四路抢答器完整版.docx

华北科技学院

课程设计说明书

班级：电子 B071姓名：郭亚立设计题目：四路智能抢答器

设计时间：2010.1.9至 2010.1.22学号：200703014138

指导教师：杜志伟

评语：

评阅成绩：评阅老师：

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四路抢答器设计报告

目录

一、设计任务和要求： ...................................................................................................................- 3 -

1.1设计任务 ..................................................................................................................................- 3 -

1.2设计要求 ..................................................................................................................................- 3 -

二、设计方案的选择与论证...........................................................................................................- 4 -

2.1方案的选择、论证 ..................................................................................................................- 4 -

2.2设计总方案 ..............................................................................................................................- 4 -

三、电路设计计算与分析.................................................................................................................- 5 -

3.1抢答器控制电路设计 ..............................................................................................................- 5 -

3.1.1优先编码器 74LS148 .....................................................................................................- 7 -

3.1.2锁存器 74LS279 ............................................................................................................- 9 -

3.1.374LS121 单稳态触发器： (10)

3.2定时时间电路的设计 (10)

3.2.1计数器 74LS192 (12)

3.3控制电路和报警电路 (13)

3.3.1振荡电路 (17)

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3.4整体仿真 (19)

四、总结及心得 (20)

五、附录 (22)

5.1主要元器件列表 (22)

5.2总原理图 (23)

六、参考文献 (24)

一、设计任务和要求：

1.1设计任务

设计一台可供 4 名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。用数字显示抢答倒计

时间，由“ 9”倒计到“ 0”时，无人抢答，蜂鸣器鸣响。选手抢答时，数码显示

选手组号，同时蜂鸣器鸣响，倒计时停止。

1.2设计要求

1) 4 名选手编号为： 1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选

手的编号对应，也分别为 1，2，3，4。

2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭

灯）和抢答的开始。

3)抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答

按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬

声器给出音响提示，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。抢答器具有定时（15 秒）

抢答的功能。

4)当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计

时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响。参赛选手在设定时间

（15 秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，同时定时器停止倒计时，

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。

5)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 0。

6)用石英晶体振荡器产生频率为 1Hz 的脉冲信号，作为定时计数器的 CP

信号。

二、设计方案的选择与论证

2.1方案的选择、论证

方案一：用一片四D触发器74LS175和四输入2 或非门CD4002实现。四D 触发器输出经四输入或非门到四路抢答按键开关，加到触发器的四个输入端，同时经四输入或非门和反相器作为四 D触发器的时钟信号，四 D 触发器清零端经上拉电阻接电源，同时经过清零控制开关到地。电路简单成本低，稍加扩展就能达到实用化。

方案二：用一片八线－三线优先编码器74LS148、四 RS触发器 74LS279和七段译码器 74LS48实现数显四路（八路）抢答器，电路稍显复杂，但功能较完

善。

方案一电路简单能够满足要求，但是由于需要 4 个 4D触发器，接线繁琐，增加了电路设计与仿真的难度，方案二用集成器件，电路减小了体积，提高了稳定性，并且可以应用EDA 软件仿真、调试，易于进行功能扩展。故采用方案二设计。

2.2设计总方案

本设计电路主要由控制电路、脉冲产生电路、锁存电路、编码及译码显示电路、倒计时电路和报警产生电路组成。如图 1 所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到 " 清零 " 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 ; 开始 " 状态，宣布 " 开始 " 抢答器工作。定时器倒计时。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。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 1. 四人智力竞赛抢答器框图

三、电路设计计算与分析

3.1抢答器控制电路设计

设计电路见图 2 所示。电路选用优先编码器74LS148 和锁存器 74LS279来完成。

抢答器控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：

1)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，

同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码管显示）。

2)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。

3）当主持人清零后，可再次进行抢答。

工作过程：

开关 J5 置于“清除”端时， RS触发器的 R、S 端均为 0，4 个触发器输出置0，使 74LS148的优先编码工作标志端（图中 5 号端） =0，使之处于工作状态。当开关 J5 断开， J6 置于“开始”时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢

答按键按下时（如按下J2）， 74LS148的输出经 RS锁存后， CTR = 1,RBO(图中

4 端) =1, 七段显示电路 74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q= 010, 经译码显示为“ 2”。此外， CTR=1，使 74LS148 优先编码工作标志端（图中 2 号端） =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CTR=1，使优先编码工作标志端为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

J5 开关重新置“清除”然后才可能进行。

仿真结果

3.1.1优先编码器74LS148

74LS148 为 8 线－ 3 线优先编码器，表3.1.1 为其真值表，下图为其管脚图。

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Y 0 9 I

1 16 V

CC

Y 1 7 4 I 5

2 15

Y S

Y 2

6

I 6

3 14

Y

EX

48

I

7

4 74LS148 13

I 3

Y

EX

14

S(E) 5 12 I 2

Y 2 6 11 I 1

Y 1 7 10 I 0 Y s

15

GN D

8

9

Y 0

(b)

74LS148 管脚图

表 3.1.1 74LS148 8 线— 3 线二进制编码器真值表

74LS148 工作原理如下：

该编码器有 8 个信号输入端， 3 个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端 EI ，输出使能端 EO 和优先编码工作状态标志 GS 。当 EI=0 时，编码器工作；而当 EI=1 时，则不论 8 个输入端为何种状态， 3 个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平， 编码器处于非工作状态。 这种情况被称

