八人数字抢答器..

目录

一、设计任务与要求 二、设计目的

三、抢答器的系统概述 3.1 抢答器的工作原理 3.2 抢答器的系统需求分析 3.3 抢答器的工作流程 3.4 抢答器的工作过程 四、抢答器的电路设计 4.1 抢答器的总体结构 4.2 优先判断与编号锁存电路 五、抢答器的单元设计电路

5.1 抢答器设计中的优先编码电路 5.2 抢答器设计中的定时电路 5.3 抢答器设计中的报警电路 5.4 抢答器设计中的时序控制电路 5.5 七段显示译码器与数码管 5.6 抢答器的优点及组成 六、总结与体会 参考文献

一、 设计任务与要求

1. 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。 2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

6. 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。

二、设计目的

通过课程设计，对数字逻辑的基本内容有进一步的了解，特别是时序逻辑电路的设计。能把上学期学到的数字逻辑理论知识进行实践，操作。在提高动手能力的同时对常用的集成芯片有一定的了解，在电路设计方面有感性的认识。而且在进行电路设计的时候遇到问题，通过的思考有利于提高解决问题的能力。在经过课程设计后，更明白数字逻辑电路设计的一般方法，以及在遇到困难怎么排除问题。

三、抢答器的系统概述 3.1抢答器的工作原理简介

如图3-1所示为抢答器的结构框图，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。扩展电路完成检测数码管工作情况。其工作原理为：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，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置于\"开始\"状态，宣布\"开始\"抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。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。

图3-1 抢答器结构框图

3.2 抢答器系统的需求分析

1、在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。 2、抢答限定时间和回答问题的时间可是在1～99s设定。

3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示。 4、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。 5、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。

3.3抢答器的工作流程

抢答器的基本工作原理:在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。在整个抢答器工作过程中，显示电路、语音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。抢答器的工作流程分为、系统复位、正常流程、违例流程等几部分，如图3-2所示。

加载程序

运 行 正常流程 违规流程 开始 开始前有选手抢按 开始数码管显 显示违例选手号示FFF开始抢 码并伴有语音报按时间倒计时 警 倒计时结 有选手 束，超时 抢按 显示FFF 显示选手号码，倒计 时时间,语音报警，答 题,答题时间倒计时 若超过答题 答题完毕 时间，则数 码管显示FFF 根据选手表现，规 则由主持人减分

图3-2 抢答器的工作流程

3.4 抢答器的工作过程

1、如果想调节抢答时间或答题时间,按\"加一\"键或\"减一\"键进入调节状态,此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值,如想加一秒按一下\"加1s\"键,如果想减一秒按一下\"减1s\"键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0~99s, 0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。

2、主持人按\"抢答开始\"键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设15s抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设10s抢答时间），不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。

3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按\"停止\"按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按\"抢答开始\"进入下次抢答计时。

4、如果主持人未按\"抢答开始\"键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED上不断闪烁FF和犯规号数并响个不停，直到按下\"停止\" 键为止。

总而言之，本课题利用简单逻辑数字电路设计了抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。

四、抢答器的电路设计 4.1抢答器的总体结构

如图4-1所示为总电路图，图4-2所示为总体方框图。接通电源后，后台工作人员将检测开关S置“检测”状态，数码管在正常清除下，显示“

”；当后台

工作人员将检测开关S置“抢答”状态，主持按系统清除按键，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人松开，宣布“开始”，抢答器工作。选手按动抢答按键，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示。当一轮抢答之后，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。如果再次抢答必须由主持人再次按动系统清除按键。

图4-1总电路图

图4-2 总体方框图

4.2优先判断与编号锁存电路

优先判断与编号锁存电路如图4-3所示。电路选用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS279 来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：系统清除按键按动时，74LS279的四个RS触发器的置0端均为0，使四个触发器均被置0。1Q为0，使74LS148的使能端EN=0，74LS148处于允许编码状态，同时1Q为0，使74LS48的灭灯输入端BI=0，数码管无显示。这时抢答器处于准备抢答状态。

当系统清除按键松开时，抢答器处于等待状态。当有选手将按键开关按下时，抢答器将接受并显示抢答结果，假设按下的是S4，则74LS148的编码输出为011，此代码送入74LS279锁存后，使4Q3Q2Q=100，

