数字抢答器设计论文.docx
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数字抢答器设计论文
贺州学院
数字电路课程设计报告书
课题名称
数字抢答器的设计
姓名
张宏
学号
081010201
系部
物电系
专业
电气工程及其自动化
指导教师
李亮
2010年12月13日
一、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。
要求：
v1、抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。
v2、设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
v3、抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。
选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
v4、抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。
当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。
v5、参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。
v6、如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
指导教师签名：
20年月日
二、指导教师评语：
指导教师签名：
20年月日
三、成绩
20年月日
目录
摘要3
一、设计任务及系统功能简介
1.1设计任务4
1.2基本功能4
1.3扩展功能6
1.4设计论证………………………………………………………………7
二、实现的原理与电路
2.1数字抢答器总体方框图9
2.2单元设计电路9
2.2.1抢答器电路11
2.2.2定时电路12
2.2.3报警电路13
2.2.4时序控制电路14
三、在设计过程中发现的问题和所做的改进14
3.1选手号码显示问题14
3.2在计时结束时选手号码牌现实问题15
3.3主持人按键显示问题15
3.4显示电路显示不稳定的问题15
四、组装与调试16
4.1使用的主要仪器、仪表16
4.2电路调试16
4.2.1单元电路检测16
4.3整机电路调试17
五、所用原器件列表17
六、心得体会18
致谢19
参考文献19
附录整机电路原理图23
数字抢答器
学生姓名：
梁建新
指导老师：
李姮
摘要：
本文介绍了一种用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。
该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。
主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。
若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能。
关键词：
抢答电路，定时电路，报警电路，时序控制
Adigitalcontrolgrab
Abstract：
Thispaperpresentsaseriesofcommonlyusedintegratedcircuitdesignwith74digitaldisplayeightResponder'scircuit,designideasandfeatures.TheResponderResponderadditiontothebasicfunction,butalsowithtime,timeandalarmfunctions.Bythetimethedefaultswitchthedefaulthostfortheanswerintime,thesystemwillbecompletedautomaticallycountdown.Ifpeopleanswerinrequiredtime,thenthetimewillautomaticallystop;ifnoanswerinrequiredtime,thesystemwillbesentinabuzzersound,indicatingthataninvalidhostanswerinthisround,toachievethealarmfunction
Keywords：
Answerinthecircuit,timingcircuit,alarmcircuit,timingcontrol
设计任务及系统功能简介
1.1设计任务：
1.抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。
2.设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
3.抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。
选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
4.抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。
当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。
5.参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。
6.如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
1.2基本功能：
（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0~S7表示。
（2）设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
（3）抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在DPY_7-SEG七段数码管上显示选手号码。
选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
1.3扩展功能：
（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。
当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时。
（2）参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。
（3）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
1.4设计方案选择：
制作抢答器可以用好多的方法，可以用单片机来完成，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。
1.4.1采用数字电路
图1数字电路实现
图1所示的定时抢答器的工作过程是：
接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。
当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。
当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：
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扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；
③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；
④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。
当选手将问题回答完毕，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。
1.4.2采用单片机
原理方框图如图2
此电路完成的功能如图3所示，当主持人宣布抢答开始的时候，按下开始按钮，此时电路进入抢答状态，选手的输入采用了扫描式的输入，之后把相应的信息送往单片机，再由单片机输出到显示输出电路中。
此时有人第一按下相应的抢答按钮，经过单片机的控制选择，在八段显示器上显示相应的号码，并锁存，同时禁止其他按钮的输入。
图2单片机实现
1.4.3方案选择
方案比较
数字电路
单片机
PLC
制作难度
低
一般
一般
实现难度
一般
低
低
价格
低
一般
高
电路原理
简单
一般
一般
设计难度
简单
高
一般
通过上面的方案比较，数字电路的制作方案比较容易实现，并且在原理方面也是比较简单，所以我选择采用第一方案来完成抢答器电路。
二、实现的原理与电路
2.1数字抢答器总体方框图
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，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。
主体电路
扩展电路
2.2单元电路设计
（1）抢答器电路
参考电路如图11、２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０，４个触发器输出置０，使74LS148的＝０，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＝１，使74LS148＝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１Ｑ＝１，使＝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Ｓ开关重新置?
