八位竞赛抢答器课程设计报告

目录

引言 (3)

1 设计意义及要求 (4)

1.1 设计意义 (4)

1.2 设计要求 (4)

2 方案设计 (5)

2.1 设计思路 (5)

2.1.1 模块化设计框架图 (5)

2.1.2 各个模块的实现 (5)

2.1.3 关于实现功能拓展的设计思路 (6)

2.2 方案设计 (6)

2.2.1 方案一 (7)

2.2.2 方案二 (8)

2.3 方案比较 (10)

3 部分电路设计 (10)

3.1 基于NE555芯片的脉冲发生器 (10)

3.2 数据锁存部分......................................... - 12 -

3.3 数据编码部分......................................... - 13 -

3.4 数据的显示部分....................................... - 14 -

4 调试与检测................................................ - 17 -

4.1 调试过程中的故障及解决办法........................... - 17 -

4.2 调试与运行结果....................................... - 17 -

5 仿真操作步骤及使用说明 (20)

结束语 (22)

参考文献.................................................... - 23 - 附录........................................................ - 24 -

引言

数字技术作为当今世界上发展最快的一门科学，已被广泛地应用于计算机、自动控制、电子测量仪表、通信等各个领域。例如，在生活中，很多关于智力竞赛的电视节目的抢答环节就很好的应用了数字技术。

关于竞赛抢答器的设计，最重要的是完成当参赛选手们可以开始抢答后，每次只可能有一个人抢答成功这一功能。本实验设计中，以八位竞赛抢答器为例，从设计思路、方案的选择与论证、设计基本原理以及仿真结果等系统的介绍这种抢答器实现相应功能的全部过程，并会在实现基本功能的基础上实现部分的拓展功能。

八路竞赛抢答器设计

1 设计意义及要求

1.1 设计意义

在很多关于智力竞赛的电视节目上，经常会出现抢答环节，参赛选手们在得到主持人发出的特定口令之后，都会争先恐后地按下抢答器，但每次抢答环节只有可能产生一位抢答成功的选手，同时可以断定这位参赛选手肯定是反应最快按下抢答器的。设计一个功能类似的八位抢答器不仅能够让大家进一步了解这种抢答器的工作原理，而且还能在功能上提出一些好的想法和思想，甚至可以实现部分新的功能，如果人们不断的进行具有创新性的设计实验，也许过不久那些竞赛类的电视的抢答模式就会发生一定的改变和创新，从而增加了节目的观赏性，进一步丰富大家的娱乐生活。

1.2 设计要求

（1）八个选手或代表队参加比赛，编号0，1，2，3，4，5，6，7，各用一个抢答按钮，其编号与参赛者的号码一致。此外，一个按钮给主持人用来清零；

（2）抢答器具有数据锁存功能，并将所锁存的数据用数码管显示出来；

（3）数码管不显示后动作选手编号，只显示先动作选手编号，并保持到主持人清零为止。

2 方案设计

2.1 设计思路

2.1.1 模块化设计框架图

图2-1 模块化设计框架图

2.1.2 各个模块的实现

（1）脉冲发生器的实现

根据本实验的具体要求，锁存器需要有脉冲信号的输入，及需要有相应的脉冲发生器。结合我掌握的知识，利用NE555芯片以及一些简单的元器件便可产生连续的脉冲信号。 （2）数据锁存部分的实现

实验设计要求是制作一个八位竞赛抢答器，需要对代表八位参赛选手的状态（“0”或“1”）进行相应的锁存，为了电路的简化，应该采用D 触发器来实现锁存功能，则对于要实现对八位数据的锁存这一功能，可以使用两块集成了四个D 触发器的74LS175芯片。 （3）数据编码部分的实现

编码部分是对锁存的数据进行编码，由于只有八个参赛选手，故只需要用八个不同的数字便可以代表所有的参赛选手，如是乎只要采用能对八位数据进行编码并能有八种或八种以上的输出的编码器即可达到要求。 （4）数据显示部分的实现