亦即74LS148的输入为0100；又74LS148的优先编码标志输出GS为0，使1Q=1，即BI=1，74LS48处于译码状态，译码的结果显示为“4”。同时1Q=1，使74LS148的EN=1，74LS148处于禁止状态，从而封锁了其他按键的输入。此外，当优先抢答者的按键松开再按下时，由于仍为1Q=1，使EN=1，74LS148仍处于禁止状态，确保不会接受二次按键时的输入信号，保证了抢答者的优先性。

（74LS148为8线－3线优先编码器，表4-1为其真值表，图4-4为逻辑图； 74LS279为四个/R－/S 锁存器，表4-2为其真值表，图4-5为逻辑图。）

R总VCC系统清除按键HPRI/BCD抢答按键S0S1S2S3S4S5S6S7RLRES2LEDGND10111213123450/Z101/Z112/Z123/Z134/Z145/Z156/Z167/Z17V18ENa101112131415161711235610111297614151R1S11S22R2S3R3S13S24R4S1Q41Q18a15142Q72Q3Q93Q1a2a4a4Q134Q

图4-3 优先判断与编号锁存电路

Inputs EI 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 2 3 1 1 1 4 1 X X X X X X X X 1 1 1 X X X X X X X 0 X X X X X X 0 1 X X X X X 0 1 1 X X X X 0 X X X 0 X X 0 1 X 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 Outputs 5 6 7 A2 A1 A0 GS EO 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 表4-1 74LS148真值表

图4-4 74LS148逻辑图

Inputs Outputs S 1 0 1 0 R 1 1 0 0 Q Ｑ０ 1 0 x 表4-2 74LS279真值表

图4-5 74LS279逻辑图

五、抢答器的单元电路设计

简易逻辑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。现简单介绍抢答器设计中的优先编码电路、定时电路、报警电路、时序控制电路、七段显示数码器及译码管电路。

5.1抢答器设计中的优先编码电路

参考电路如图5-1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，RS触发器的R端均为０，4个触发器输出置０，使74LS148的ST＝０，使之处于工作状态。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Y2Y1Y0010,YEX0,经RS锁存后，1Q=1，BI=1，74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经译码显示为“5”。此外，1Q＝１，使74LS148ST＝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YEX1,此时由于仍为1Q＝１，使ST＝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开关重新置于“清除”然后再进行下一轮抢答。

( 74LS148为８线－３线优先编码器。表5-1为74LS148的功能真值表。)

图5-1 优先编码电路

表5-1 74LS148的功能真值表

5.2抢答器设计中的定时电路

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。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路如图5-2所示。本设计是以555构成震荡电路，由74LS192来充当计数器，构成抢答器的倒计时电路。该电路简单，无需用到晶振，芯片都是市场上容易购得的。设计功能完善，能实现直接清零、启动。

图5-2定时电路

5.3抢答器设计中的报警电路

由555定时器和三极管构成的报警电路如图5-3所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋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。

图5-3 报警电路

5.4抢答器设计中的时序控制电路

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 5-4 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图 5-4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的输人使能端 。图4-3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4-1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，在定时时间未到时，则\"定时到信号\"为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，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，则\"定时到信号\"为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。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。

5.5七段显示译码器与数码管

七段显示译码器与数码管如下图5-5所示。7段显示译码74LS48将锁存器74LS279的信号译码，输出给数码管。当后台工作人员将S置于GND，LT=0，使灯测试输入端（图中3号）=1，这时测试数码管工作情况；当后台工作人员将S置于Vcc，LT=1，使灯测试输入端（图中3号）=1，这时正常译码。

（74LS48为4线－七段译码器/驱动器，表5-2为其真值表，图5-6为逻辑图）

VCCSGND4537126&CT=0V201248BIN/7-SEG[T2]1G21a 20,21b 20,21c 20,21d 20,21e 20,21f 20,21g 20,2113121110915147219105abcdefgdpDPYafegdbcdp 图5-5 7段显示译码器与数码管

Inputs Outputs b c d e f g LT 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X 1 0 RBI 1 X X X X X X X X X X X X X X X X 0 X D C B A BI/RBO a 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 BI RBI 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 X X X X LT X X X X 表5-2 74LS48真值表

图5-6 74LS48逻辑图

5.6抢答器的优点及组成

在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。利用单片机系统来设计抢答器，使以上问题得以解决，即使两组的抢答时间相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。本文主要介绍了简单逻辑数字电路抢答器的设计及工作原理，以及它的实际用途。 六、总结与体会（自己写）

参考文献

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[2]毛法尧等. 《数字逻辑》[M]. 武汉：华中理工大学出版社， 1996， 176-178，

[3]康华光,邹寿彬.《电子技术基础数字部分（第四版）》[M]. 北京:高等教育出版社,2005，144-146，162-163.

