8路智力竞赛抢答器(数电课程设计报告)

数字抢答器的设计

姓名李永宏

学号201401910034

年级14自动化

专业自动化

系（院）机械与材料工程学院指导教师王丹

1 设计任务与要求 (1)

1.1基本功能 (1)

1.2 扩展功能 (1)

2 设计原理 (1)

3 电路设计 (2)

3.1 抢答电路 (2)

3.2 定时电路 (6)

3.3 相关逻辑电路 (8)

4元器件的使用列表 (10)

5仿真结果 (11)

6 设计体会 (11)

参考资料 (12)

8路智力竞赛抢答器

1 设计任务与要求

1.1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，其编号分别是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功能。抢答开始，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示选手的编号，同时扬声器发出音响提示此外．要封锁输人电路，禁止其他选手抢答，并将优先抢答选手的编号—直保持到主持人将系统清零为止。1.2 扩展功能

（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间长度可以由主持人设定（如30 s）。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音响，音响持续时间为0.5 s左右。

（2）参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效；有效抢答结束定时器停止工作．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，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后做无效抢答，时间显示器上显示00。

2 设计原理

定时抢答器的总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答；扩展电路完成定时抢答的功能。

图1- 1 定时器总体框图

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题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器发出音响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时开始。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，禁止选手在超时后抢答。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，然后由译码电路显示编号；

扬声器发出短暂音响，提醒节目主持人注意。

（2）控制电路要对输人编码电路进行封锁，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—轮抢答。

3 电路设计

3.1 抢答电路

抢答电路的功能有两个：—是能分辨选手按键的先后，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。

方案一：

选用优先编码器74LS148和八D锁存器74LS573（或74LS373）可以完成上述功能。通过74LS573可以一次性锁存八个信号输入的功能，将八个抢答的信号送给它2~9的八个输入管脚，再将它19~12的八个管脚接74LS148的优先编码信号输入的八个管脚，最后通

过优先编码器的GS端经相应门电路处理后接锁存器的锁存端进行锁存。

74LS573管脚与功能如图3-1所示。

图3- 1 74LS573管脚与功能

方案二：

选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如图3-2所示。

图3- 2

抢答器电路

其工作原理是：当主持人的控制开关处于“清除”位置时，RS 触发器的R 端为低电平，输出端（4Q ～1Q ）全部为低电平，于是74LS48的RBI ＝0，显示器灭灯；74LS48的选通输入端ST ＝0， 74LS48处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到“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7I 、··· 、0I 输人信号。当有选手将键按下时（如按下S 5，74LS148的输出012Y Y Y ＝000，EX Y ＝0，经RS 锁存器后，CTR ＝1，B ＝1，74LS279处于工作状态； 4Q3Q2Q ＝101，经74LS48译码，显示器显示“5”。此外，CTR ＝1，使74LS148的ST 端为高电平．74LSl48处于禁止工作状态，封锁了其他按键的输人。当选手按下的键松开后，74LS148的EX Y 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接收。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。

最终方案：

经过对比以上两种抢答电路，我们最终选择实验室有所有现成芯片方案二（在最后的方案里对方案二也进行了修改）。抢答与按键电路如图3-3和图3-4所示。为了连线方便，图中使用了大量的网络标号，如“RBO ”、“A0” 、“A1” 、“A2”等。

完整电路原理图请看附录。

图3- 3 抢答电路

通过Proteus ISIS 7.8仿真得图3-2的抢答电路未能实现所需的抢答要求。主要为74LS279的最右边个RS触发器输出Q端接74LS148的ST时，在电路工作状态主持人控制

开关不能实现“清零”后再“开始”让抢答电路继续工作。经过改进得如上图3-3完成了抢答电路要求。RBO从图3-9中产生。

图3- 4 抢答按键电路

图3-4中的8个按钮现实中用1个八位拨码开关代替，简化材料的同时又更加贴近真实抢答过程中选手会一直按着按钮的这种情况的模拟。如果电路中再增加一个74LS83到优先编码器与显示译码器之间，实现二进制码的加一操作可以使数码管从1~8数码的显示可更加贴近真实抢答中的显示内容，同时可以去掉图3-4中的与门。本电路中的与门为对抢答时“0”信号的特殊处理，避免抢答时“0”号按钮按下而数码管中不显示“0”的情况。

74LS148是有八个输入端，三个输出端的优先编码器，它的功能是判断抢答选手的编号。74LS148的功能表如表3-1所示。