多路数字定时抢答器设计方案.docx
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多路数字定时抢答器设计方案
多路数字定时抢答器设计方案
一、多路数字定时抢答器电路设计
1.1抢答器的功能要求
1.设计一个多路数字定时抢答器，可同时供8人或8队参加比赛，它们的编号分别是0，1，2，3，4，5，6，7，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S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7。
2.给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）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，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时蜂鸣报警器发声提示。
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。
4.抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可由主持人设定（如30s）。
当节目主持人按下“开始”按钮后，要求定时器立即开始倒计时，并在数码管上显示。
5.参赛选手在设定的时间抢答，抢答有效，定时器停止工作，数码管显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
6.如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，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抢答器的组成结构
抢答器的总电路框图如图1所示，由主体电路和拓展电路两部分组成，主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答按钮时，能显示选手的编号，能同时封锁输入电路，禁止其他选手抢答。
扩展电路完成定时抢答的功能。
如图所示定时抢答电路的工作过程是：
接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止功能工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器上显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时控制开关拨到“开始”的位置，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。
定时器时间到，却没有选手抢答时，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。
当选手在定时时间按动抢答按钮时，抢答器要完成以下三项工作：
1.优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；
2.控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；
3.控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
当选手回答问题完毕时，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。
图1总电路框图
二、原理电路设计
2.1抢答电路设计
抢答电路的功能有两个：
一是能分辨选手按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按按钮操作无效。
选用优先编码器74LS148和八D锁存器74LS373、74LS48译码器与共阴极数码管等实现该电路，如图2所示。
图2抢答电路仿真图及原理图
工作原理：
一开始，主持人开关S置于0，E0与开关信号经过异或门连接74LS373的使能端LE使74LS373处于锁存状态，抢答无效。
当主持人将开关置于1，74LS373使能，当任意一个选手按下抢答按钮后，73LS373开始工作，与相应输入的输出端口被置低电平，低电平经过74LS148编码后输出的是一组与输入对应的三位二进制数，反相后经过译码显示电路将对应的编号显示出来。
由于此时74LS148工作，根据其功能表可知其E0输出高电平，与开关信号经过异或门后锁存抢答信号，此时由于EO与开关信号同为高电平，因此使LE=0，再次将74LS373锁存，即使其他选手再按动按钮，也不会再有输出。
这样，一轮抢答完成，当主持人将开关置于0时，74LS373输出全为1，EO=0，使数码管灯全灭，并且74LS373进入锁存状态。
等待下一轮抢答的开始。
使用的优先编码器74LS148和八D锁存器74LS373、74LS48译码器与共阴极数码管的引脚图和功能表如下所示：
