理学与信息科学学院

数 字 电 路 课 程 设 计 报 告

设 计 题 目       多路智力竞赛抢答器的设计          

学生专业班级        电子信息科学与技术            

学生姓名（学号）                                   

设计小组其他同学姓名（学号）                       

指 导 教 师                                    

完 成 时 间                2012.6.3                   

实 习（设计）地点          信息楼245                 

  2012年6月3日

多路智力竞赛抢答器的设计

1设计目的

随着各种智力竞赛越来越多，在答题的过程中一般要分为必答和抢答两种。必答有时间的，到时间要警告。而抢答则要求参赛者做好充分的准备，等主持人说完题目，参赛者开始抢答，谁先按钮，就由这个参赛者答题，但是很难确认谁先按的，因此使用抢答器来完成这一功能是很有必要的。

本设计是一个可供八个人抢答的多路抢答器。可以显示优先抢者的序号，幷同时有音响提示。幷具有倒计时功能。当锁定时间到了的时候会有音响提示。当一次抢答完毕，可由主持人按复位键重新开始下一次抢答。

2设计要求

掌握抢答器的工作原理及其设计方法。

1.基本功能

（1）设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号和选手的编号相对应，分别是S0-S7。

   （2）给节目主持人设计一个开关，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数码管行显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封存输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一致保持到主持人将系统清零为止。

2.扩展功能

（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30S）。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0.5S左右。

（2）参赛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。

3设计原理及其框图

数字抢答器工作原理为：接通电源后，主持人将开关置“开始”状态，抢答器工作，定时器倒计时。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。具体的说，就是当抢答按钮按下后，信号通过优先编码电路，从而封锁其它抢答通道信号，通过译码电路后由7段数码管显示。并且，优先编码电路受扩展电路中的定时信号控制，当倒计时为0，则锁上抢答电路，停止抢答。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。在扩展电路中，秒脉冲产生的电路通过定时电路控制抢答时间，并且，通过译码电路后由7段显示器显示。该显示采用的是倒计时显示，当倒计时结束后，则产生控制信号锁上抢答通路。同时，若有抢答信号，则锁上倒计时电路。时间显示在7段数码管上。

图1总体框图

4单元电路设计   

(1) 抢答电路

     此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有数码显示。使用优先编码器 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＝ 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 =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＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开时，74LS148 的 此时由于仍为CTR＝1，使优先编码工作标志端＝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。只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。如有再次抢答需由主持人将S 开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。

(2) 计时电路

    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、2 个 7 段数码管即相关电路组成。完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，进行30s倒计时。当有人抢答时，计时停止。两块74LS192 实现减法计数， 显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74LS192 的预置数控制端实现预置数30s，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。

图3计时电路

(1)秒脉冲产生电路设计：为了准确地计时，设计中不能缺少秒脉冲产生电路，即能产生周期为一秒的脉冲的电路，用555设计的秒脉冲产生电路：

因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。图中电容的充放电时间分别是：

t1=R2×C1×ln2≈0.7R2×C.t2=(R1+R2)×C×ln2≈0.7(R1+R2)C.    

所以555的3端输出的频率为： 

f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2R1+R2)C] 

我们采用的电阻和电容值分别是:

R1=15KΩ，R2=KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲

(2)显示电路设计：七段显示译码器7448输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。七段显示译码器一般与七段数码显示器相连，共同构成四输入端的数码显示电路。

(3)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 ,从而推动二极管发亮（因机房电脑故障扬声器无法发声故改用二极管）。控制电路包括时序和报警两个电路 ,如图4 所示。控制电路需具有以下几个功能。主持人熄灭二极管 ,多路抢答器电路和计时电路进入正常状态; 参赛者按键时 ,二极管发亮 ,抢答电路和计时电路停止工作; 抢答时间到 ,无人抢答 ,二极管发亮,抢答电路和计时电路停止工作。

图4报警电路

(4)总体电路                  

    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。然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为两路：一路与74LS279的R端相连,抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零；另一路低电平输出到计数器74LS192的LD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。接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端D、C、B、A的高低电平来进行（例如要设定时间为30秒,就将十位的74192的D、C、B、A分别置位为0、0、1、1，而将各位的74LS192的D、C、B、A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74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减计数；一路输出到74LS192的R端。当任意一个选手抢答时，例如7号抢答时，八位优先编码器74LS148编码输出的A2～A0成为与输入信号相对应的三位二进制码000，作用于RS触发器74LS279的S端，输出端分别为1111，输出到七段译码显示器74LS48的二进制码经其译码后输出到七段共阴数码管上，则显示器上显示对应的编号7。此时，74LS48的RI/RBO端输出高电平加一非门与74LS192的借位输出端BO也输出高电平同时加与非门，高电平作用于74LS148的选通输入端EI，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；同时，74LS48的RI/RBO端经非门输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得无脉冲抵达计数器74LS192的Down端。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；

