十五路抢答器设计自主设计.docx
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十五路抢答器设计自主设计
山东轻工业学院
课程设计任务书
学院电子信息与控制工程学院专业电子信息工程
姓名孙尚进班级08-1学号200802031025
题目十五路智力竞赛抢答器设计
1、主要内容：
设计一个十五路智力竞赛抢答器，同时供15名选手或15个代表队参加比赛。
电路主要包括抢答电路、控制电路、定时电路、显示部分抢答器。
主持人可以通过控制开关控制系统的清零和抢答的开始。
一次抢答时间可以有主持人设定。
在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作。
否者本次抢答无效。
2、基本要求：
能够掌握抢答器的工作原理及其设计方法。
3、主要参考资料；
[1]阎石.数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社.2005
[2]许小军.数字电子技术试验与课程设计指导.东南大学出版社.南京.2007
[3]关于protel和Proteus的网络资料。
[4]电子发烧友等网站关于74ls191等芯片的介绍。
完成期限：
自2010年9月27日至2010年10月16日
指导教师：
丁超教研室主任：
一、设计的目的
通过本课题设计，掌握数字电路系统的设计方法。
二、设计任务与要求
抢答器同时供15名选手或15个代表队比赛,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。
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。
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。
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。
如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，，定时显示器上显示00。
三、设计方案论证、选择
方案一、选用单片机如51系列、PIC系列、AVR系列等作为主控单元，在单片机最小系统的基础上，I/O口外接矩阵键盘、数码管或显示更多信息的液晶屏（1602、12864等）；只需编写一段简单的程序即可实现十五路抢答器。
方案二、选用中规模集成芯片组合成十五路抢答器。
选用74LS148、74LS48、74LS191、74LS279、74LS74、74LS00、NE555。
方案一虽然外围电路简单，可扩展功能较多，如使用凌阳单片机自带的语音功能可实现录音、放音，更显智能化；但是其造价相对较高。
而方案二虽然电路相对复杂，连线较多；但是使用简单元件实现了复杂的功能，而且造价低廉，更有实用价值。
所以我们选择方案二。
四、抢答器整体框图
图1抢答器组成框图
五、各单元电路设计
本部分电路主要包括优先编码电路74LS148、锁存器74LS279，74ls48显示电路
主要功能：
抢答电路的功能有两个：
一是能分辨出选手按键的先后，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键操作无效。
选用优先编码74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如下图所示。
其工作原理是：
当主持人控制开关处于“清除”位置时，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BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作，当主持人开关拨到“开始”位置时，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，等待输入端S1～S15输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，74LS279处于工作状态4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。
此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其他按键的输入。
当按下的键松开后，74LS148的YEX为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他按键的输入信号不会被吸收，这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。
当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
（1）、优先编码电路
根据要求，用两片优先编码器74LS148级连组成。
由74LS148的功能表可以看出当高位片处于工作状态且没有输入时，Y2,Y1,Y0,YEX都是1，YS为0，低位片也处于工作状态。
当高位片有输入时，YS=1=ST，所以低位片处于封锁状态，同时两片的输出YS=1，高位片YEX为0，低位片的YEX为1。
当低位片用输入时，高位片的YS=0，低位片的YS=1，高位片YEX为1，低位片的YEX为0。
由ZYEX=YEX1•YEX2Z0=Y01•Y02Z1=Y11•Y12Z2=Y21•Y22Z3=可以得到当ST=0时，即74LS148处于工作状态时，不论是低位片还用高位片有输入时，ZYEX都为0，当没有输入时，ZYEX为1。
当高位片有输入时，Z3为0，当低位片有输入时，Z3为1，当ST为1时，74LS148处于禁止工作状态，Z3为1。
表174LS148功能表
输入
输出
ST
S0
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
Y2
Y1
Y0
YEX
YS
1
×
×
×
×
×
×
×
×
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
×
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
×
×
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
0
×
×
×