（1）优先编码器74LS148的引脚图和功能表
74LS148是八线-三线优先编码器，该编码器由8个信号输入端，3个二进制输出端，输入输出均为低电平有效。
EI为输入使能端，低电平有效，当EI为低电平时，编码器处于工作状态；EO为输出使能端，只有在EI=0，且所有输入都为1时，输出为0；GS表征编码器的工作状态，当且仅当EI为低电平，且输入至少有一各为有效电平时，GS才有效。
因此，可根据EI、EO、GS功能扩展端的特点，对电路进行相应控制。
编码器在抢答电路中功能是判断抢答者的编号。
它的引脚图如图3所示，功能表如表1所示。
图374LS148引脚图
表174LS148功能表
（2）八D锁存器74LS373的引脚图和功能表
74LS373是常用的八D锁存器，它的引脚图如图4所示，功能表如表2所示。
由功能表可以看出锁存端LE由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到LE端再次有效。
当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许O0~O7输出，OE为高电平时，输出悬空。
当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出O0~O7状态与输入端D1~D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D1~D7数据锁入O0~O7。
图474LS373引脚图表274LS373功能表
（3）74LS48译码器的引脚图
七段显示译码器74LS48输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。
/
为消隐输入端（低电平有效）/脉冲消隐输出端（低电平有效），
为灯测试输入端（低电平有效），
为脉冲消隐输入端（低电平有效），当
=0时，a～g全为0.数码管显示全灭。
引脚图如图5所示。
图574LS48引脚图
（4）共阴极数码管的引脚图
共阴数码管由74LS48译码器输出高电平驱动，以显示已抢答选手的编号。
引脚图如图6所示。
图5共阴数码管引脚图
2.2秒脉冲电路设计
设计一个秒脉冲电路为下面的定时电路提供CP脉冲，使用的是NE555制作脉冲产生电路，如图6所示为用NE555设计的秒脉冲产生电路，图7为用Proteus仿真出来的秒脉冲信号。
定时电路的要需要产生周期为一秒CP脉冲信号，所以频率需要设计的是产生频率为1Hz。
图中电容C1的充放电时间分别是：
t1=（R5+R7）×C3×ln2≈0.7（R5+R7）C3，t2=R7×C3×ln2≈0.7R4×C3
所以NE555的3端输出的频率为：
f=1/（t1+t2）≈1.43/[（R5+2R7）C3]
所以可知应采用电阻和电容值分别为:
R5=15KΩ，R7=64KΩ，C3=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲，该电路中，电容C4的作用是抗干扰。
图6秒脉冲电路图
图7产生秒脉冲信号仿真
2.3定时电路设计
抢答过程中有时间限制，需设计倒计时电路即定时电路，选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供，倒计时电路的实现主要依靠74LS192的减法计数功能，所需的CP脉冲信号由555振荡电路提供。
74LS192是具有置数和清零功能的同步十进制减计数器。
74LS192引脚图和功能表如图8和表3，设计的定时电路如图9。
74LS192芯片P0，P1，P2，P3为预置数输入端，Q0，Q1，Q2，Q3为计数数据输出端，
为借位输出端（低电平有效），
为进位输出端（低电平有效）。
图874LS192引脚图表374LS192功能表
图9定时电路
定时电路实现的基本功能：
（1）主持人将控制开关拨到“开始”位置时，定时器电路进入正常抢答工作状态即开始进行倒计时。
（2）当参赛选手按动抢答按钮时，定时器电路停止工作并且锁存抢答时刻剩余时间。
（3）当设计的抢答时间到，无人抢答时，定时电路停止工作即显示00。
定时电路的工作原理：
74LS192具有预置数功能，通过74LS192的置数端主持人根据需求将初始时间输入，抢答开始前开关S置低电位，74LS192处于清零锁存状态，当主持人将开关置于高电平此时，由秒脉冲电路产生的秒脉冲信号进入74LS192，使芯片由预置数进入减计数转态，若没有选手抢答，一直减计数，当计数至00时触发报警电路蜂鸣器产生报警信号，同时计数高位TCD由高电平变成低电平，阻止了秒脉冲信号进入计数器，计数器停止工作。
若计时期间有人抢答，74LS11的4输入由高电平变成低电平，同样使减计数器停止计时，显示器上显示此刻剩余时间。
2.4报警电路设计
由于设计要求电路中添加报警电路，即可用NE555驱动蜂鸣器发出警报。
555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成单路，其应用极为广泛。