                           总电路图

五．仿真调试过程

   在仿真调试过程中主要遇到了一下问题：

   1、在仿真过程中软件中74LS279的引脚编号与实际中的引脚编号存在差异，导致74LS279连接错误。

解决方案：查阅数字电子课本，复习基本RS触发器的构成，用两个与非门74LS02搭接基本RS触发器，从而实现了仿真中正确显示抢答选手编号的目的。在实物搭接过程中，选用74LS279，按照实际引脚搭接，将1SA非1SB非连在一起当做公共置位端，3SA非3SA非连在一起当做公共置位端，279输出引脚接74LS47，从而达到了正确显示抢答选手编号的目的

   2、在倒计时显示00的时候，倒计时不会停止。

解决方案：因高位192显示0的时候，BO2端输出低电平，故可用此信号通过与门封锁低位192的秒脉冲输入信号。

   3、在选手抢答上以后，倒计时不会停止。

解决方案：因选手抢答上以后，图中非门和或门输出端为高电平，故可用此信号接非门输出低电平封锁低位192的脉冲输入，从而实现倒计时的停止。

  4、选手抢答上以后，其他选手能抢答，并输出抢答信号。

解决方案：对于显示编号的数码管，因选手抢答上以后四输入与门和非门输出端为高电平，而74LS148选通输入端EI非为低电平有效，故可用此高电平信号接EI非，来封锁其他选手的按键输入。

  5、设计过程中，出现了电路错误而不知道那里出现错误的问题。

解决方案：在电路的连接阶段，出现了某个功能无法实现而不知道哪里出现问题的现象，这种情况可以利用导线连接发光二极管检查电平的方式进行特殊点的高低电平检查，从而缩小故障范围，进而排除故障，使电路正常工作。 

六 重要元器件介绍

74LS148引脚图：

74LS148真值表如下图：

74LS279引脚图：

74LS279真值表：

字符显示器

     分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成。电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。而LED数码显示器是最常见的。通常有红、绿、黄等颜色。LED的死区电压较高，工作电压大约1.5~3V，驱动电流为几十毫安。74LS47译码驱动器输出是低电平有效，所以配接的数码管须采用共阳极接法；而74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。

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。

74LS192引脚图：

74LS192真值表：

74LS48引脚图：

74LS48真值表：

通过这次课程设计，不仅加深了我对数字逻辑电路的理解，而且加强了我思考和合作交流及动手能力。掌握了设计中的每个模块的设计，巩固了对理论知识的掌握，而且感觉实践和理论并非同一回事。在这次实践中，加强了对各种元器件的认识。还认识到多跟同学交流的重要性，这样不仅可以使自己设计出更好更简洁的电路，而且能使自己少走弯路，分享彼此通过这次交通灯的课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决现实问题的能力。使我在单片机的基本原理、单片机应用学习过程中，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为一名合格的应用型人才打下良好的基础。综合课程设计让我把以前学习到的知识得到巩固和进一步的提高认识，对已有知识有了更深层次的理解和认识。在此，由于自身能力有限，在课程设计中碰到了很多的问题，我通过查阅相关书籍、资料以及和周围同学交流得到解决。

 光阴似箭，岁月如梭。不知不觉中，两个周的时间就这样悄然逝去，这期间有遇到难题时的苦恼，有跟同学们激烈的讨论，也有取得成功时的小小喜悦，总之可以说是受益匪浅。我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。短暂而又充实的课程设计已经结束，我将珍藏这段难忘的时光，是她让我让我知道，任何一种小小的成绩后面，也许就隐藏着许许多多不为人的艰辛。 数字电子技术是一门实践性很强的课程，加强工程训练，特别是技能的培养，对于培养工程人员的素质和能力具有十分重要的作用。

最后，在此，我要感谢给予我们精心辅导的李艳老师，还有其他代理课程设计的老师，也向他们表示最衷心的感谢！

八 元件清单：

 1、芯片  74LS192两个，74LS148一个，74LS279一个，74F21一个，74F04五个，AND3一个，74AS32一个，555多谢振荡器一个

 2、电容  10uF,100nF各一个   

 3、电阻  10 KΩ三个，240Ω,1KΩ各一个

 4、其他   单刀单掷开关，单刀双掷开关各一个，数码管三个，发光二级管一个，抢答开关八个

                课程设计成绩评定表