1.主要功能……………………………………………………………….…8
2.电路原理图……………………………………………………………….8
3.子电路………………………………………………………………….....8
(三) 报警电路……………………………………………………………………11
1. 主要功能………………………………………………………………...11
2. 电路原理图……………………………………………………………...11.
(四) 控制电路…………………………………………………………………….12
1. 主要功能………………………………………………………………...12
2.子电路…………………………………………………………………….12
四、15路抢答器设计总结……………………………………………………….....14
五.、致谢……………………………………………….............................................15
六、参考文献………………………………………………………………………..15
七、总电路原理图……………………………………..............................................16
附件

摘要：数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队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。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。

关键字：抢答电路; 定时电路; 报警电路

引言
抢答器同时供16名选手或16个代表队比赛,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。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。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。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。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。
一、设计任务与要求
（一）基本功能
1．可同时15名选手参加比赛，他们的编号分别是1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10，S11，S12，S13，S14，S15。
2．节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。
3．数字抢答器应具有数码锁存、显示功能。抢答开始后，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，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
（二）扩展功能
1．定时抢答功能。抢答器定时为30 s，启动起始键后，定时器开始工作，立即减计，并在显示器上显示出来，同时扬声器要短暂报警。
2．参赛选手在设定的时间内抢答（30s），抢答用效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢倕时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
3．当定时抢答的时间已到，还没有选手抢答进，本次抢答无效，系统短暂报警,并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。

二、抢答器组成框图
(一) 抢答器组成总框图

图2.1.1 抢答器组成框图
(二)、各个电路的组成
1. 照框图，根据功能指标的要求，可以确定各个电路的组成。
1) 抢答电路由优先编码电路74LS148，锁存器74LS279组成。
2) 定时电路由秒脉冲产生电路NE555，同步计数器74LS192组成。
3) 报警电路由脉冲产生电路NE555，扬声器组成。
4) 控制电路用单稳态触发器74LS121和一些门电路实现。
2. 图示的定时抢答器的工作过程是：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，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。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，然后由译码显示电路显示编号；
2) 扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；
3) 控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；
4) 控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，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，以便进行下一轮抢答。
(三)、抢答器组成具体框图
抢答按钮

优先编码电路74LS148
主持人控制开关
时序控制电路

报警电路
NE555
秒脉冲产生电路NE555

同步计数器74LS192

显示电路（七段显示器）
译码电路74LS48

单稳态触发器74LS121
二进制/BCD编码转化电路
锁存器74LS279
译码电路74LS48

显示电路（七段显示器）

图2.3.1抢答器组成具体框图

三、单元电路
(一) 抢答电路
1.主要功能
抢答电路的功能有两个：一是能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；二是要使其他选手的按键操作无效。选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如下图所示。其工作原理是：当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部
为低电平，于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作，当主持人开关拨到“开始”位置时，优先编码电路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S1～S15输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其他按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他按键的输入信号不会被吸收，这就保证了抢答者的优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。
2.电路原理图

图3.1.2.1抢答电路原理图
3.子电路
1）优先编码电路
根据要求，用两片优先编码器74LS148级连组成。由74LS148的功能表可以看出当高位片处于工作状态且没有输入时，Y2,Y1, Y0, YEX都是1，Y S为0 ，低位片也处于工作状态。当高位片有输入时，YS=1 =ST，所以低位片处于封锁状态，同时两片的输出YS=1，高位片YEX为0，低位片的YEX为1。当低位片用输入时，高位片的YS=0，低位片的YS=1，高位片YEX为1，低位片的YEX为0。
由 ZYEX=YEX1·YEX2
Z0=Y01·Y02
Z1=Y11·Y12
Z2=Y21·Y22
Z3=
可以得到当ST=0时，即74LS148处于工作状态时，不论是低位片还用高位片有输入时，