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
×
×
×
×
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
×
×
×
×
×
0
1
1
0
1
0
0
1
0
×
×
×
×
×
×
0
1
0
0
1
0
1
0
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
1
2、
（2）、锁存电路
RS触发器的端为低电平，由于74LS148没有输入，都为1，所以输出端（4Q~1Q）全部为0。
当74LS148有输入，相应的为0，所对应的输出端变为1，当输入退出时，重新变为1，而对应的输出端保持1不变，实现了锁存的功能。
表2锁存器74LS279真值表
输入
输出
Q
1
1
Q0
0
1
1
1
0
0
0
0
×
表3.1.3.2锁存器74LS279真值表
当ZYEX为0时，Q的输出为1，Q=ST=1，所以令74LS148处于禁止工作状态，使其他按键的输入信号不会被吸收，这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。
当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制开关S，使抢答电路复位（即令
=0），以便进行下一轮抢答。
（3）、4位二进制/BCD码变换电路
由全加器74LS283与门电路组成，由于用15路选择，4位二进制数表示的十进制数的范围为0～15，其8421BCD码需用5位二进制数表示，它们之间的对应关系如下表
二进制数
BCD码
Z3
Z2
Z1
Z0
D10
D03
D02
D01
D00
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
2
0
0
1
0
0
0
0
1
0
3
0
0
1
1
0
0
0
1
1
4
0
1
0
0
0
0
1
0
0
5
0
1
0
1
0
0
1
0
1
6
0
1
1
0
0
0
1
1
0
7
0
1
1
1
0
0
1
1
1
8
1
0
0
0
0
1
0
0
0
9
1
0
0
1
0
1
0
0
1
10
1
0
1
0
1
0
0
0
0
11
1
0
1
1
1
0
0
0
1
12
1
1
0
0
1
0
0
1
0
13
1
1
0
1
1
0
0
1
1
14
1
1
1
0
1
0
1
0
0
15
1
1
1
1
1
0
1
0
1
表3.1.3.34位二进制/BCD码变换电路真值表
（4）、定时电路
1、计数器的时钟脉冲由秒脉冲产生电路提供。
555构成的多谐振荡器作为秒脉冲发生器
图2秒脉冲产生电路
电路的振荡周期和频率计算如下
取
=15KΩ,
=68KΩ,C=10uF，可得振荡频率为
所以,T=1s
（5）、74LS191构成的三十进制递减计数器
74LS191是四位二进制异步加/减计数器，具有直接清零，置数，加/减计数功能。
由74LS191构成的三十进制递减计数器的电路原理图如下所示。
低位片的TC借位信号接到74ls74的输入端，输出低电平脉冲信号RCO接高位的cp端。
从功能表和时序图可以得到三十进制递减计数器的工作原理：
预置数为N=（00110000）8421BCD=（30）10只有当低位RCO端发出短脉冲时，高位片计数器才作减计数，当高，低位计数器处于全零，且CPD为0时，高位片TC端发出借位脉冲。
当LD为电低平时，计数器完成并行置数。
当高位和低位的同时发生借位是，即计数到“00”状态时，两个计数器借位信号TC1与TC2同时高电平，将两个高电平接到74ls00上，产生一个低脉冲信号，将此信号接到555的控制端4管脚上，555停止工作，此时74ls191停止计数。
图3减法计数器电路
（6）、控制电路
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键时，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。
根据上面的功能要求设计的时序控制电路如下图所示。
图中，开关sw1的作用是控制时钟信号CP的产生，同时控制74LS148的输入使能端ST。
工作原理是：
主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，74LS279的输出CTR=0，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS191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，74ls00输出为高电平，使74LS148和74ls279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，74ls279的4管脚1q输出为高电平，1q接到低位74ls191的使能端，是计数器停止工作，定时器处于保持工作状态；同时，1q接到74LS148的输入使能端，使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，来自74LS191的TC1=TC2=0，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答，同时555停止工作，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能（3）的要求。
七、部分电路原理图
图4智力竞赛抢答器电路
九、总结与心得
经过本课程设计，我对数字电子的应用有了进一步的认识，并能熟练掌握本实验所要求的知识，而且能综合运用，设计出简单的应用电路。
熟悉了电路的制作流程，包括原理图设计、软件仿真、生成PCB印刷电路图、使用万能板焊接成实用电路。
大大地提高了我的动手能力以及分析问题的能力。
这次课程设计，让我学到了很多我们专业的知识，锻炼的我的专业能力，使我对自己的专业有了更充分的了解，也增加了我对自己专业的兴趣。
附录一：
部分元件清单
74LS1912片NE5551片
74LS484片74LS2791片
74LS1481片74LS001片
74LS741片
发光二极管数码管4个
电阻1k欧姆10k欧姆
电容10uf0.1uf
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