定时抢答器设计

2008-07-14 19:17:35| 分类：学习 | 标签： |字号大中小订阅

初始条件：

本课程设计，要求用集成电路：74LSl48，74LS279，74LS48，74LSl92，NE555，74LS00，74LSl21和其它器件等，实现八路定时抢答功能。用蜂鸣器作声电器件，工作电源Vcc为+5V。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、课程设计工作量：1周内完成对多路数字定时抢答器的设计、仿真、装配与调试。 2、技术要求：

①可同时供8名选手（或代表队）参赛，其编号分别是0到7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应。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。

②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，并数码管上显示选手的编号，同时扬声器给出声音提示；同时封锁输入电路，禁止其它选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

③抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定(如30秒)。当主持人启动“开始”键后，要求定时器立即进行减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0．5秒左右。

④参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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止；如果定时抢答的时间已到，而没有选手抢答时，本次抢答无效，系统进行短暂的报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示00。

⑤确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。

目录

1 功能介绍……………………………………………….3 1.1主要功能介绍………………………………………………….3 1.2扩展功能介绍…………………………………………………..3 2总体方案设计………………………………............................3 3单元模块设计…………………………………………..4 3．1抢答器电路………………………………………………….4 3．2定时时间电路……………………………………………….5 3．3控制电路和报警电路……………………………………….6 3．4振荡电路…………………………………………………….7

4电路参数的计算及元器件的选择 ……………………………….8 4．1电路参数的计算.…………………………………………….8 4．2元件清单……………………………………………………...8 5主要芯片介绍 ………………………………………….9 5．1 优先编码器 74LS148…………………………………….9 5．2 锁存器74LS279 …………………………………………...11 5．3 计数器74LS192………………………………………....…11 5．4 单稳态触发器74LS121…………………………………....12 6八人抢答器仿真………………………………………..13 7系统调试 ……………………………………………....15 8参考文献………………………………………………...16 9心得及体会……………………………………………...17

10附录……………………………………………………………………………….19 1功能介绍 1.1主要功能介绍

（1）抢答器最多可供8名选手参赛，编号为1~8号，各队分别用一个按钮（分别为S1~S8）控制，并设置一个系统清零和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

（2）抢答器具有数据锁存功能,并将锁存数据用LED数码管显示出来，同时蜂鸣器发出间歇式声响（持续时间为0.5秒），主持人清零后，声音提示停止。

（3）开关S作为清零及抢答控制开关（由主持人控制），当开关S被按下时抢答电路清零，松开后则允许抢答。输入抢答信号由抢答按钮开关S1~S8实现。

（4）有抢答信号输入（开关S1~S8中的任意一个开关被按下）时，并显示出相对应的组别号码。此时再按其他任何一个抢答器开关均无效，指示灯依旧“保持” 第一个开关按下时所对应的状态不变。

1.2扩展功能介绍

（1）抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如30秒）。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5秒左右。

（2）参加选手在设定的时间内抢答，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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

（3）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，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。

2总体方案设计

如图2.11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。

图2.1.1 3单元模块设计

3．1抢答器电路功能介绍

设计电路见图3.1.2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，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S置于\"清除\"端时，RS触发器的 R、S端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的优先编码工作标志端（图中5号端）＝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，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，CTR=1,RBO(图中4端) =1,七段显示电路74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR＝1，使74LS148 优先编码工作标志端（图中5号端）＝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CTR＝1，使优先编码工作标志端为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“清除”然后才可能进行。

3．1．1抢答器电路 图3.1.2

3．2定时时间电路功能介绍

原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图3.2.2所示。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74192的预置数控制端实现预置数，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。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG 上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。

3．2．1定时电路 图3.2.1

3．3控制电路和报警电路

由555 芯片构成多谐振荡电路 ,555 的输出信号再经三极管放大 ,从而推动扬声器发声，控制电路包括时序和报警两个电路 ,如图所示。控制电路需具有以下几个功能。

主持人闭合开关扬声器发声 ,多路抢答器电路和计时电路进入正常状态; 参赛者按键时 ,扬声器发声 ,抢答电路和计时电路停止工作;抢答时间到 ,无人抢答 ,扬声器发声 ,抢答电路和计时电路停止工作