对于这样的一个仅需要显示数字的设计，很容易联想到使用七段数码管来实现的数字的显示，而且七段数码管可以显示16种不同的输出，对于这种只需要有不少于八种的输

出的设计来说，七段数码管完全可以达到要求。一般的七段数码管有10个数据输入端，所以需要有相应的译码器对输送过来的编码后的数据进行译码操作，并且这种译码器的选择必须结合数码管是共阴还是共阳的情况而定。

2.1.3 关于实现功能拓展的设计思路

（1）实验设计的基本要求中没有提到主持人实现清零后，数码管该显示什么，这样在设计过程中我们就可以有多重选择了，本设计中设计的是让主持人清零之后，数码管没有任何显示。

这一功能可以通过基本的门电路来实现，把主持人和参赛选手接入的信号作为输入信号，通过门电路整合，使得到的输出信号来控制数据显示部分。

（2）设计要求中没有提到参赛选手提前抢答会造成犯规的这一功能，理论上会存在有参赛选手犯规的情况的发生，这样实际中增加一个抢答犯规的功能是有一定的必要性的，同样要实现这一功能，可以通过门电路的组合，收集主持人和参赛选手接入的信号，把输出信号接到一个报警装置上，实现当主持人还未发出开始抢答指令的时候，若有参赛选手抢答了，报警装置会报警的功能。

2.2 方案设计

结合上述的设计思路，本设计应该包括脉冲发生器部分、数据锁存部分、数据编码部分以及数据的显示部分这四个主要部分，脉冲发生器由NE555芯片以及电阻、电容等元器件组成，数据锁存部分主要是由两块74LS175芯片组成，数据编码器部分可选择8线—3线编码器74LS148或者10线—4线编码器74LS147，数据显示部分可由共阴极七段数码管和与之相匹配的译码器74LS48组成；除此之外，还有一个很重要的控制部分，它主要包含着主持人和参赛选手的信号接入端的选择，主要内容有：主持人控制着锁存器是否开始工作，参赛选手控制着最终数码管的显示的数字，主持人和参赛选手共同控制有人抢答犯规致使报警器报警的功能等。根据选择的元器件以及实现的拓展功能不同可以设计出两种方案。

2.2.1 方案一

（1）设计电路图

图2-2 方案一设计原理图

（2）电路设计的基本原理

首先，图中共有9个单刀双掷开关，写着标注有“裁判”字样的代表主持人，其余的8个单刀双掷开关分别对应着与自身编号一致的参赛选手，每个单刀双掷开关均连接到了锁存器部分的74LS175芯片上，代表参赛选手的开关连接到了74LS175的数据输入端，代表主持人的开关连接到了74LS175的MR清零端，故对于裁判来说，开关掷向“0”代表清零，表示还没有开始抢答，掷向“1”代表可以开始抢答；对于参赛选手来说，初始情况下所有参赛选手都是掷向“0”，主持人宣布开始抢答之后，若掷向“1”便代表抢答。

NE555芯片的输出端3输出脉冲信号，两个四输入“或非门”7425分别将两块74LS175的输出端的Q1、Q2、Q3、Q4输出的信号求“或非”，记两个7425芯片输出的信号为Y1、Y2，然后将脉冲信号和Y1、Y2通过三输入与门，并把输出连接到两块74LS175的脉冲输入端CLK，记该输出信号为Ｙ。初始情况下，由于所有的开关均掷“０”，所以74LS175的清零端也接“0”，于是其输出端Q1、Q2、Q3、Q4的输出均为零，Y1=Y2=1，所以Y 等价于脉冲信号，及脉冲信号可以到达锁存器的脉冲输入端，锁存器的输出可以实现跳变；开始抢答之后，裁判开关掷向“1”，则锁存器的的清零端MR无效，此时脉冲信号成功接入到74LS175的脉冲输入端，一旦有参赛选手（第一个抢答的选手）将其对应的开关掷“1”，则在脉冲信号接入的情况下，两片74LS175的八个输出端肯定有输出为“1”的输出，这

样Y1、Y2中肯定有一个等于“0”，则Y=0，所以之后脉冲信号就不能通过与非门而到达74LS175的脉冲信号输入端，这样由于无脉冲信号的输入，74LS175的输出恒定不变，那么第二个抢答的选手抢答将开关掷向“1”也不会改变最后的输出结果，实现了每次抢答只可能有一个人抢答成功的功能。