quot;清除"然后再进行下一轮抢答。
74LS148为８线－３线优先编码器，表11、1为其功能表。
（2）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，具体电路如上图所示
（3）报警电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图11、4所示。
其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）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。
（4）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：
①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。
②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。
③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11、5时序控制电路
根据上面的功能要求以及图11、2，设计的时序控制电路如图11、5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11、4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11、2中的74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A＝1，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，从而实现功能①的要求。
当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1，经G3反相，A＝0，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②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③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，其工作原理请读者自行分析。
三、在设计过程中发现的问题和所做的改进
（1）选手号码的显示问题：
在设计过程中，我们发现按下抢答按钮后，我们希望其在七段数码显示管上显示的选手号码是1到8，这样符合我们一般的思维，而按照我们一开始所做的设计，数码管只能显示0到7，我们在认真研究体设计方案和7448译码器的功能表（见表四）后，发现解决此问题只须将显示0改为显示8，而其他的显示则不改变。
由表四可以看出，有两种方案可供选择：
1是将7448的A3端置1，其他位置0；2是将图2中的4端置1，其他位不管。
但是在计时未到时，4端始终为低电平，所以如果采用方案2的话，我们的整设计就将全部打乱，故方案2不可取。
我们采用了方案1。
我们通过观察表四看出，只有在字形（见表四）为0时，/A2
/A1
/A0=1,其他均为0。
于是我们就将A2、A1、A0三端先接入非门7404，然后将他们接入与门7408，7408的输出接7446的A3端，这样就实现了显示8的功能，其他的数码的显示并无影响。
在
（1）计时结束时让选手号码显示牌显示0而不是8的问题。
承1中所述，我们实现了选手号码显示8的问题，但随之而来的是当计时结束时因为A2、A1、A0均为零，导致我们在做出
（1）中所述改动后，选手号码显示牌上显示的为8而不是我们要求的0。
此时我们仍然是通过研究我们的总体电路图来解决这个问题的。
我们知道，只有在字形（见表四）为0时，/A2
/A1
/A0=1，其他时候其值均为0。
当计时时间到时，定时到信号输出为0，若将定时到时间信号与/A1、/A2、/A0一起接入与门，然后再接入到A3端的话，那么在定时到时，A3、A2、A1、A0均为0，经7448译码输出即为0。
（1）主持人按下抢答按键时选手号码牌显示为7而不是我们要求的0的问题。
在电路焊接过程中，我们在主持人的按键选择上选择了点触式开关，因为未对这种开关做细致的分析，我们发现每次主持人按下抢答按键选手号码显示牌上总是为7。
经过我们的认真分析，我们找到了原因，是我们的开关选择出了问题。
点触式开关在按下后马上又弹起，此即问题的所在。
于是我们很快将其更换为单刀双置开关，问题得到了解决。
（1）显示电路显示不稳定的问题。
在完成电路的焊接，进入调试阶段时，我们的抢答器显示电路出现了不稳定的问题。
主要表现在当我们在完成一轮抢答后对计时时间进行重新设定时，显示部分会出现乱码的现象。
开始我们以为是芯片出了问题，于是对芯片进行了逐个排查，确定芯片没有损坏后，我们开始检查导线的焊接情况。
我们利用万用表对接线处逐个进行了排查，最后发现某芯片的一个引脚处的导线松了。
我们对导线进行了重新焊接，过后系统恢复了稳定。
四、组装与调试
1.使用的主要仪器、仪表
①多路直流稳压电源YB1719；
②数字万用表MY61；
③数字示波器TDS1012；
④函数发生器EE1411；
2.电路调试
（1）单元电路检测
①抢答电路
把主持人的控制开关设置为“清除”位置，用万用表检查RS触发器的
端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。
于是74LS48的4端/BI/RBO=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端，即5端/ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。