集成单稳态触发器74LS121的输入端接收到高电平时，会使其产生单个周期为0.5S的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了蜂鸣报警器发声提示的功能。
555芯片的引脚图如图10，报警电路的设计电路图如图11。
图10555引脚图
图11报警电路
2.5整体电路设计
通过设计完成多路数字抢答器的仿真和制作，实现了8人抢答、主持人控制电路的正常工作、定时电路的定时功能、秒脉冲电路的产生脉冲信号功能、报警电路的报警功能、抢答后的锁存功能等。
先设计出各分电路图并使各部分功能可以单独实现，再通过使用仿真软件Proteus来进行整个电路的仿真，最后设计出总的电路图，并实现所要求设计的所有功能。
设计的总电路图如图12所示。
下面是多路数字抢答器功能的实现过程的描述及实现的原理和方式：
8个选手分别对应8个抢答按钮S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是0、1、2、3、4、5、6、7。
主持人按下复位开始按键对整个电路进行“清零”，输出低电平，分为3路：
一路低电平输出到计数器74LS192的
端，而CR端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据；另一路与74LS148的E0端异或后变为高电平输出到74LS373的使能端LE，此时锁存器不锁存数据，所以抢答部分数码管无显示即处于消隐状态，实现了清零，同时，EO由高电平变成低电平，与清零端异或后输出0，使74LS373处于锁存状态；三是与集成单稳态触发器74LS121相连，因为是低电平所以没有报警信号。
主持人通过时间预设开关预设抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端P3、P2、P1、P0的高低电平来进行（例如要设定时间为20秒,就将十位的74LS192的P3、P2、P1、P0分别置位为0、0、1、0，而将各位的74LS192的P3、P2、P1、P0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，此高电平有三路方向：
一路输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为0.5S的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了蜂鸣报警器发声提示的功能；另一路输出到74LS192的
端，使其处于高电平而根据秒脉冲电路信号开始减计数；还有一路与EO信号（此时为0）异或后将高电平输入LE端，使八D锁存器74LS373处于传输状态，此时任何选手抢答有效。
在抢答时间限制，若有任何一位选手按键抢答时，八D锁存器74LS373工作，与输入端相对应的输出端Q0~Q7输出相对应的低电平，此时锁存器输出的八位电平经8～3八位优先编码器74LS148编码输出的A2～A0再经74LS86反相后成为与输入信号相对应的三位二进制码，此时将使得74LS148的管脚15（E0）的输出由电低平变成高电平，输出到74LS48的二进制码经74LS48译码后输出到七段共阴数码管上，数码管显示对应的选手编号。
而此时，74LS48的EO端输出为高电平，主持人控制的开关出也输出高电平，二者经过异或门后输出低电平，输出到锁存器74LS373的LE端，74LS373的锁存端实现锁存功能，其他选手若再按动对应按钮也无对应输出，，即实现了抢答功能；74LS148的E0段输出高电平输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为0.5S的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了蜂鸣报警器发声提示的功能；74LS148的
端输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得计数器74LS192的CPD端无脉冲输入，计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能；若没有选手按动按钮，则74LS373输出全为高电平，74LS148也输出高电平，E0端输出低电平至74LS48的灭灯输入RI/RBO端，使得信号经74LS48到显示器上时无显示。
若到定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，十位74LS192的借位输出端输出低电平，将此输出低电平输入到单稳态触发器74LS121的B端口，使其产生周期为0.5s的脉冲使蜂鸣报警器发声提示，即实现无人抢答时抢答时间结束的提示功能。
图12总电路图仿真图
3、仿真软件Proteus
本次课程设计使用的仿真软件是Proteus，它可以很好地将设计出来的电路仿真出来，方便于对设计的各部分功能及总电路功能的检验，并且成功的模拟出多路数字抢答器的各种功能要求。
