多路智能竞赛抢答器设计详解.doc

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课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： _
指导教师： 工作单位： ____
题 目: 多路智能竞赛抢答器设计
初始条件：74LS148、74LS279、74LS48、74LS192、NE555、74LS00、 发光二极管、共阴极显示器、74LS121。
要求完成的主要任务（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
功能要求：
设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手参加比赛，并具有定时抢答功能。
设计步骤与要求：
①　 拟定定时抢答器的组成框图。
②　 设计并安装各单元电路，要求布线整齐美观，便于级联与调试。
③　 测试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　 写出设计性实验报告。
时间安排：
第17周（7、8节）：理论讲解，新1-02
第18～19周：理论设计及实验室安装调试；地点：鉴主15通信工程实验室（1），鉴主13通信工程专业实验室；
第20周：撰写设计报告及答辩；地点：鉴主17楼研究室。

指导教师签名： 2016年 12月 2日

系主任（或责任教师）签名： 2016年12 月 2日

精品资料
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
引言 1
1 设计详细任务与要求 1
1.1基本功能 1
1.2扩展功能 2
2方案设计与论证 2
3设计方案简述 3
4 单元电路设计 4
4.1 抢答电路设计 4
4.1.1 七段数码显示74LS48 5
4.1.2 TTL集成RS触发器74LS279功能介绍 6
4.1.3 74LS148优先编码器功能 7
4.2定时电路的设计 8
4.2.1子电路设计 8
4.3 报警电路的设计 11
4.3.1主要功能 11
4.3.2 电路原理图 12
4.4时序控制电路设计 13
4.4.1 74LS121功能管脚图 14
5 多路智能竞赛抢答器设计总结 15
参考文献 16
附录 17

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（或仿真）后数字抢答器成形。

关键字：抢答电路；定时电路；报警电路

ABSTRACT
The Digital Responder is composed of the main circuit and expander. The priority encoding circuit, latch and decoding circuit output participating team's input signal on the monitor; the alarm circuit is started with the control circuit and director switch, this two parts make up the main circuits. A second pulse will produce the signal to output through the timing circuit and decoding circuit to realize the time function on the monitor,which constitutes the expander . After undergoing wiring, welding, debugging and other work (or simulation), the Digital Responder would be accomplished.

Keywords: Responder circuit; timing circuits; alarm circuit

精品资料
多路智能竞赛抢答器设计
引言
抢答器同时供8名选手或8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，声响持续的时间为0.5s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时间，并保持到主持人将系统清除为止。如果定时时间到，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。

1 设计详细任务与要求
1.1基本功能
1． 可同时让8名选手参赛，他们的编号分别是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，分别是。
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。
1.2扩展功能
1． 定时抢答功能。抢答器定时为30s，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），抢答有效，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． 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。
2方案设计与论证
方案一：
1）30秒定时器：可由一片74LS161来实现。当74LS161输出为1111时通过与非门将脉冲信号截止，显示器停留在30上。
2）抢答器部分：由8位选手的开关及自己根据实际情况用与非门连接成的简单译码器，输出接七段译码器，七段译码器接数字显示器。抢答成功的选手对应的灯亮且数字显示其编号。
3）时基脉冲选用实验室提供的信号发生器。
4）报警部分：当计时器计到30时，输出一个高电平使二极管发光且发出报警声。
方案二：
1）30秒定时器：可由两片74LS192构成。当第一片为零即输出1111时通过74LS20将脉冲信号截止，使其显示为00。
2）抢答器部分：由一74LS148优先编码器实现抢答功能，用74LS279将选手代码锁存直到主持人清零为止，然后用7段译码器显示选手代码。
3）脉冲产生电路可由一74LS121来产生，提供给定时电路及声响电路。
4）报警部分：由一NE555定时器来控制，当倒计时为零时产生报警声响。
经过分析及研究我决定用第二种方案，因为它对我们比较实际，大部分元器件我们已经学过，而且原理较简单，现在应用到设计中来提高我们对这些元件的记忆，加深对他们的了解，为以后的设计提供了较好的应用。