图3.1.3.1 优先编码电路
ZYEX都为0，当没有输入时，ZYEX为1。当高位片有输入时，Z3为0，当低位片有输入时，Z3为1，当ST为1时，74LS148处于禁止工作状态，Z3为1。

表3.1.3.1 74LS148功能表
输入
输出
ST
S0
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
Y2
Y1
Y0
YEX
YS
1
×
×
×
×
×
×
×
×
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
×
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
×
×
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
0
×
×
×
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
×
×
×
×
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
×
×
×
×
×
0
1
1
0
1
0
0
1
0
×
×
×
×
×
×
0
1
0
0
1
0
1
0
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
1

2）锁存器74LS279
由基本R-S的状态方程和时序图可看出，

表3.1.3.2 锁存器74LS279真值表
输入
输出

Q
1
1
Q0
0
1
1
1
0
0
0
0
×

图3.1.3.2 基本R-S触发器逻辑等号与波形图
RS触发器的端为低电平，由于74LS148没有输入，都为1，所以输出端（4Q~1Q）全部为0。当74LS148有输入，相应的为0，所对应的输出端变为1，当输入退出时，重新变为1，而对应的输出端保持1不变，实现了锁存的功能。
当ZYEX为0时，Q的输出为1， Q=ST=1，所以令74LS148处于禁止工作状态，使其他按键的输入信号不会被吸收，这就保证了抢答者的优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（即令=0），以便进行下一轮抢答。

3）4位二进制/BCD码变换电路
由全加器74LS283与门电路组成，由于用15路选择，4位二进制数表示的十进制数的范围为0～15，其8421BCD码需用5位二进制数表示，它们之间的对应关系如下表

表3.1.3.3 4位二进制/BCD码变换电路真值表

二进制数
BCD码

Z3
Z2
Z1
Z0
D10
D03
D02
D01
D00
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
2
0
0
1
0
0
0
0
1
0
3
0
0
1
1
0
0
0
1
1
4
0
1
0
0
0
0
1
0
0
5
0
1
0
1
0
0
1
0
1
6
0
1
1
0
0
0
1
1
0
7
0
1
1
1
0
0
1
1
1
8
1
0
0
0
0
1
0
0
0
9
1
0
0
1
0
1
0
0
1
10
1
0
1
0
1
0
0
0
0
11
1
0
1
1
1
0
0
0
1
12
1
1
0
0
1
0
0
1
0
13
1
1
0
1
1
0
0
1
1
14
1
1
1
0
1
0
1
0
0
15
1
1
1
1
1
0
1
0
1

以上的真值表可以写出BCD码与二进制之
间的表达式：
Z0= D00
D10 D03 D02 D01= Z3 Z2 Z1+0000
当 Z3 (Z2+Z1）=0
D10 D03 D02 D01= Z3 Z2 Z1+0011 当
Z3 (Z2+Z1）=1 图3.1.3.34位二进制/BCD码变换电路
(二)、定时电路
1.主要功能
节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间（30s），通过预置时间电路对计数器进行预置，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。
2.电路原理图

图3.2.2定时电路原理图

3.子电路
1）555构成的多谐振荡器作为秒脉冲发生器
把555的2，6脚接在一起，根据对555组成原理图的分析可知，电容上的电压将在到之间变化。电路的工作波形如下图所示

图3.2.3.1.1 电容和输出电压的波形图 图3.2.3.1.2 555构成的多谐振荡器原理图

从图中看出，输出电压Vo的低电平时间为电容上电压Vc从减少到所需要的时间，Vo的高电平时间Vc 为电容上电压从增大到所需要的时间，电路的振荡周期和频率计算如下
(3.2.3.1.1)
(3.2.3.1.2)
(3.2.3.1.3)
(3.2.3.1.4)
取=15KΩ, =68KΩ, C=10uF, 可得
振荡频率为
所以, T=1s

