四人智力抢答器课程设计报告

1、数字电子技术课程设计报告设计课题:四人智力竞赛抢答器学院：专业：电子信息工程班级：2010级电信班姓名：学号：日期2012年12月9日 2012年12月23日指导教师:摘要在各种智力竞赛场合，抢答器是必不可少的最公正的用具。通过本学年的数字电路技术的学习我们知道了它的原理其实 是比较简单的，主要就是通过四D触发器74LS175为中心构成编码锁 存系统控制选手的抢答情况，再通过逻辑电路将输入开关、脉冲及输 出LED灯、数码管和扬声器连接起来即可。电路由主体电路和扩展电路两部分组成，主体电路主要由 74LS175即4D触发器来构成抢 答锁存器，由主持人来控制74LS175的清零端。当清零端为高电平

2、“ 1” 时，选手开始抢答，最先按键的选手相应的 LED发光二极管发光，并 且扬声器发出声音，同时，由4个Q及门电路组成的锁存电路来控制 其他选手再按键时不再起作用。扩展电路主要包括秒脉冲发生电路和定时电路，并且在设计中加入了报警电路，以提示选手和观众。经Proteus仿真软件验证抢答器原理图无误，可实现设计所要求 功能。关键词：四人智力竞赛抢答器、74LS175脉冲、锁存器目录1设计任务及要求12比较和选定设计的系统方案、画出系统框 图1较 1系统图 33 单 元 电 路 设 计参数计算和器件选抢答电设3定时电路计6报警电路计择34 完 整 的电路图及电路理 10宀完整电9的工作原图 理 1

3、1 5 经 验 体 会 12参考文献 12附录A：系统电路原理图 13附 录 B ： 元 器 件 清单 四人智力竞赛抢答器1 设计任务及要求（1）设计一个供四人参赛的抢答器，能准确分辨、记录第一个有效按下抢 答键者，稍后的其他人按下开关则无效。 抢答器具有显示功能， 即选手按动按钮， 相应的LED发光二极管发光，同时扬声器发出声音。（2）主持人没有宣布抢答开始时， 抢答不起作用。 主持人宣布抢答开始时， 按“开始”键，抢答开始，同时启动计时器计时；（3）计时器计时采用倒计数的方式，以加强现场气氛，增加紧迫感。若预定时间内无人抢答，自动给出信号停止抢答，以免冷场。倒计数 定时器的时间 可以随意预

4、置；电路具有回答问题时间控制功能，要求回答时间小于等于100秒（显示为 99 到 0），当达到限定时间时，发出声响以示警告。2 比较和选定设计的系统方案、画出系统框图方案比较方案一： 电路大致可以由四个功能模块组成：以锁存器为中心的编码显示电路 部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，音响电路部分。在锁存器为中 心的编码显示电路部分中，由锁存器 74LS373四选一数据选择器74LS153,显 示器，LED发光二极管和门电路组成。使用 74LS373作为锁存电路，当有人抢答 时，利用锁存器的输出信号号将时钟脉冲置零， 74LS373立即被锁存，同时蜂 鸣器鸣叫， 这时抢答无效， 使用 74

5、LS1 53作为数据选择器， 对输入的型号进行选 择，使选手对应的LED发光二极管发光，同时扬声器发出声音；在脉冲产生电路 部分中，用石英晶体振荡器予以实现，由于石英晶体的稳定性和精确性比较高， 所以用其产生的脉冲信号更加稳定， 同时在显示更能接近预定的值， 受外界环境 的干扰较少；在倒计时显示电路部分中，由计数器 74LS190,显示器组成。利用 74LS190计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS190被置九， 同时将显示上次抢到题目的选手的 LED灯灭掉，并开始倒计时，并通过 74LS48 编码器将即时时间进行编码， 并送到数码管， 显示此时的时间。 假如在 9 秒内有

6、 人抢答，则计数器停止倒计时， 将锁存器锁存， 禁止选手抢答， 蜂鸣器鸣叫一秒， 停止倒计时。在音响电路部分中，由 555 定时器和电阻电容接合成多谐振荡器， 产生所需要的脉冲 ，然后接入蜂鸣器构成。方案二：电路大致可以由四个功能模块组成：以四 D触发器74LS175为中心构 成编码锁存系统电路部分， 脉冲产生电路部分， 倒计时显示电路部分， 报警电路 部分。在4D触发器构成的抢答锁存器中，由主持人来控制74LS175的清零端。当清零端为高电平“ 1”时，选手开始抢答，最先按键的选手相应的 LED发光二 极管发光，并且扬声器发出声音，同时，由4个非Q及门电路组成的锁存电路来 控制其他选手再按键

7、时不再起作用，这时抢答无效。在脉冲产生电路部分中， 用 555 定时器予以实现， 通过调节电阻的阻值最后 得到符合要求的脉冲， 因为可以通过改变电阻电容微调频率， 取代了用分频器对 高频信号进行分频，从而使电路简单了。在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS192,数码管显示器组成。利用74LS192计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS192被置初始值，抢搭时间开始倒计时，并通过 74LS48编码器将即时时间进行编码，并送 到数码管，显示此时的时间。假如在规定时间内无人抢答，即抢答时间为 0 时， 则计数器停止倒计时， 将锁存器锁存， 禁止选手抢答， 抢答时间数码管显示为