3设计方案简述
定时抢答器的总体框图如图1.1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答按钮时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。

图3-1抢答器的组成框图

图3-1所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，定时显示器上显示设定的时间，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按钮时，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　 扬声器发出短暂的声响，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。当选手抢答完毕时，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮的抢答。
4 单元电路设计
4.1 抢答电路设计
抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答器的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按按钮操作无效。选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成图如图1.1所示。
该部分电路的工作原理是：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,显示灯灭，74LS148的选通输入端,74LS48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，优先编码器电路和锁存电路处于同时工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端输入信号，当有选手将按钮按下时（如按下S5）,74LS48的输出,,经RS锁存后，CTR=1,,74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经74LS48译码后，显示器上显示出“5”，此外CTR=1，是74LS148的端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁其他按钮的输入。当按下的按钮松开后，74LS148的但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍然处于禁止工作状态，其他按钮的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者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，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，一遍进行下一轮的抢答。

图4-1抢答电路

4.1.1 七段数码显示74LS48
为了能以十进制数码直观的显示数字系统的运行数据，目前广泛使用了七段字符显示器，或称七段数码管。这种字符显示器由七段可发光的线段拼合而成。它的功能简图和管脚引线图1.1.1所示。
灯测试输入：当=0时，便可使被驱动数码管的七段同时点亮，以检查该数码管各段能否正常发光。但平时应置于高电平。
设置灭灯输入的目的是为了把不希望显示的零灭灯。
灭灯输入/灭灯输出具有双功能输入/输出，当作为输入端时，称为灭灯输入端。只要加入灭灯控制信号=0，无论输入端是什么信号，定可将被驱动数码管的各段同时熄灭。当作为输出端使用时称为灭灯输出端。

图4-2 74LS48管脚图
4.1.2 TTL集成RS触发器74LS279功能介绍
74LS249的逻辑符号如图1.2.1（a）所示，每片74LS279中包含四个独立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输入端（和），在任一输入端上加入低电平均能将触发器置1；每个触发器只有一个端（R）。图1.2.1（b）为第一个触发器的逻辑电路。

图 4-3

4.1.3 74LS148优先编码器功能
编码器在同一时刻内只允许对一个信号进行编码，否则输出的代码会发生混乱。
优先编码器即在同一时间内，当有多个输入信号进行请求编码时，只对优先级别高的信号进行编码的逻辑电路，称为优先编码器。常用的集成优先编码器有74LS148(8线-3线)其原理和功能真值表如图1.3.1所示。

图4-4 74LS148管脚图

由表不难看出在=0电路正常工作状态下，允许输入当中同时有几个输入端为低电平，即有编码输入信号。的优先权最高，的优先权最低。当=0时，无论其他输入端有无输入信号，输出给出的输出编码。即,当=1，=0,无论输入端输入什么信号只对编码，输出
4.2定时电路的设计
节目主持人根据抢答器题的难易程度，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，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提供。具体电路如图2.1所示。
图4-5可预置时间的定时电路
4.2.1子电路设计
4.2.1.1 74LS192功能介绍
74LS192具有下述功能：
①　 异步清零：CR=1,=0000
②　 异步置数：CR=0,=0,=
③　 保持：CR=0,=1,==1,保持原态
④　 加计数：CR=0,=1,=CP,=1,按加法规律计数。
⑤　 减计数：CR=0,=1,=1，=CP，按减法规律计数。
（异步级联方式的特点是：用前级计数器的输出作为后级计数器的时钟信号。）用两片74LS192构成的M=100计数器如图2.1.1.1所示。

图4-6

74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器，为加法计数器时钟输入端，是减计数时钟输入端。为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清零。CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