由功能表可以看出，要使电路实现倒计时（减法）功能，应使CR=0，PE非=1，CP+=1，CP-=CP。可用CR端接电平开关来控制计时器的工作与否。

声响显示电路需要在两种情况下做出反应：一种是当有参赛者按下抢答开关时，相应电路的发光二极管亮，同时推动输出级的蜂鸣器发出声响；第二种情况是当裁判员给出“请回答”指令后，计时器开始倒计时，若回答问题时间到达限定的时间，蜂鸣器发出声响。

声响电路由两部分组成：一是由门电路组成的控制电路，二是三极管驱动电路。门控电路主要由或门组成，它的两个输入，一个来自抢答电路各触发器输出Q非的与非，他说明只要有一Q非为低电平，就使该与非门输出为高电平通过或门电路驱动蜂鸣发生器；另一个来自计时系统高位计数器的借位信号QB，它说明计时电路在30秒向29秒，28秒，……2秒，1秒，0秒倒计时再向30秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲经反相器得到一个高电平。这个高电平信号也能使蜂鸣器发声。

图3.3.1 图3.3.2 3.4振荡电路

本系统需要产生三种频率的脉冲信号，一种是频率为1KHZ的脉冲信号，用于声响电路；一种是频率为500KHZ的脉冲信号，用于触发器的CP信号。第三中频率为1HZ信号用于计时电路。以上电路可用555定时器组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频得到。

图3.4

4电路参数的计算及元器件的选择 4．1电路参数的计算

发声延迟0.5秒，fo＝1．43／［（R ＋2R ）C］，权衡考虑到元器件的成本和74LS121的相关性质（下文有说明），最终选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF

4．2元件清单 电子元件清单 序号 1234567抢答器PCB板 共阴极显示器 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 510 1K 4.7K 5.1K 100K 10 15K XDA6 1 3 2 9 1 1 1 1 1 张 只 只 只 只 只 只 只 只 名称 型号/规格 数量 备注 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 电阻 68K 1 只 瓷片电容 0.1uf 1 只 瓷片电容 10uf 2 只 瓷片电容 100uf 1 只 瓷片电容 4.7uF 1 只 瓷片电容 1uF 1 只 瓷片电容 100uF 1 只 发光二极管 4148 8 只 三极管 3DG12 1 只 74LS148 1 只 开关 8 只 74LS121 1 只 74LS48 3 只 74LS279 1 只 74LS192 2 只 74LS00 1 只 NE555 1 只 27 细直导线 50厘米 1 条 5主要芯片介绍

5．1 优先编码器 74LS148

74LS148为8线－3线优先编码器，表5.1.1为其真值表，表5.1.2为其功能表,图5.1.1为其管脚图。 74LS148管脚图

表5.1.2 74LS148 8线—3线二进制编码器真值表 74LS148工作原理如下：

该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。

当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。表明编码器处于工作状态，否则为1。

由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS＝0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。

从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，……，0。输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如5为0。且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理

5.2 锁存器74LS279

原理：在74ls279中，由于4回路中2回路置位端子为两个，所以使用其一时，整理两个置位输入作为1个使用，或将另一个输入固定为“H”使用。另外，作为稍微变化74LS279 的使用方法，也可将3组作为RS锁存器使用，剩余的RS锁存器作为2输入NAND门电路使用，复位输入例如①管脚固定为”L”时其输入为”H”，所以可构成将②和③作为输入，输出为④的2输入NAND，此变换如图5.2.所示。

图5.2. 74LS279管脚引线图 5.3 计数器74LS192 74LS192具有下述功能：

①异步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000

②异步置数：CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0 ③保持： CR=0，LD=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原态

④加计数：CR=0, LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数 ⑤减计数：CR=0, LD=1，CPU=1，CPD= CP，Q3Q2Q1Q0按减法规律计数

74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。

CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。 LD为预置输入控制端，异步预置。

CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。 CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出 BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。 图5.3. 74LS192管脚引线图 5.4 单稳态触发器74LS121