8、0， 蜂鸣器鸣叫一秒； 假如在规定时间内有人抢答， 则计数器停止倒计时， 将锁存器 锁存，禁止选手抢答，抢答时间停止倒计时，蜂鸣器鸣叫秒，与此同时，回答时 间开始倒计时，并通过74LS48编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显 示此时的时间， 若规定时间内选手没有回答完， 则计数器停止倒计时， 回答时间 数码管显示为 0，蜂鸣器鸣叫一秒。在报警电路部分中， 由 555 定时器和电阻电容接合成单稳态电路， 产生所需 要的脉冲 ，然后接入蜂鸣器构成。选择结果：方案二。原因：虽然用555定时器构成的多谐振荡器的稳定性和 精确性没有石英晶体振荡器高，但由于后者设计方便，操作简单，成为了设计时 的首

9、选。系统框图抢答按钮( 、抢答控制电路主持人控制开关四人智力抢答器方案二设计框图3单元电路设计、参数计算和器件选择电路抢答电路设计LED显示电路丿报警电路能分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答抢答电路的功能有两个：一是者的编号，用LED发光二级管显示表冲产生二是路使其他选手的按钮操作无效 此，选用四D触发器74LS15四输入端与非门74S20和六组反相器74LS04以 及LED灯显示电路完成上述功能。 因数码管显示时74LS175是常用的四上升沿D触发器集成电路，里面含有4组d触发器，可 以用来构成寄存器，抢答器等功能部件。当清除端 MR为低电平时，输出端q为 低电平。在时钟CP上升沿作用下

10、，Q与数据端D相一致。当CP为高电平或低电 平时，D对Q没影响。其引脚图及真值表如下图所示。图2 74LS175的引脚图表1 74LS175真值表根据各芯片功能及抢答器的功能要求，抢答器电路如下所示R51kU1:AS04131274LS0408U3:B74LS20D0Q0D1QUQ1D2Q2Q2D3Q3Q3CLKMRU2451213U3嗔752174LS2091U1:E74LS04U1:F74LS041k1k141k1kGND542376101115图3抢答器电路工作原理：图三四个按钮为四 位选手的抢答开关，单刀开关为主持人控 制开关。当主持人控制开关置于清零状态，即闭合时，清除端MR为低电平

11、，输出端Q为低电平，于是LED灯灭，此时抢答电路不工作。当主持人控制开关置于 开始状态，MR为高电平，74LS175的Q经四输入与非门（U3:A）输出接入到抢答按 钮左边的公共端，按钮右边经反相器接到 74LS175的输入端D,并且同时接到四 输入与非门（U3: B），再经两个反相器延时接到74LS175的时钟CLK端，抢答器 处于等待工作状态。若有选手（假设为1号选手）按动抢答开关（即按下按钮瞬间），此时 74LS175的输入端D0为高电平，74LS175的时钟CLK由低电平变为高电平，在上 升沿的作用下，输出端Q0与输入端D0一致，即为高电平，1号对应的LED灯亮。 同时，由于Q0为低电平

12、，与非门（U3: A）输出为高电平，将按钮的公共端变为 高电平，若此时按钮还处于闭合状态，则与非门（U3: B）输出为低电平，使CLK变为低电平，此时74LS175处于禁止工作状态，其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。答题结束后，主持人开关置于清零状态，LED灯灭，一但恢复初始状态，以便进入下一轮抢答 环节。定时电路设计设计要求抢答器具有定时功能， 且节目主持人根据抢答题的难易程度， 可设 定一次抢答的时间（设为10s）和回答的时间（设为60秒）。设计中选用十进制 同步加/减计数器74LS192进行设计，74LS192是具有置数和清零功能，其引脚

13、图和逻辑图如图 4 所示，功能表如表 2 所示。图 4 74LS192 引脚图和逻辑图功能表根据设计要求，需要两片74LS192构成100进制减计数器。由功能真值表可 知，只需将个位74LS192的借位输出端TCd与十位74LS192的CPd即可实现100 进制减计数。值得注意的是，要使其实现减计数，CPu端 口必须接高电平。本课程设计采用四片74LS192其中两片控制抢答时间，另外两片控制回答时间。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。 秒脉冲电路由 555构成的多谐振荡器 构成，如图 5 所示。多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形 波输出。vcc5CVR615kU123Q7DC

14、R768k矩形波输出26oC1100noDC2C210u10uGND因为周期为一秒，所以频率是图5赫够谐图中荡电容的充放电时间分别是:t1=R7X C2X ln2R7X C2)t2=(R6+R7)X C2X ln2 (R6+R7)C2所以555的3端输出的频率为：f=1/(t1+t2) (2R6+R7)C2我们采用的电阻和电容值分别是：R6=15©, R7=68©, C2=10uf,满足上式，即 得到的是秒脉冲。由以上集成芯片设计的定时电路如图 6所示。VCCRP1U4AA.U3r-ABi2-BC<1-C049-EUi5-FGt4A JU474LS48IBJLQ Q