4.2.1.2 NE555构成的多谐振荡器作为秒脉冲发生器
NE555是时基集成电路，电路图如图2.1.2.1所示，它在应用和工作方式上一般可归纳为3类。每类工作方式又有很多不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出多种不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。NE555时基电路封装形式有两种，一是DIP8,另一种是SOP8。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相同。NE555属于CMOS工艺制造。
把555的2,6脚接在一起，根据对555组成原理图的分析可知，电容上的电压在到之间变化。电路的工作波形如图2.1.2.2所示

图4-7

图4-8

由图中看出，输出电压的低电压时间为电容上电压的从减少到所需的时间，的高电平时间为电容上电压从增大到所需要的时间，电路的震荡周期和频率计算如下

取=,=,C=10uF,可得
振荡频率为
所以，T=1s

由Multisim仿真得到如下波形，符合秒脉冲的要求。

4.3 报警电路的设计
由555组成的多谐振荡器，产生约100HZ的脉冲，开驱动扬声器发声。
4.3.1主要功能
但信号来时，PR为高电平，振荡器工作。平时保持低电平不变，从上面对555组成的多谐振荡器的分析，当4脚为低电平时，振荡器停振。
振荡频率为

4.3.2 电路原理图

Multisim仿真可得如下波形，可知电路的频率跟理论计算值相等。

4.4时序控制电路设计
时序控制电路是抢答器的关键，它要完成以下三项任务：
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时，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图1.1和图2.1，设计时序控制电路如4.1
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。图4.1（a）所示电路的工作原理：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自于图1.1所示的74LS279输出的CTR=0,经G3反向后，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192的时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，来自于图1.1所示74LS192的借位输出端,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按钮时，CTR=1,经G3反向，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，来自74LS192的封锁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，74LS121用于控制报警电路及发声时间。

图4-9 时序控制电路

4.4.1 74LS121功能管脚图
TTL集成器件74LS121是一种不可重复触发的单稳态触发器。关于定时：单稳态电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。74LS121的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。若输出脉宽较宽，而采用电解电容时，电容C的正极连接在输出端（10脚）。对于定时电阻，使用者可有两种选择：
①　 采用内部定时电阻（2K），此时将9号引脚（）接至电源(14脚)。
②　 采用外接定时电阻（阻值在1.4~40K之间），此时9脚应悬空，电阻接在11.、14脚之间。74121的输出脉冲宽度。通常R的数值取在2~30K之间，C的数值取在10pF~10uF之间，得到的取值范围可达20ns~200ms
该式中的R可以是外接电阻，也可以是芯片内部电阻阻值不太（约2K），如希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。
图4.1.1是声响时序控制电路，74LS121为单稳态触发集成器，用于控制声响电路及声响时间，主持人将控制开关拨到“清除”位置时，B=0,触发器输出Q=0,声响电路停止工作，主持人将控制开关从清除拨到开始时，B=1，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时，由1变为0，触发器触发进入暂稳态，Q端输出一正脉冲，声响电路工作，扬声器发出声响信号，声响的时间持续，当定时时间到，来自又由1变为0触发器再次触发，扬声器又发出声响信号。
图4-10声响时序控制电路

5 多路智能竞赛抢答器设计总结

经过了一个多星期的查阅资料及理论分析，终于完成了课程设计的仿真和论文完成了。经过这次课程设计，大大地提高了我的动手能力以及分析问题的能力，从中也学到了很多书面上所没有高清楚的问题。
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是非常有益的。
下面对本设计的思路进行总结：
①　 数字抢答器有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　 经过仿真，数字抢答器成形。

参考文献
[1] 伍时和，吴友宇编.数字电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2009
[2] 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
[3] 谢自美编.电子线路设计.实验.测试（第三版）[M]武汉：华中科技大学出版社，2005
[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，2005

附录
(1)元器件清单
74LS148 1
74LS279 1
74LS48 3
74LS192 2
NE555 3
74LS00 3
74LS04 1
发光二极管 3
共阴极显示器 3
74LS121 1

(2)Proteus仿真整体电路图

本科生课程设计成绩评定表
姓 名

性 别

专业、班级

课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日

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