在这次数电课设中，自学了Proteus并且使用Proteus进行设计的仿真，不仅学会了新的仿真软件的使用，而且还方便了课程设计的进行，自己在使用Proteus过程中虽然也会遇到问题，但是都能及时得以解决。
下面对仿真软件Proteus进行简单介绍。
3.1Proteus的简介
Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。
3.2Proteus功能特点
Proteus软件具有其它EDA工具软件的功能。
这些功能是：
原理布图、PCB自动或人工布线、SPICE电路仿真。
4、课程设计小结
《数字电子技术基础》是非常重要的专业基础课，本次课程设计是在学完数字电子技术基础这门课程之后进行的，是对所学的理论知识的一次检测。
本次课程设计不仅使自己对数字电子技术这门课程所学的的理论知识有更好的了解，而且也锻炼了自己对理论知识的应用能力，提高自己的设计能力，做到学以致用。
本次课程设计的题目是《多路数字抢答器的仿真设计和制作》，需要实现8人抢答、定时、报警等功能，并运用各种芯片来实现电路的搭建，运用仿真软件来仿真模拟抢答器的这些基本功能。
在进行设计的过程中，首先要做的就是弄清楚课程设计的要求，认真分析各部分功能的实现要求及原理，要理清思路再进行各部分电路的搭建和实现，当每部分功能都得以实现后再将这些分电路合成整个总的电路，这样可以避免问题的出现，同时也方便于检查电路的问题。
在焊接实物之前，应该先通过仿真软件进行仿真，当仿真成功即各部分功能都可以实现后再进行实物焊接。
在完成本次课程设计的过程中，更好地了解了各种芯片的功能，并且根据各芯片的功能来设计所需的电路，利用各芯片的不同功能来完成整个电路的设计，同时也是对所学的数电的理论知识进行了很好的巩固，在设计过程中，遇到没学过的芯片就自己上网搜索并理解芯片功能，学到了很多新的东西。
另外，还自学了仿真软件Proteus并用来完成电路的仿真，在运用的过程中虽然也会有不熟练的问题，但是还是很好地运用了Proteus，所以，算是又学会了不少新的东西。
当然，在课程设计中也会遇到很多的问题，需要耐心去调试并找出问题所在，这样可以学到更多的东西。
参考文献
[1]数字电子技术基础伍时和吴友宇清华大学2009.4
[2]童师白，华成英.模拟电子技术基础，第三版.:
高等教育版社，2001
[3]吕思忠，施齐云.数字电路实验与课程设计.：
工程大学，2001.09
[4]汉房.耀奎编.数字技术教程.:
电子工业，1995
[5]自美.电子线路设计·实验·测试第三版.:
华中科技大学，2006
附录一：
元器件清单
序号
型号
名称
数量
备注
1
74LS373
八D锁存器
1
工作电压5V
2
74LS148
优先编码器
1
工作电压5V
3
74LS48
七段译码显示器
3
工作电压5V
4
/
共阴极七段数码显示管
3
工作电压5V
5
74LS192
十进制可逆计数器
2
工作电压5V
6
NE555
555计时器
2
工作电压5V
7
74LS121
非重复触发单稳态触发器
1
工作电压5V
8
74LS04
非门
1
工作电压5V
9
74LS86
二输入异或门
1
控制锁存信号
10
74LS11
三输入与门
1
用于计时电路和控制电路
11
9013
三极管
1
工作电压5V
12
R1
510Ω
2
用于扬声器电路
13
R2
1KΩ
1
与发光二极管相连
14
R4
15KΩ
2
连接NE555的7脚与8脚
15
R5
64KΩ
2
连接NE555的6脚与7脚
16
R6
68KΩ
1
连接74LS121的11脚与VCC
17
C1
0.01uF
3
连接NE555的5脚与地
18
C2
10uF
2
接NE555的6脚与地
19
C3
100uF
1
用于扬声器电路
20
D1
发光二极管
1
提示秒脉冲
21
S0～S7
弹片开关
8
供选手抢答
22
S8
单刀双掷开关
1
主持人开关
23
/
蜂鸣器
1
8Ω，6V
清单中的大部分元器件已在前面的单元电路中做了介绍，下面补充介绍74LS04，74LS86，74LS11。
74LS11是三输入与门集成芯片，其引脚图和功能表如图13和表3所示。
图1374LS11引脚图表374LS11功能表
74LS04是非门集成芯片，其引脚图和功能表如图14和表4所示。
图1374LS04引脚图表374LS04功能表
74LS86是二输入异或门集成芯片，其引脚图和功能表如图15和表5所示。
图1374LS86引脚图表374LS86功能表
附录二：
实物图
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
多路数字定时抢答器仿真设计和制作
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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