此方案中数据编码部分是采用了8线—3线的编码器74LS148，由于其输入为低有效，故将74LS175的反向输出端接入到其数据的输入端，根据编码器的功能可知，当使能端EI接“0”时，74LS148的输出端输出的值按照8421BCD码的形式呈现，并且等于其输入端中输入有效信号的的端口对应的数字，输入端对应的数字有0，1，2，3，4，5，6，7，故其输出也能输出这八种值，将编码后的值输入到74LS48的三个低位输入端，并将其最高位输入端接地，将74LS48的输出端对应的接入到共阴极的七段数码管的输入端，数码管的接地端接地，这样在74LS48正常工作的情况下，经过74LS148编码后所得到的值便能在数码管上得以显示。

至于设计思路中所提到的要实现在主持人清零之后，数码管没有任何显示的功能，可通过将八个代表参赛选手的开关接入的信号求“或”（原理图中的将代表八位参赛选手的开关分别先每四个求“或非”然后求“与非”的过程其实就等效求“或”的功能），然后将得到的信号与代表裁判的开关所接入的信号求“与”输入到74LS48的BI/RBO，根据74LS48的功能表可知，当BI/RBO接入“0”时，其输出端全部输出为低，那么数码管将不会有任何显示，这样只有裁判将开关掷“1”，并且参赛选手中有人将其对应的开关也掷“1”时才可以使数码管显示与该参赛选手序号对应的数字，当裁判清零之后就可以使数码管无显示。

2.2.2 方案二

（1）设计原理图

图2-3 方案二设计原理图

（2）电路设计的基本原理

与方案一中的不同是，此方案在数据编码部分采用的是10线—4线的编码器74LS147，这种改变主要是为了在功能上实现一定的改变。根据实际情况，一般参赛选手的编号都是从1号开始，不会出现0号，该设计就是为了使数码管显示1至8这八个数字来代表八位参赛选手，而且要求中提到的主持人可以清零，该设计中主持人清零就是使数码管显示的数字为0，使清零操作“名副其实”。

除此之外，该设计还增加了参赛选手由于提前抢答犯规造成报警的功能。

但从整体的角度上看，方案二和方案一的基本组成模块是一样的，只是在功能上实现了改善和优化。设计过程中，将74LS175的八个反向输出端接入到74LS147的八个低位输入端，而74LS147的最高位输入端接“1”使该输入端无效，根据74LS147的功能表，将它的四个输出端通过非门后接入74LS48的的四个输入端，在74LS48正常工作的情况下，数码管就能显示1至8这八种数字。

该方案中的控制部分和方案一中的相同，代表裁判的开关控制着74LS175的清零端MR是否有效，脉冲信号也是通过74LS175的输出反馈到一个门电路来控制脉冲信号是否能够传送到脉冲信号接收端。至于犯规报警功能则是通过将裁判控制的开关和参赛选手所控制的开关所接收的信号，通过一定的门电路组合将输出接到蜂鸣器的正极上，实现当代表裁判的开关掷“0”且代表参赛选手的开关中有掷“1”时，输出为高电平，蜂鸣器报警的功能。本质上这种功能易于实现，该方案中具体是将八个参赛选手所控制的开关所收集

的信号求“或非”，然后将所得的信号与裁判控制开关所接收的信号的“非”求“与”，最

后的输出接到蜂鸣器的正极上。

2.3 方案比较

相同点：两个方案都能完成实验设计的基本要求，而且原理都比较容易懂，电路图也较为简单，并且在功能上对实验设计要求中所不确定的，关于主持人清零后数码管的显示问题都做了具体的设计，使这种情况下数码管的显示都是稳定的情形。