[4]谢自美. 《电子线路设计实验测试》[M].华中科技大学出版社, 2007，44-47. [5]刘海燕. 《数字电路制作与调试》 [M]. 电子工业出版社, 2008.05， 01-04. [6]谢自美.《电子线路设计·实验·测试 (第二版)》[M].上海:电子工业出版社,2001，66-71.

六 心得体会

在设计之前，参考了许多相关的资料。在设计中又参考了以前讲过的四路抢答器的原理图，有了基本的思路。

但着手设计时，又出现了许多未预料到的问题，例如元件的选择：在选择编码器时，是采用普通编码器还是优先编码器。普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。所以选择了优先编码器。但是74LS系列中众多不同管脚的类型，选择哪个作编码器。经过查找，选择了74LS192，因为想用数字的形式显示抢答者的编号，所以选择了数码显示管，但数码显示管不能直接，数码显示管需要由TTL或CMOS集成电路驱动，所以在TTL还是CMOS集成电路上又进行了比较和选择。最后选择了数显译码器，用它将输出的二进制代码译成相对应的高、低信号，用其作为数码显示管的驱动信号，数码显示管显示出相对应的选手编号。在音响电路中，根据设计需要选择了555定时器。 在一些设计原理上也遇到了许多新问题。发现当电源接通后，无论有无人按按钮都会使音乐集成电路通电发出声响，经同学以及老师的指证，发现导通的原因，并及时的改正。 通过这次八路抢答器的设计，我发现了以往学习中的许多不足，也让我掌握了以往许多掌握的不太牢的知识，感觉学到了很多东西。三周的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐性和坚持下去的毅力。在整个电路的安装调试的过程中，花费时间最多的是各个元件电路的连接，电路的细节设计以及连完线路后的检查工作上，其中在连接电路是出现问题比较多，在555元件和74LS192元件的连接的调试的时候出现了问题在老师的指导和讲解下我门有了更深刻的认识，同时对元件的原理的功能了解的更多更深刻。在这次过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当的烦琐，有时花很长时间检查电路故障，分析原因，那时心中就有点灰心，有时还特别想放弃，此时更需要静下心来，更仔细的查找原因。

总之，这次实验过程中我受益匪浅，在摸索我和我的搭档实现了课题所要求的结果。培养了我的设计思维，增加了动手操作的能力。更让我体会到实现电路功能喜悦。

八、课程设计体会

这次课程设计的电路是比较复杂的。虽然以前在模电课程设计中接触过一些电子电路，但在初期还是感到无从下手。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在通多次对电路的改进，上机仿真以及接线调试，终于使整个电路可稳定工作。设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的

电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。

设计单元电路阶段，这个阶段可以说是考察数电书本知识的阶段。所有的设计方法还有步骤在数电书上都有，而且还有例题。这个阶段遇到的主要问题就是以前的知识忘记不少，所以做设计的时候要常随手翻阅课本，等于是做了几道数电作业题。这个阶段的难度也不是很大，一般翻课本就可以找到答案并解决问题。

实验阶段可以说是这次设计中最重要的部分，因为以前的只是理论而不是真正的实体。所以说它是最重要的。实验阶段我们遇到的问题有：对软件不熟悉；对实验过程中信号的测量知识学习很少；因为各个模块是分开做而后又组装到一起的，所以兼容性不是很好（也就是不能融合为一个整体，部分工作能行但是接到一起就会出现问题）;针对以上几个问题我们作出了以下的“对策”:软件不熟悉，就借来参考书，一步一步的对着学，而且老师给的资料上也有软件的使用说明，所以随着接触的增加软件也就越来越熟悉，这方面的问题不是太难因为一边理论一边学习正好是学习的好方法，而且也学的特别快。

制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，电路的焊接要一步一步来，焊点多，走线复杂。这又要我们要灵活处理，一边操作一边构思，在不影响试验的前提下加快进度。