抢答器的设计

1、 宣城职业技术学院毕业设计（论文） 抢答器的设计芮庭园 系 部 汽车工程系 指导教师 高霏霏 专 业 应用电子技术 班 级 08级应电班 完成时间 2010 年 10 月 21日至 2011 年 6月 5 日目录摘要I第1章 抢答器的系统概述21.1设计任务及要求21.2 设计方案论证21.3 抢答器的工作原理21.4优先判断与编号锁存电路3第2章 抢答器的单元电路设计62.1抢答器设计中的优先编码电路62.2抢答器设计中的定时电路82.3抢答器设计中的报警电路92.4抢答器设计中的时序控制电路102.5七段显示译码器与数码管112.6抢答器的功能说明13第3章 总结14参考文献15致谢16附

2、录17摘要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、译码电路将电路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。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。更具实用性。 关键字： 抢答电路 定时电路 报警电路 时序控制电路第1章 抢答器的系统概述 抢答器我们都知道是选手做抢答题时用的，选手进行抢答，由抢到题的选手回答问题。抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。选手们都站在同一起跑线上，体现公平的原则。本设计的数字抢答器由主体

3、电路和扩展电路组成。现简单的介绍设计任务及要求、设计方案论证、工作原理以及优先判断与编码电路。1.1设计任务及要求设计任务：设计一个具有锁存与显示功能的8人抢答逻辑电路。本课题的设计任务从功能上分, 主要包括以下两个部分: （1）基本功能 可同时8名选手参加比赛，他们的编号分别是1，2，3，4，5，6，7，8， 各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8。 A、节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。 B、数字抢答器应具有数码锁存、显示功能。抢答开始后，若有选手按动抢答 按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示选手

4、的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。 （2）扩展功能 A、定时抢答功能。抢答器定时为30 s，启动起始键后，定时器开始工作，立即减计，并在显示器上显示出来，同时扬声器要短暂报警。 B、参赛选手在设定的时间内抢答（30s），抢答用效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢倕时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。 C、 当定时抢答的时间已到，还没有选手抢答进，本次抢答无效，系统短暂报警,并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。1.2 设计方案论证 制作抢答器可以采用多种设计方案，可以用单

5、片机来完成，它的功能强大制作简单，并且外围的元件也很少；也可以用PLC来实现，他的制作也是比较简单；还可以用我们学过的EDA技术来制作；最后也可以用数字电路来实现，它的原理比较简单，集成块的价格也比较便宜且很容易购买，与我们学完的数字电路联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义，用了一些成型电路，如NE555标准秒脉冲电路等，使总体方案易于实现，本设计采用的是数字电路。1.3 抢答器的工作原理抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路译码显示主持人控制 开 关控制电路报警电路秒脉冲产生电路定时电路译码电路显示电路图1.1抢答器结构框图构框图主体电路扩展电路如图2.1所示为抢答器的结

6、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。1.4优先判断与编号锁存电路

7、 优先判断与编号锁存电路如图2.2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=0，74LS148处于允许编码状态，同时1Q为0，使74LS48的灭灯输入端=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74

8、LS148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为0，使1Q=1，即=1，74LS48处于译码状态，译码的结果显示为“4”。同时1Q=1，使74LS148的=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=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3-1为其真值表，图3-3为逻辑图；74LS279为四个/R/S 锁存器，表3-2为其

9、真值表，图3-4为逻辑图。）图1.2 优先判断与编号锁存电路InputsOutputsEI01234567A2A1A0GSEOHXXXXXXXXHHHHHLHHHHHHHHHHHHLLXXXXXXXLLLLLHLXXXXXXLHLLHLHLXXXXXLHHLHLLHLXXXXLHHHLHHLHLXXXLHHHHHLLLHLXXLHHHHHHLHLHLXLHHHHHHHHLLHLLHHHHHHHHHLLH表1.1 74LS148真值表图1.3 74LS148逻辑图InputsOutputsH锁存HL不确定表1.2 74LS279真值表图1.4 74LS279逻辑图第2章 抢答器的单元电路设计简易

10、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。2.1抢答器设计中的优先编码电路优先编码电路如图3.1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触发器的端均为，4个触发器输出

11、置，使74LS148的，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的输出经RS锁存后，1Q=1，=1，74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经译码显示为“5”。此外，1Q，使74LS148，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，使，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开关重新置于“清除”然后再进行下一轮抢答。74LS148是二进制的8线-3线优先编码器，从它的功能真值表中可以看出，输入、输出