不同点：方案二较方案一而言，在功能设计上更为人性化，更能满足实际需求：方案一只能显示0至7这八个数字，分别代表八位参赛选手，主持人清零后数码管不显示任何数字，而方案二可以显示0之8九位数字，其中1至8分别代表八位参赛选手的序号，而0则代表主持人执行清零操作之后数码管所显示的数字，相比之下方案二更符合实际情况；另外，方案二增加了如有参赛选手在主持人宣布开始之前已经抢答则有报警的功能，显然这在实际比赛过程中有可能发生的事情，这种功能具有一定的使用性。

总之，两者方案在进行比较之后，可以很明显的发现方案二是更合适的选择。

3 部分电路设计

3.1 基于NE555芯片的脉冲发生器

图3-1 NE555引脚图图3-2 NE555内部电路图

图3-3 此设计方案中的脉冲信号发生器原理图

表3-1 NE555芯片的功能表

（1）脉冲发生器的基本原理

根据NE555芯片的功能表，并结合该脉冲信号发生器的原理图可知，初始情况下电容C1两端的电压为零，所以TH和TR的电势小于三分之一倍的VCC，所以输出为高，然后电源通过R1、R2这条通路给电容充电，当电容两端的电压超过三分之二倍的VCC时，输出为低，三极管导通，于是电容就R2、三极管这条通路进行放电，电压下降，当电压值刚刚小于三分之一倍的VCC时，NE555输出为高，三极管截止，电源开始对电容充电。周

而复始，便可得到一定周期的脉冲信号。

（2）脉冲信号发生器的元器件选择

由于必须保证在参赛选手将开关掷向“1”的这一瞬间过程中，能出现脉冲信号的跳变沿，故最好使得脉冲信号的周期小于人的反应时间。根据电容充电放电的计算中式可知，当R1=R2=10K，C=0.01uf时，该脉冲发生器产生脉冲信号的周期约等于0.02ms，远远小于人的反应时间，故这种元器件的参数选择满足设计要求。

3.2 数据锁存部分

74LS175

图3-4 74LS175的引脚图

表3-2 74LS175的功能表

图3-5数据锁存部分原理图

本设计中将两块74LS175芯片的输入端和八个代表参赛选手的开关相连接，这样在有上跳沿脉冲信号的作用下，锁存的输出端输出与之对应的开关所接入的信号；代表裁判的开关连接到该芯片的清零端，当裁判开关掷向“0”时，所有的输出端输出低电平，表示还没开始抢答，当裁判开关掷“1”后，清零效果解除，输出信号取决于相应的输入信号。

3.3 数据编码部分

该部分具体使用74LS148芯片对锁存器的输出信号进行编码，然后将数据传输给与七段数码管对应的译码器的输入端。

图3-5 74LS148的引脚图

表3-3 74LS148的功能表

结合其功能表，将EI端直接接地，把锁存器的一共8个反向输出端按照次序接入到74LS148的输入端，便可以使的74LS148的输出信号的8421BCD码值等于对应作用开关的序号

3.4 数据的显示部分

数据的显示部分有共阴极的七段数码管和与之对应的译码器74LS48组成，实现数码管显示的数字等于74LS48输入端接入信号的8421BCD码值，最终完成显示对应的作用开关的序号的功能。

图3-6 74LS48的引脚图

表3-4 74LS48的功能表

在本实验设计中，是将所有参赛选手的控制的开关接收到的信号求“或”，然后把所得到的的输出信号与裁判控制的开关接收的信号求“与”，将最终得到的输出信号接入到74LS48的BI/RBO端，而RBI和LT端均接高电位，结合74LS48的功能表可知，当BI/RBO 接收的信号作为输入时，接“0”则所有输出为“0”，接“1”则74LS48实现正常的译码功能。所以可以知道，当主持人把开关掷向“0”或者所有参赛选手都掷向“0”时，输出全为“0”，数码管无显示，当主持人将开关掷向“1”时，若有参赛选手抢答，则数码管有显示，并且显示对应作用开关的序号。

图3-7 具体设计中数据显示部分的原理图

4 调试与检测

4.1 调试过程中的故障及解决办法

故障1：最初按照方案一设计思路绘制好电路之后，仿真时，发现数码管一直没有任何显示，但与数码管连接的74LS148的输出能随着就个开关的不一样的掷向而发生改变。

解决思路：七段数码管的输入端即为74LS148的输出端，而且74LS148的输出可以随着代表着主持人的开关和参赛选手的开关掷向的变化而发生改变，但是数码管没有任何显示，即可说明数码管的接入存在问题。