TTL集成器件74121是一种不可重复触发集成单稳态触发器

关于定时：单稳态电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。74121的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。若输出脉宽较宽，而采用电解电容时，电容C 的正极连接在Cext输出端（10脚）。对于定时电阻，使用者可以有两种选择：

·采用内部定时电阻（2 kΩ），此时将9号引脚（Rint）接至电源VCC（14脚）。 ·采用外接定时电阻（阻值在1.4～40kΩ之间），此时9脚应悬空，电阻接在11、

14脚之间。74121的输出脉冲宽度tW≈0.7RC。通常R的数值取在2～30kΩ之间，C 的数值取在10pF～10μF之间，得到的的取值范围可达到20ns～200ms。

该式中的R可以是外接电阻Rext，也可以是芯片内部电阻Rint(约2kΩ)，如希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。

图5.4.1 74LS121管脚引线图 74LS121功能表 6八人抢答器仿真

按照总体电路图在仿真软件EWB上一一选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。下面，我们分两部分对设计出的电路进行Multisim仿真。我们将各部分电路在EWB上连接好后，为各个电阻和电容选取适当值，为各个开关设置好适当的键盘打开数值（例如，为某一开关设为1连接，则启动Multisim仿真按钮后，在键盘上按1则此开关就由断开状态变为连接状态）然后打开Multisim的开关，即可根据显示器上显示的数字来判断电路设计是否成功。

图6.1

按照电路图连接好电路后。此时，三个显示器上均无数字显示。将主持人控制的开关从0拨到1，则可以看到灯泡变亮（即为扬声器发声），同时，定时部分电路工作，开始从设定的数据倒计时（30、29、28、27...）。若倒计时至零还没有选手对应的按钮按下的话，最终定时部分的显示器上显示00并且灯泡变亮（即为扬声器发声）;若在倒计时的过程中，有一个选手对应的按钮按下的话，则有三个现象产生：第一，抢答部分的显示器上显示对应出对应的编号（1），同时定时部分的显示器上的数据停止计数不再变化,此时，若有其他选手再次按动对应按钮，则显示器上无反应，仍旧是第一个抢答选手对应的编号（1）

然后，将主持人的开关从1拨到0，则可以看到抢答部分的显示器上无显示，而对应定时部分的显示器上则显示主持人设定的初始时间（30s）。

7系统调试

把上面所设计的单元电路连接起来可得到整机电路。然后可在印刷电路板上焊接分立元件并进行调试。在调试的过程中可能会遇到由于逻辑门传输延时的存在而带来的竞争冒险问题 ,主要表现在当按键按下时 ,在连续按键的情况下大约有10 %的可能性误显示为 8 ,

1．测试使用的主要的仪器和仪表是万用表。

2．调试电路的方法和技巧是用红黑表笔测试接电源处是否有电压显示，再用表笔分别测试各集成块和电阻，电容的电压，注意用手背触摸一下，检查各仪器是否发热工作，。

3．测试的数据电压显示为6.69伏等。

4．调试中出现的故障，原因及排除方法有的电阻焊接为虚焊，原因是检查发生漏洞，排除方法是再焊接；74LS148接地引角8不为零，可能焊连，去掉焊连部分。

5. 系统功能、指标参数

八个抢答按钮电阻R1~R8：由74系列参数Iil<=Iil(max)=1.6mA,所以R>=(Vcc-Vol)/Iil=3k, 取(R1~R8)=10k。

7.1抢答显示功能测试

按图的有关部分在实验箱上连线，将开关A，B，C，全部处于低电平。首先拨动开关A，该端发光二极管亮，此时再拨动开关B或C，观察其他发光二极管的情况。

7.2清零功能测试

在以上实验的基础上，将74HC74的所有R端连在一起通过开关J控制。由表可以看出，74HC74的异步控制信号高电平有效，因此可用R=1实现复位功能。开关J可以利用实验箱上的电平开关。常态时，它处于低电平。拨动开关J，观察二极管是否全灭。

