2024年1月23日发(作者：)
多路数字式竞赛抢答器的设计与制作
课程设计报告
学院：自动化工程学院
班级：测控081
设计人：郭秋艳
学号：
指导老师：关硕 黄俊峰 张玉财
时间：2010年7月14日
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目录
一．
设计任务与技术要求………………………………………3
二．
方案的论证及电路的工作原理……………………………3
1.
方案论证………………………………………………………….. ………...3
2. 工作原理……………………………………………………………………..4
三：单元电路的设计及电路图……………………………………4
1. 抢答器电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
2. 定时电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6
3 报警电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7
4. 时序控制电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7
5计分电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8四．元器件的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9
1.74LS148„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9
2，74LS279/R-S 锁存器…………………………………………………….. …….10
3. 74LS192……………………………………………………………………...11
4.74LS48………………………………………………………………………12
5. 555定时器.......................................................................................................13
6.74ls121„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14
五，需要的元器件清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15六．心得体会……………………………………………………………………….16
七．参考文献………………………………………………………………………..16
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一：设计任务与技术要求
1、设计任务
设计制作一个可供6组选手参加比赛的数字式竞赛抢答器。
2、技术要求
(1)抢答器同时供6组选手，分别用6个按钮S0—S5表示。
(2)设置一个系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
(3)抢答器具有第一个抢答信号的鉴别和数据锁存，显示的功能。抢答开始后，若选手按动抢答按钮，锁存相应编号，并在LED数码管上显示该编号，同时扬声器给出声响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
(4)抢答器具有计分，显示的功能。预置分数可由主持人设定，并显示在每名选手的计分牌上，选手答对加10分，答错扣10分。
(5)抢答器具有定时抢答的功能，抢答时间由主持人设定。当主持人按下开始按钮后，定时器开始减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5S左右。
(6) 参赛选手在设定时间内抢答有效，抢答有效，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。
(7) 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“00”。
(8)抢答器具有犯规提示的功能，对提前抢答和超时抢答的选手，扬声器会发出警示信号，并在显示器上显示其编号。
二：方案的论证及电路的工作原理
1. 方案论证
方案1：采用CD4511芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽然比较简便，但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。
方案2：采用D触发器和译码器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实现锁存功能时可以简单的实现。
经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案2。然后利用软件来进行仿真调试，再进行逐步改进。
2. 工作原理
抢答器由输入电路，判别电路，显示电路，秒脉冲发生器，计时电路和报3
警电路等组成。抢答器在接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灯灭，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”，抢答选手按下自己面前的按钮，输入电路立即输出一抢答信号，经锁存器等判别电路后，锁存第一抢答者信号，并封锁输入电路，禁止其他选手抢答，同时锁存输出信号驱动数码管显示。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。计数器选用十进制加/减计数器，计数输入由秒脉冲发生器提供。
数字式抢答器原理框图如下：
抢答按钮
锁存器
编码器
显示驱动器
数码管显示
主持人控制开关
控制电路
计时器
译码显示
秒脉冲产生电路 报警电路
计分电路
译码显示
图1
三：单元电路的设计及电路图
(1) 抢答器电路
参考电路如图2所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。
工作过程：开关S置于"清除"端时，4个触发器输出置0，使74LS148的输入使能端＝0，使之处于工作状态,发光二极管不发光。当开关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出
经RS锁存后，1Q=1, =1,74LS148处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为"5"。此外，1Q＝１，使74LS148 ＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的 此时由于仍为１Q＝１，使编码器的控制端 ＝１，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将Ｓ开关重新置“清除”，然后再进行下一轮抢答。74LS148为8线－3线优先编码器，表1为其功能表。
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图2
74LS148的功能真值表:
表1
5
(2)定时电路
图3
由节目主持人根据抢答题的难易程度，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，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计
(3)报警电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图4所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（R1＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
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图4
(4)时序控制电路
时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：
①.主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。
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。
图5
根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图5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的作用是控制的74LS148输人使能端 。图5的工作原理是：主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图11、2中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A＝1，则时钟信号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7
到时，则"定时到信号"为 1，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抢答键时，1Q＝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 =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，则"定时到信号"为0，经反相后为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。
(5)计分电路