解决办法：通过上网查询共阴极七段数码管在proteus软件中显示时的引脚分布，发现原理图上显示的数码管的最下面的一个输入端为接地端，左侧的的七个输入端从上到下分别代表着数码管内部A至G七个二极管的正极，发现二极管的输入端没有连接错误，而数码管的接地端悬空，于是在在原理图中添加接地公共端，并和数码管的接地端连接，再次仿真，数码管有数字显示。

故障2：在进行方案二的仿真时，发现不管怎样改变裁判控制的开关的掷向以及参赛选手控制的开关的掷向，数码管均无法显示想要的结果，但也有九种显示状态。

解决思路：由于数码管也能显示出九种状态，即可说明74LS147可以产生九种输出，意味着数据锁存部分、控制部分应该没有大的问题，最可能的错误应该发生在数据显示的译码环节，应该结合74LS147的功能表以及74LS48的功能表分析具体的数据显示过程，并通过仿真观察74LS147的输出与74LS48的输出寻找故障发生的原因。

解决方案：观察到74LS147的输出直接当做了74LS48的输入，而74LS147的输出与相应代表参赛选手并掷“1”的开关的序号并不一致，发现在将74LS147的输出取“非”之后，便可使得74LS48的输入信号的8421BCD码值与进行掷“1”操作的参赛选手的序号一致，所以具体的解决办法为在74LS147的输出端接入“非”门之后，将输出再接入到74LS48的输入端。

4.2 调试与运行结果

（1）方案一调试前后的运行结果（凸显存在故障的部分）

图4-1存在故障的仿真结果图

（2）方案二的调试前后的运行结果（凸显存在故障的部分）

图4-3 存在故障时仿真结果图

图4-4 调试排除故障之后仿真结果图

5 仿真操作步骤及使用说明

（一）方案一的仿真操作及使用说明

原理图的左侧的八个开关分别代表八位，各自标注的数字代表参赛选手的序号；原理图中间的那个标注为裁判的开关即代表裁判，负责清零和开始抢答。

仿真步骤：

（1）首先将所有的开关都掷向下，表示初始状态，数码管无显示；

（2）将代表裁判的开关掷向上，表示已经可以进行抢答，并依旧保证数码管无显示；（3）随机地将代表选手的一个开关掷向上，可以看到数码管显示与对应的选手序号相同的数字，然后再选择一个选择选手的开关掷向上，发现数码管显示的数字不会发生改变；（4）将3中掷向上的代表选手的开关掷向下，然后将代表裁判的开关掷向下，清零，此时数码管再次无显示，然后将裁判开关掷向上，可以看到数码管依旧无显示，最后，另外选择一个代表选手的开关，并掷向上，可以看到数码管显示的数字与其对应的选手序号数字相同；

（5）选择不同的选手序号，重复步骤4，将每个选手的序号依次在数码管上显示出来，可以证明此设计达到基本要求。

（二）方案二的仿真操作及使用说明

该设计实现了对原设计的基本要求的一些完善，首先根据生活实际情况，一般参赛选手没有０号，故将八个参赛选手的序号改为１号至８号并在数码管上显示，而主持人清零后，将是数码管显示为０；另外，为避免主持人在宣布比赛开始之前就有参赛选手已经抢答的情况发生，该设计做了一定的改进，使得在主持人在宣布开始之前，若有参赛选手抢答，则有蜂鸣器发生报警声响。原理图中，开关SW0代表裁判，开关SW1—SW8分别代表1号至8号参赛选手。

仿真步骤：

（1）初始情况下，开关SW0—SW9均掷向下；

（2）随机的将SW1—SW9中的一个开关掷向上，即表示主持人没有宣布开始之前就有人抢答，可以发现蜂鸣器鸣响，报告有人犯规；

（3）闭合开关SW0，表示主持人宣布比赛开始，参赛选手可以抢答了，然后随机的选