7.3倒计时功能测试

按图的电路在实验箱上连线，计数器的输出可接发光二极管，

在CP作用下，观察发光二极管显示情况。通过控制CR端的状态，在观察发光二极管显示情况。 7.4声响电路功能测试

按图在实验上连线，可将与非门可反向器的输入端分别通过实验箱上的电平开关来控制状态，观察喇叭发声情况。

8参考文献

【1】阎石. 数字电子电路. 北京：广播电视大学出版社. 1992 【2】康华光. 电子技术基础（数字部分）. 北京：高等教育出版社. 2000 【3】任为民. 数字电子电路学习和实验指导. 北京：广播电视大学出版社. 1992 【4】赵雅兴编著. PSpice与电子器件模型. 北京邮电大学出版社，2004

【5】 Nilsson, James William. Introduction to PSpice manual for Electric Circuits using orcad release 9.1. 科学出版社，2003.

【6】辛长平著 .电工应用电路图说 .电子工业出版社，2006

【7】谢自美主编电子线路设计·实验·测试（第二版）华中科技大学出版社，2000 9心得及体会

这学期的课程设计时间比较充足但题目感觉很难，之前分给我的题目为8人计时器，我上网搜了许多资料都没有相关介绍，图书馆也没有。我们小组其他人也基本都不会做，无赖只好做其它题目，但别人有的已经在做，不好意思去混别人的，只好临时更改做抢答器。

照着借来的书上的题目，我进行了电路仿真，有的功能不能实现，实在是想不出什么原因，和我做同样题目的人也遇到了同样的困惑。

我和余燕一组，我们按照书中的电路图买来元件，在我们的实物焊接阶段，之前的电工实习让我简单的接触到了焊接实物，以为会比较轻松，但实际焊接起来才发现此次与电工实习中的焊接实物有很大的不同，要自己对焊板上元件进行布置和焊接电路元件连线，增加了很大的难度。由于采用了电路板，为了使步线美观、简洁，还真是费了我们不少精力。

经过这段课程设计的日子，我发现这给我留下了很深的印象。由于没有接触，开始学得很费力，但到后来就好了。在每次的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是问别人，因为每个人掌握情况不一样，不可能做到处处都懂，发挥群众的力量，复杂的事情就会变得很简单。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就已遇到，向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。

虽然最终实物做出来了，但这并不是我一个人做出来的。通过这次课程设计，我明白了一个团队精神的重要性，虽然只有我们两人，但很多都向做这个题目的人请教了，因为从头到尾，都是大家出主意，来解决中间出现的各种问题。从原理图的最终敲定，到波形的仿真，到元器件的选择与购买，到最后实物的焊接与调试，这都是我们一起分工合作的结果，正是因为配合得默契，每项工作都完成得很棒，衔接得很好，才使我们很快的完成了电路板。

通过这短暂几天的学习，让我体会到想要创造一个实用的电子设备要经过很长时间的设计与改造，因为实际与理论又很大的区别。在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。提到细心和耐心，我深有体会。在画完电路图后，出了很在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。特别是在仿真过程中对参数的改进和电路图的查找过程中，我深有体会。我认为这次实习不仅仅学习了软件知识，还提高了我们专业素质。

作为一个电信专业的学生，我深知课程设计的重要性。这次实习我从刚开始的什么都不懂不会不敢不碰，到现在的基本了解了一个电路元件是如何构成的，还有以前看的集成板上让人难琢磨的电路焊接图我都可以看懂一些了，其中的电路仿真也让我对以前学习的电路知识有了详细地了解。我们顺利完成了这周的模拟电子的课程设计。

完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了数电的知识及一门专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。更多的是让我看清了自己，明白了凡事需要耐心，实践是检验真理的唯一标准。理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。这将有助于我今后的学习，端正自己的学习态度，从而更加努力的学习。只有这样我们才能真正的去掌握它，而不是只懂得一点皮毛。

尽管现在只是焊接了电路板，最终功能未能实现，这不能不说是一大遗憾，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，不仅因为它发生在考试这段时间，更重要的是我又多掌握了一门新的技术，对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜，不是吗？