四路抢答器 (完整版)

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：

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 -

3.1.3 74LS121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 -

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74L S148

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。

Y 1

Y 2Y EX

Y s Y 976

14154801234567874LS148161514131211109

I 4I 5I

6I 7S (E )Y 2Y 1GN D V CC Y S Y EX I 3I 2I 1I 0Y 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

器处于工作状态，否则为1。

由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS＝0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。

从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，……，0。输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如5为0。且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理。

3.1.2锁存器74L S279

原理：在74ls279中，由于4回路中2回路置位端子为两个，所以使用其一时，整理两个置位输入作为1个使用，或将另一个输入固定为“H”使用。另外，作为稍微变化74LS279 的使用方法，也可将3组作为RS锁存器使用，剩余的RS锁存器作为2输入NAND门电路使用，复位输入例如①管脚固定为”L”时其输入为“H”，所以可构成将②和③作为输入，输出为④的2输入NAND，此变换如图4.2.所示。

图

74LS279管脚引线图

3.1.374L S121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74L S192

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 P3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q0

1 ×××××××0 0 0 0

0 0 ×× d c b a d c b a

0 1 1 ××××加计数

0 1 1 ××××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-55o C-125o C。

3.3.2 74LS121单稳态触发器

3.4整体仿真