为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当 EI 为 0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑 0）时，优先编码工作状态标志 GS 为 0。表明编码

器于工作状，否1。

由功能表可知，在 8 个入端均无低平入信号和只有入0 端（先

最低位）有低平入，A2A1A0均 111，出了入条件不同而出代

相同的情况，可由GS的状加以区，当GS＝1 ，表示 8 个入端均无低平入，此A2A1A0=111非出； GS＝0 ， A2A1A0=111表示响

入 0 端低平的出代（出）。EO只有在 EI0，且所有入

端都 1 ，出 0，它可与另一片同器件的EI 接，以便成更多入

端的先器。

从功能表不看出，入先的次7，6，??， 0。入有效信号

低平，当某一入端有低平入，且比它先高的入端无低平

入，出端才出相的入端的代。例如50。且先比它高的

入 6 和入 7 均 1 ，出代010，就是先器的工作原理。

3.1.2锁存器74LS279

原理：在 74ls279 中，由于 4 回路中 2 回路置位端子两个，所以使用其一，整理两个置位入作 1 个使用，或将另一个入固定“H使”用。另外，作稍微化 74LS279 的使用方法，也可将 3 作 RS 存器使用，剩余的 RS 存器作 2 入 NAND 路使用，复位入例如①管脚固定” L”其

入“ H”，所以可构成将②和③作入，出④的 2 入 NAND ，此

如 4.2. 所示。

图

74LS279 管脚引线图

3.1.374LS121 单稳态触发器：

3.2定时时间电路的设计

原理及设计：

该部分主要由 555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器 74LS192 减法计数电路、 74LS48 译码电路和 1 个 7 段数码管即相关电路组成。具体电路如图3 所示。一块 74LS192 实现减法计数，通过译码电路 74LS48 显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。 74192 的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据共阴极七段数码显示管 DPY_7-SEG 上，当有人抢答时，停

止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，输出低电平到时序控制电路，控制74LS48 使 0 闪烁，同时以后选手抢答无效。

由 555 定时器产生时间基准信号秒脉冲。振荡周期为15 秒脉冲信号经两级有预置功能的可逆十进制计数器74LS192对时钟信号进行计数，当计数到达预置的时

间，计数器产生溢出而封锁计数脉冲，使计数器停止计数。数码管指示时间值。具体电路如下图：

仿真结果

3.2.1计数器74LS192

十进制可逆计数器 74LS192（54/74194 ）两个引脚图管脚及功能表如下：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：

（ a）引脚排

列(b)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：

输入输出MR P3P2P1P0Q3Q2Q1Q0

1×××××××0000

00××d c b a d c b a

011××××加计数

011××××减计数

3.3控制电路和报警电路

由 555 芯片构成多谐振荡电路，震荡频率

f=1/(R1+R2)C ㏑ 2≈1.43/(R1+R2)C

555的输出信号再经或门控制显示闪烁。控制电路包括时序和报警两个电路，

如图所示。控制电路需具有以下几个功能：

主持人闭合开关，多路抢答器电路和计时电路进入正常状态；

参赛者按键时，抢答电路和计时电路停止工作；

抢答时间到，无人抢答， 0 闪烁，抢答电路和计时电路停止工作。

由功能表可以看出，要使电路实现倒计时（减法）功能，应使CR=0，PE 非 =1，CP+=1，CP-=CP。可用 CR 端接电平开关来控制计时器的工作与否。

闪烁显示电路需要在一种情况下做出反应当裁判员给出“请回答”指令后，计时器开始倒计时，若回答问题时间到达限定的时间，扬声器发声及灯闪烁。

报警电路

控制电路由两部分组成：

一是由门电路组成的抢答与定时控制的时序控制电路，二是 74LS121 驱动报警电路的时序电路。

门控电路主要由或门组成，它的两个输入，一个来自由555 芯片构成多

谐振荡电路，另一个来自计时系统高位计数器的借位信号QB，它说明计时电路

在 3 秒， 2 秒， 1 秒， 0 秒倒计时再向 9 秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲

经反相器得到一个高电平。这个高电平信号或上方波信号就使显示器闪烁。

集成单稳态触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间, 具体原理如下：主要由 555 时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制

电路组成。单稳态触发器74121 通过信号/Ys 、BO2、S 控制报警与否和报警时间，555 时钟电路产生脉冲时钟。在规定的时间有人抢答时， /Ys 由 1 跳变

到 0，74121 有状态 2，即 Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间

为 =2.15 秒；如果在规定时间内无人抢答，BO2由 1 跳变到 0， 74121 有状态 1，

Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为

结合警电路，分析计算如下：。取C＝100uF, R=25K,。有＝ 2.15秒。

仿真结果1、倒计时

2、时间到，蜂鸣器响，绿灯闪烁

3.3.1振荡电路

本系统需要产生频率为500KHZ 的脉冲信号，用于触发器的CP 信号，及频率为 1HZ 信号用于计时电路。以上电路可用555 定时器组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频得到。

图 5

主要参数：电源电压为 4.5-18V ，最大输出电流为 200mA，工作温度范围为 -55 o C-125o C。

3.3.2 74LS121单稳态触发器

3.4整体仿真