2) 由Multisim仿真得到如下波形，符合秒脉冲的要求。

图3.1.3.2.1多谐振荡器频率仿真波形
2）74LS192构成的三十进制递减计数器
74LS192是十进制可编程同步加/减计数器，采用8421码二-十进制编码，并具有直接清零，置数，加/减计数功能。
由74LS192构成的三十进制递减计数器的电路原理图如下所示，低位片的BO2借位信号接到高位片的CPD端，两片的CPU端都接高电平。

图3.2.3.2.1 74LS192构成的三十进制递减计数器

从功能表和时序图可以得到三十进制递减
计数器的工作原理：预置数为N=(0011 0000)8421 BCD=(30)10
只有当低位BO2端发出借位脉冲时，高位
片计数器才作减计数，当高，低位计数器处于全零，且CPD为0时，高位片BO2端发出借位脉冲。当LD为电低平时，计数器完成并行置数。
图3.2.3.2.1 74LS192构成的三十进制递减计数器时序图
(三)、 报警电路
由555组成多谐振荡器，产生约为1Khz的脉冲，来驱动扬声器发生声音。（本设计方案用发光二极管代替扬声器）
1. 主要功能
当用信号来时，PR为高电平，振荡器工作。平时保持低电平不变，从上面对555组成多谐振荡器的分析，当4脚为低电平时，振荡器停振。
振荡频率为
(3.3.1.1)
T==1/0.01s (3.3.1.2)

2. 电路原理图

图3.3.2.1 报警电路
用Multisim仿真可得如下波形，可知电路的频率跟理论计算值相符。

图3.3.2.2 频率仿真波形
(四)、控制电路
1.主要功能
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，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。
2.子电路
1) 时序控制电路
根据上面的功能要求设计的时序控制电路如下图所示。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的输入使能端ST。工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时， 74LS279的输出CTR=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号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， 74LS192的借位输出端BO2=1，门G2的输出ST=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，CTR=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ST=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，来自74LS192的BO2=0，ST=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。

图3.4.2.1 时序控制电路

2) 报警控制电路
由74LS121组成，根据上对报警的要求以及74LS121的功能表，可得到如下电路原理图。其中当S=0时，由于BO2和ZYEX都为1，所以在S的正跳沿产生时，不会产生触发，所以使用了门电路与ZYEX配合，当电路开始置数为30时，令ZYEX′=O,就可以产生触发，从而实现上述的功能。

表3.4.2.2集成单稳态触发器7421功能表

图3.4.2.2 报警控制电路
四、15路抢答器设计总结
经过了一个多星期的不停的检测和修改，终于把最终的电路图和成品完成了。经过了这次课程设计，大大地提高了我的动手能力以及分析问题的能力，在汪老师的热心的指导下，解决了很多问题，从中也学到了很多书面上所没有搞清楚的问题。
这次课程设计，让我学到了很多有用的知识和能力，这对以后的学习和工作都将是非常有益的。
下面是对本设计的思路总结:
1. 数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。
2. 优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队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。
3. 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。
4. 经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形.
五、致谢
这次设计,让我受益匪浅,首先我要感谢电气工程学院汪老师在我陷入困境时的热情地指导，还有要感谢本班及寝室的亲爱的同学在设计期间给我的无私热心帮助!

六. 参考文献
[1] 康华光,邹寿彬编.电子技术基础数字部分（第四版）[M].北京:高等教育出版社,2005
[2] 康华光，邹寿彬编.电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京: 高等教育出版社,2005
[3] 谢自美编.电子线路设计·实验·测试 (第二版) [M].上海:电子工业出版社,2001
[4] 陈大钦编.电子技术基础实验(第二版)[M].湖北:机械工业出版社,2001
[5] 安玉景，李雪莹编.电子技术基础实验[M].人民邮电出版社,2002
[6] 邹其洪, 黄智伟,高嵩,等编著.电工电子实验与计算机仿真[M].电子工业出版社,2005

七、总电路原理图

图7.1 智力竞赛抢答器总电路

注：陈和艺 南华大学 电气工程学院 20044450219
2007/12 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