12、都是低电平有效，且输入中的I7的优先权最高，I0的优先权最低。输出低电平有效也称反码输出。当编码器工作时，若I0=1，不论其他输入端是否为有效低电平，只对IN7进行编码，编码输出为,000012YYY5 小结计中的定时电路= 若I7 =1，I6=0，则只对I6进行编码，编码输出为,001012=YYY ，其他编码过程依次类推。( 74LS148为线线优先编码器。表3.1为74LS148的功能真值表。) 图 2.1 优先编码电路表2.174LS148的功能真值表2.2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

13、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3.2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。74LS192是一个十进制可逆计数器，它有两个时钟输入端CU和CD，当从CU输入时，进行加法记数，从CD输入时，进行减法记数。它有进位和借位输出，可以进行几位串接记数。它还有独立的置“0”输入端，并且可以单独对加法或减法记数进行预置数，本设计中的抢答器的定时电路就是利用74LS192中的预置数的功能来进行定时的。图2.2定时

14、电路2.3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3.3所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo143（RI2R2）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。555构成的多谐振荡器的工作原理：接通电源Vcc后，Vcc经电阻R1和R2对电容C充电，其电压uc由0按指数律上。当uc2/3 Vcc时，电压比较器C1和C2的输出分别为uc1=0,uc2=1,基本RS触发器被置0，Q等于0，Q非等于1，输出uO跃到低电平UOL。于此同时。放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。随着电容C的放电，uc

15、随之下降。当uc下降到uc1/3Vcc时，则电压比较器C1和C2的输出uc1=1和uc2=0，基本RS触发器被置为1，Q等于1，Q非等于0，输出uO由低电平UOL跃到高电平UOH。同时因Q非等于0，放电管V截止，电源Vcc又经过R1和R2对电容C充电。电路又回到第一暂稳态。因此，电容C上的电压uc在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生振荡，输出矩形脉冲。图2.3 报警电路2.4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：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。 当参赛选手按动抢答键时，扬声器

16、发声，抢答电路和定时电路停止工作。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2.4 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 3.4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， A1，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=0，使 74LS148处于正常工作状态，从而实

17、现功能的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q1，经 G3反相， A0，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，从而实现功能的要求。当定时时间到时，则定时到信号为0，=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。74LS121芯片是一种常用的非重触发单稳态触发器，下面是管脚图如图3.5所示。1 142 133 124 115 106 97 823456774LS121/QNCA

18、1A2BQGNDDDDDUCCNCNCRext/ CextRintNC图2.5 74LS121管脚管脚功能描述: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10pF10F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240k之间。其他管脚：管脚7（GND）、管脚2、8、13为空脚。2.5七段显示译码器与数码管七段显示译码器

19、与数码管如下图3.6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，=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，=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3.2为其真值表，图3.7为逻辑图）图2.6 7段显示译码器与数码管 InputsOutputsDCBAabcdefg0HHLLLLHHHHHHHL1HXLLLHHLHHLLLL2HXLLHLHHHLHHLH3HXLLHHHHHHHLLH4HXLHLLHLHHLLHH5HXLHLHHH

20、LHHLHH6HXLHHLHLLHHHHH7HXLHHHHHHHLLLL8HXHLLLHHHHHHHH9HXHLLHHHHHLLLL10HXHLHLHLLLHHLH11HXHLHHHLLHHLLH12HXHHLLHLHLLLHH13HXHHLHHHLLHLHH14HXHHHLHLLLHHHH15HXHHHHHLLLLLLLBIXXXXXXLLLLLLLLRBIHLLLLLLLLLLLLLLXXXXXHHHHHHHH表2.2 74LS48真值表 图2.7 74LS48逻辑图2.6抢答器的功能说明在知识比赛中，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

21、统来完成这个任务。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。如果要让比赛更公平，防止出现违规现象，可以增加其扩展功能：(1) 可以设计声控装置，在主持人说开始时，系统自动完成清零并开始计时的功能。(2) 在主持人读题的过程中，禁止抢答，可以在主持人控制的开关上另接一个与图3-1一样的电路，即可实现“违规者可见”的功能，即在主持人读题时如果有人违反比赛规定抢先按动按钮，显示器可以显示是哪个参赛队抢先，便于作出相应的处理。第3章 总结本设计主要讲述了抢答器的工作原理和工作过程。在说明工作原理的过程中，突出了抢答器设计中的基本电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能；结合本设计的内容，指出了各单元电路的设计方法和意义，以及如何进行抢答控制。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。电路设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在单元电路的理解和设计上面。很多单元电路是可以借鉴书本上的，