然后把主持人的控制开关拨到“开始”位置，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，给8路抢答端口即输入端
…
给上低电平的输入信号，如当有选手将抢答按键按下时（如按下
），74LS148的输出
=010，
=0，经RS锁存器后，74279的输出1Q,即CTR=1，/BI/RBO=1，74LS279处于工作状态，输出端4Q3Q2Q=101，
=0，经RS锁存器后，出“5”。
此外，CTR=1，使74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。
②定时电路
用示波器检查555的输出波形是否为1Hz的方波信号，如不是对555的外围电路进行调整达到要求为止。
给74LS192的数据输入端设定一次抢答的时间，如35秒（00110101）的八位数据。
观察显示器的显示时间是否进行减计数。
有问题按原理进行修改。
③时序控制及报警电路
<1>主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。
<2>当参赛选手按动抢答按键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。
<3>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.整机电路调试
①开始时，主持人将控制开关接地，抢答电路部分锁存器74LS279的状态输出全为0，74LS48的灭灯输入与锁存器74LS279的Q1相接，故抢答电路无显示（清除）；与此同时，在计时电路部分，减法计数器74LS192的预置数端为0，将事先的预置数送入减法计数器中。
当主持人按键弹起时，计数器开始计数工作，抢答开始。
②在没有人按键且抢答时间没到时，优先编码器/Yex输出为1，计数器BO2输出为1，74148的5端，即
＝0,而
优先编码器和计数器都正常工作；
③当在规定时间有人按下抢答按键时，/YEX输出为“0”，CTR=1，/ST=1，优先编码器停止工作，此后选手的抢答无效，电路将按键者的编号显示在LED上；
同时，CTR=1，计数部分的计数脉冲
=0，计数器停止工作，此时的倒计时时间记录并显示在LED上；74148的/Ys端由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
=4.3秒。
④如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态2，Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为
=4.3秒；ST=1，抢答电路停止工作，此后的抢答按键无效。
五、所用元器件列表
序号
编号
名称
数量
说明
1
74LS192
十进制可逆计数器
2片
工作电压5V
2
NE555
单稳态触发器
2片
工作电压5V
3
74LS48
七路显示译码器
3片
工作电压5V
4
74LS148
优先编码器
1片
工作电压5V
5
74LS279
触发器
1片
工作电压5V
6
74LS121
非重触发单稳态触发器
1片
工作电压5V
7
7400
与非门
1片
工作电压5V
8
7408
与门
1片
工作电压5V
9
7404
反向器
1片
工作电压5V
10
9013
三极管
1个
11
R3、R4
510
电阻
3只
12
R2
68kΩ电阻
2只
13
R1
15kΩ电阻
2只
14
R6
100kΩ电阻
1只
15
R5
1kΩ电阻
2只
16
R7
10kΩ电阻
10只
17
C1
0.1uF
2只
18
C
10uF
1只
19
C2
100uF
1只
20
Speaker
蜂鸣器
1只
8Ω，6V
21
SW
弹片开关
9只
22
单刀双置开关
2只
23
LED
发光二极管
1只
24
DPY_7-SEG
共阴极七段数码显示管
3片
六、心得体会：
本文详细介绍了抢答器的设计方案，功能及在设计过程中所做的改进。
这种抢答器主要是基于74系列集成芯片，成本较低，且基本能够使用于学校的一些活动中。
通过这次设计系统让我对自己的专业知识有了进一步的巩固与提高。
在设计中让我接触到之前我没有接触到的东西，之前我对所谓的74系列的芯片一点了不解，现在终于有一些了解了，也知道了芯片的功能与它们的工作原理。
在protel的制作中，也让我重新复习了protel的操作过程。
在做课件设计之前protel中的封装一直困扰着我，但是经过这次的设计让我很好的掌握了元件封装的画法与导入。
不过在设计过程中我也遇到了不少的问题，比如说PCB板的排布，PCB板的排布不好导致了产生了很多的跳线，这给接下来的焊接工作带来了很多的不便。
在这一方面我还存在一些不足的地方，我希望在以后的课件设计中得以改进。
致谢：
这是我第一次接触74LS系列的芯片，谢谢老师给我这次机会。
通过这次设计让我将在今后的人生中不断的完善自己，突破自己！
感谢大家，我将以努力来感谢所有帮助过我的人。
参考文献：
1.康华光编<<电子技术基础数字部分>>,北京高等教育出版社,2000年6月版.
2.李海编<<74系列芯片手册>>,重庆重庆大学出版社1999年9月版.
3.欧阳星明编<<数字逻辑>>，武汉华中科技大学出版社，2002年5月版
4.肖景和编《CMOS数字电路应用300例》，北京，中国电力出版社，2005年1月版
5.《电子技术基础.数字部分（第四版）》高等教育出版社2003年3月 主编：
康华光
6.《74系列芯片手册》，重庆大学出版社1999年9月主编：
李海
7.《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程》，电子工业出版社
附录
整机电路原理图
仿真图：
PCB图：
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