计分电路由十进制计数器，译码器，运算器电路及显示电路组成。由于每次加分或减分都是10分，故各位总保持为零，只要十位和百位作加或减计数即可。
框图如下：
运 算 器
计 分 显 示 器
译 码 器 计 数 器
加/减分键
四．元器件的选择
1.74LS148
在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上编码信号。不过在设计优先编码器时，已经将所有的输入信号按优先顺序排了队。在同时存在两个或两个以上输入信号时，优先编码器只按优先级高的输入信号编码，优先级低的信号则不起作用。74148是一个八线-三线优先级编码器。
如图所示的是八线-三线编码器74148的惯用符号及管脚图引脚图。
8
74148优先编码器为16脚的集成芯片，除电源脚VCC(16)和GND(8)外，其余输入、输出脚的作用和脚号如图中所标。其中I0—I7为输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端。
由74148真值表可列输出逻辑方程为：
A2 = (I4+I5+I6+I7)IE A1 = (I2I4I5+I3I4I5+I6+7)·IE
A0 = (I1I2I4I6+I3I4I6+I5I6+I7)·IE
使能输出端OE的逻辑方程为：
OE =I0·I1·I2·I3·I4·I5·67·IE
当使能输入IE=1时，禁止编码、输出(反码)： A2,A1,A0为全1。
当使能输入IE=0时，允许编码，在I0～I7输入中，输入I7优先级最高，其余依次为：I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0等级排列。
OE为使能输出端，它只在允许编码(IE=0)， 而本片又没有编码输入时为0。
扩展片优先编码输出端GS的逻辑方程为：
GS = (I0+I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7)·IE
GS为片优先编码输出端，它在允许编码(IE=0)，且有编码输入信号时为0；若允许编码而无编码输入信号时为1；在不允许编码(IE=1)时，它也为1
GS = 0表示“电路工作，而且有编码输入”
74148优先编码器真值表
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2，74LS279/R-S 锁存器
简要说明: 279为四个/R-/S 锁存器，四个锁存器中有 2 个具有 2 个置位端（/SA,/SB）。
当/S 为低电平，/R 为高电平时，输出端 Q 为高电平。当/S 为高电平，/R为低电平时，Q
为低电平。当/S 和/R 均为高电平时，Q 被锁存在已建立的电平。
当/S 和/R 均为低电平时，Q 为不稳定的高电平状态。
对/SA和/SB，/S的低电平表示/SA和/SB只要有一个为低电平，/S的高电平表示/SA和/SB均为高电平。
引出端符号：
1Q~4Q 输出端
/1S~/4S 置位端（低电平有效）
/1R~/4R 复位端（低电平有效）
真值表如下：
3. 74LS192
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74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：
图7 74LS192的引脚排列及逻辑符号
图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端， 为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。其功能表如下：
输入
MR
PPPP 输出
QQQQ3 2 1 0 3 2 1 0
1 ×
0 0
0 1
0 1
4.74LS48
是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。
1
× × × × × × 0 0 0 0
d c b a d c b a
× × × × 加计数
× × × × 减计数
× ×
1
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5. 555定时器
555定时器，它基本原理是，由于电容C的两端的电压不能突变，定时器的2端电压低触发端为低电平，输出端3为高电平。电源经过R1、R2给电容C充电，当电容的电压充到电源电压的2/3时，555内部的MOS管导通，输出为低电平。接着电容通过R2和已经导通的MOS管放电，当电容的两端电压下降到低于1/3的电源电压时，MOS管截止电容放电停止，此时电源通过R1、R2再次向电容充电，如此反复，形成震荡，从而在3端得到时钟脉冲源输出，根据公式：
周期T=（R1+2R2）×C×ln2=0.7（R1+2R2）C 。
它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。
定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。
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图7 555结构原理图
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
当VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端Vo为低电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平,比较器C2输出输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管截止，输出端Vo为高电平。
当VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1、S=1，触发器状态不变，电路以保持原状态不变。
表4.2 555功能表
阀值输入（VI1）
×
<2/3Vcc
>2/3Vcc
<2/3Vcc
出发输入（VI2）
×
<1/3Vcc
>1/3Vcc
>1/3Vcc
0
1
1
1
复位（Rd） 输出（Vo ）
0
1
0
不变
导通
截止
导通
不变
放电管T
6,74ls121
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74LS121是一种常用的单稳态触发器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统之中，74LS121的输入采用了施密特触发输入结构，所以74LS121的抗干扰能力比较强.
74LS121管脚图和逻辑符号
管脚功能描述:
管脚3（A1）、4（A2）是负边沿触发的输入端；
管脚5（B）是同相施密特触发器的输入端，对于慢变化的边沿也有效；
管脚10（Cext）和管脚11（Rext/Cext）接外部电容（Cx），电容范围在10pF～10µF之间；
管脚9（Rint）一般与管脚14（VCC，接＋5V）相连接；如果管脚11为外部定时电阻端时，应该将管脚9开路，把外接电阻（Rx）接在管脚11和管脚14之间，电阻的范围在2～40kΩ之间。
其他管脚：管脚7（GND）、管脚2、8、13为空脚。
74LS121功能表
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74LS121单稳态触发电路
74LS121集成单稳态触发器的输出脉冲宽度tw，决定于Cx的充电时间常数，可用tw≈0.7RxCx估算。为了得到高精度的脉冲宽度，可用高质量的外接电容和电阻。
五.需要的元器件清单：
1. 集成电路74LS148 1片，74LS279 1片，74LS48 6片，74LS192 4片， 555
2片，74LS121 1片。
2. 电阻 510Ω 2只，1KΩ 9只，4.7kΩ l只，5.1kΩ l只，100kΩ l只，10kΩ 1只， 15kΩ 1只， 68kΩ l只。
3. 电容 0.1uF 1只，10uf 1只。
4. 三极管 3DG12 1只。
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5. 其它：发光二极管2只，共阴极显示器1只。
六，心得体会
经过这两个星期的课程设计，我收获了很多。我觉得做课程设计的同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过实践让我对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个课程设计对我的作用是非常大的。
在这次的课程设计中，我查阅了大量的资料，不仅温习了已学的知识还掌握了其他芯片的功能，真是收获颇多，这也增加了我对电子技术方面的兴趣。在这次课程设计中我遇到了一些问题和挫折，例如各个元器件的连接，计数器的运用等。但是通过和同学的讨论，老师的帮助我对抢答器的整体电路有了更好的了解。
虽然可能还有些瑕疵，设计不是那么的完美，还请老师见谅，通过这段时间的努力，我相信还是能完成基本的要求的。
这是我的第一次课程设计，它给我的人生旅途上留下了一个美好的回忆。在老师的身上我也学到了很多实用的知识，在此我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
七．参考文献
1.《数字电子技术基础》中国电力出版社 2007年8月 主编：王义军
2.《电子综合设计实验教程》 山东大学出版社 2005年7月 主编：元红妍
3.《电子技术基础实验及课程设计》机械工业出版社 2007年1月 主编：
安兵菊
4.《电子技术基础实验》（第二版）高等教育出版社 2001年 主编：陈大钦
5.《电子技术基础实验》（第三版）高等教育出版社 2008年6月 主编：陈大钦
6.《电子技术实验》 冶金工业出版社 2007年4月 主编：郝国法 梁柏华
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