15、Q Q0 12 3986D D D D3RESPACK 8DSW1DIPSWC_U13:B74LS11U5A3 2 1 1 9 5 4U574LS48TLIBD cBAU6A3 2 1 19 5 4U674LS48onRrn_JLGND3211954_JL onRrnD cBAU774LS487 12 64?Ss3v3 2 6 72 3U874LS192U974LS192023Q Q Q QD d D D UDPM74LS19274LS1963DSW2DIPSWCDIPSWCGND3VCC13R615k74LS111245F0123Q Q Q QU10126267023Q Q Q QU11R7

16、RP21 1 1 95 4I I8 卜respacK-8DSW3DIPSWCU13:ADSW4U1268kTC2100n10uGNDC1工作原理：首先主持人根据题图难易程定改变拨码开关DSW1-4勺状态，从而改变74LS192的输入端D3D2D1D的电平来确定抢答时间（假定为10秒）和回 答时间（假定为60秒），555构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。抢答 开始前主持人闭合开关，74LS192的置数端PL为低电平有效，处于置数状态， 数码管显示定时时间。抢答开始，主持人打开开关，抢答计数器处于计数状态， 555产生的秒脉冲与十位74LS192借位输出端（其初始状态为高电平）以及抢答 按钮公

17、共端的反相信号相与。计数器递减计数至00,十位74LS192借位输出端 为低电平，计数器停止工作，产生报警。计时期间有人抢答，抢答减计数器停止 计时，抢答显示器上显示此刻时间，同时，回答计数器开始计数，当计数器递减 计数至 00，计数器停止工作，产生报警。报警电路设计由 555 定时器和电阻电容构成的报警电路如图 7 所示。图中 555 定时器用来 构成单稳态电路。图 7 具有微分环节的 555 单稳态电路工作原理 :由于外界触发脉冲 ui 加了进来，电路 uo 由低电平变为高电平到再次变为低电平这段时间就是暂稳态时间。暂稳态时间 Tw计算如下：显然，改变定时元件R或C即可改变延时时间Tw。我

18、们采用的电阻和电容值分 别是：R=91©, C=10uf,满足上式，来产生1秒的延时时间；和R=47©, C=10uf, 来产生秒的延时时间。 3 端的输出信号接扬声器，发出报警信号，当计数器为 0 时，扬声器发出 1 秒的声音；当有选手抢答时，扬声器发出秒的声音。4 完整的电路图及电路的工作原理完整电路图通过控制电路将抢答、 定时电路进行连接后， 构成了抢答器电路的整体设计， 总电路图如图 8 所示：图8总电路图工作原理F面介绍四路智力竞赛抢答器的使用原理。首先是各个选手分别对应的按钮编号是、，抢答后选手对应 的LED灯被点亮，扬声器发出秒的响声。然后是主持人对整个电路系

19、统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低 电平，分为两路：一路与抢答计数器的十位74LS192借位输出端TCd相与后接到 74LS175的清除端MR当抢答计数器递减计数至 00时，十位74LS192借位输出 端为低电平，计数器停止工作，此时 MR端为低电平，74LS175处于禁止工作状态，即实现预定时间内无人抢答，自动给出信号停止抢答，并产生报警；另一路 低电平与四个计数器74LS192的PL端相连，使74LS192的置数端PL为低电平有 效，处于置数状态，数码管显示定时时间。接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间和回答时间，此设定可以通过调节四个拨码开关，从而改变输入四片 74LS192

20、的四个输入端D3 D2 D1、D0的高低电平来进行（例如要设定抢答时间为10秒,就将抢答计数器十位的 74192的D3 D2、D1、DO分别置位为0、0、0、1,而将个位的74LS192的D3 D2、D1、D0都置于0;要设定回答时间为60秒,就将回答计数器十位的74192 的D3 D2、D1、D0分别置位为0、1、1、0,而将个位的74LS192的D3 D2、D1、 D0都置于0）。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后， 输出为高电平，此高电平有两路方向：一路输出到抢答计数器74LS192的LD端， 使其处于高电平而开始减计数；还有一路与抢答计数器的十位74LS192借位输

21、出 端TCd相与后接到74LS175的清除端MR使其处于高电平而开始工作。当任意一个选手抢答时，假设为号选手按动抢答开关，此时74LS175的输 入端D0为高电平，74LS175的时钟CLK由低电平变为高电平，在上升沿的作用 下，输出端Q0与输入端D0一致，即为高电平，1号对应的LED灯亮，同时扬声 器发出秒的响声，并且电路将信号锁存，74LS175处于禁止工作状态，其他选手 抢答按钮的输入信号不会被接受。 这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确 性。答题结束后，主持人开关置于清零状态，LED灯灭，一但恢复初始状态，以 便进入下一轮抢答环节。若到定时部分抢答计数器倒计时到 00 还无选手按动按钮的话，则抢答计数 器十位74LS192的借位输出端TCd输出为低电平，停止计数，同时抢答不起作用， 报警器报警。若有人抢答，定时部分回答计数器倒计时到 00还未答完的话，报 警器发出 1 秒报