智能抢答器设计与制作

题 目：智能抢答器设计与制作

目录

第1章 课程设计目的 ……………………………………………………… 1

抢答器的特点及应用 ……………………………………………… 1 设计任务 …………………………………………………… 1

1.2.1 设计任务及目标 ………………………………………… 1 1.2.2 主要参考器件 ……………………………………………… 2

第2章 系统设计原理和方案分析 ……………………………………… 3

电路组成原理 ………………………………………………………… 3 设计思路 …………………………………………………………… 3 设计方案 …………………………………………………………… 4 第3章 硬件电路设计和仿真 ……………………………………………… 5

倒计时模块 ………………………………………………………… 5 3.1.1 计时器的基本原理………… 5

74LS192减法计数器 ……………………………………… 6 3.1.3 秒脉冲发生器 …………………………………………… 8 抢答器模块 ………………………………………………………… 8 74LS148优先编码器 …………………………………… 8 3.2.2 锁存器的工作原理 ………………………………………… 8 3.2.3 数码管驱动及显示电路……………………………………… 10 总电路图仿真 ……………………………………………………… 11 第4章 硬件调试过程及解决方法 ………………………………………… 12 资料来源 ………………………………………………………………… 13

第5章 总结 ……………………………………………………………… 13

第1章 课程设计目的

抢答器的特点及应用

当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，那么也就必然离不开抢答器。而现在的抢答器有着数字化，智能化的方向发展， 这就必然提高了抢答器的成本。鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器必将大有市场。本抢答器与其他抢答器电路相比较有分辨时间极短、结构清晰，成本低、制作方便等优点，并且还有防作弊功能。

因此，我们制作了这款简易四路抢答器屏弃了成本高，体积大，而且操作复杂。我们采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，因而本抢答器具有显示直观，不需要人干预的特点。而且在显示时抢答器会发出叮咚声使效果更为生动。工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是必要设备。本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。

设计任务

1.2.1 设计任务及目标 1．设计任务

设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。由主持人控制，抢答前锁定抢答器，抢答时开启电路；用发光二极管LED显示哪个选手抢到。 2、设计目标

(1)4名选手编号为：4，5，6，7。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为4，5，6，7。

(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）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，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

(4)抢答器具有定时（9秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时。参赛选手在设定时间（9秒）内抢答有效，抢答成功，定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时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。

(5)如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。

(6)用555定时器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。 1.2.2 主要参考器件 表1 主要器件列表 序号 1 2 3 器件名称 74LS279D 74LS192D 555定时器 74LS08D 74LS00D 74LS48D 74LS148D 开关按纽S BCD七段显示器 电容 电阻 数量 1 1 1 1 1 2 1 5 2 3 7 共阴极 锁存器 备注 同步减法计数器 连接成多谐振荡与秒时钟脉冲 与门 与非门 七段显示译码器 优先编码器 4 5 6 7 8 9 10 11

第2章 系统设计原理和方案分析

电路组成原理

基于这个设计的上述要求，根据功能要求，须设计有抢答电路、译码显示电路、主持人控制电路、定时电路，各个电路都有其自己的功能。通过复位按键S，电路进入就绪状态，等待抢答。

首先由主持人发布抢答命令（按下S按键）同时发光二极管随即变亮，当看到二极管亮，进入倒计时状态和抢答状态。在电路中“S4-S7”为4路抢答器的4个按键，如果有人按下按键，程序就会判断是谁先按下的，然后从P2口输出抢答者号码的七段码值，经GAL16V8驱动，送到码管显示，并封锁键盘，保持刚才按键按下时刻的时间，禁止其他人按键的输入，从而实现了抢答的功能。如果在设定的时间中没有一个人按下按键，一到时

间，不可以抢答。当要进行下一次的抢答时，由主持人先按一下复位按键S，电路复位，进入下一次抢答的就绪状态。

设计思路

1.电路设计

电路由选手开关电路、主持人开关电路、触发锁存电路、时间脉冲电路、抢答鉴别电路和显示电路组成。

时间脉冲源 选手开关 触发锁存电路 抢答鉴别电路 主持人开关 显示电路

图1 设计思路图

2.单元电路分析 （1）选手开关

此电路由4个开关组成，四位抢答者通过开断各自的开关开关实现抢答，给编码器输入高低电平，其中低电平为有效抢答信号。 （2）主持人开关

此电路由1个开关和一个1kΩ的电阻组成，主持人通过开断开关控制整个电路开合。 （3）触发锁存电路

此电路由4D触发器74LS175组成。它具有以下功能：1.清零功能(用集成触发器清除端实现，由主持人输入手动负脉冲控制)。2.四个抢答键控制功能(有按键实现)。 3．显示功能(用数字逻辑实验箱中的发光二极管实现。 4.脉冲信号控制功能(由主持人输入手动正脉冲控制)。

设计方案

本设计分成抢答器和倒计时两个部分。抢答器具有锁存、定时和显示功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用数码管显示器把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。抢答时间设定9秒。

接通电源后，主持人将开关拨到“清除”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，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。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。

第3章 硬件电路设计和仿真

倒计时模块

3.1.1 计时器的基本原理

该计时器主要是由三个部分组成，一个是555定时器用来提供脉冲，一个是由3个JK触发器构成的减法计数器，最后一个组成部分是由译码器和数码管连接成的，用于显示时间。

74LS48的7，6，2，3引脚接受来自74LS192的输出信号并把它译码 显示在数码管上。74LS192的9，10，11，15引脚完成时间设定功能，本设计要求定时9秒，所以把左边的芯片的1，15引脚接高电位，期于的全接低位，使的初始时间设定为9秒。555芯片完成产生秒脉冲的功能。工作过程为：抢答开始前，74LS192的置数端为低电位，处于初始状态，数码管显示为9，5引脚接高电位。抢答开始后，秒脉冲冲推动右边的芯片开始倒记

时，同时右边芯片产生的信号做为左边芯片的CP信号推动左边的芯片倒记时，完成十进制的倒记时功能。当有人抢答后1Q的输出为1，经过非门后变为0，通过与门屏蔽了秒信号，停止记时，完成显示抢答时间的功能。当记到了9秒时，左边的芯片产生的定时到信号输出为低电位，也屏蔽了秒信号，使得数码管显示为0。

图2 抢答器电路图

74LS192的工作原理

图3 74LS192的逻辑功能表和引脚图

1. 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 2. 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。

3.1.3 秒脉冲发生器电路设计

555定时器内部结构的简化原理图如图4，它由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT以及缓冲器G 组成。

定时器的主要功能取决于比较器的输出控制RS触发器和放电BJT T的状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。

图4 555结构原理图

表2 555功能表

输入 阀值输入（VI1） × <2/3Vcc 1 R 出发输入（VI2） × <1/3Vcc 0 0 1 S 复位（Rd） 输出输出 放电管T 导通 截止 （Vo ） 0 1 >2/3Vcc <2/3Vcc 0 1 >1/3Vcc >1/3Vcc 1 1 1 1 0 不变 导通 不变 由555 芯片构成多谐振荡电路 ,555 的输出信号再经或门控制显示闪烁。主持人闭合开关,多路抢答器电路和计时电路进入正常状态; 参赛者按键时 ,抢答电路和计时电路停止工作。抢答时间到 ,无人抢答 ,0闪烁 ,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。计时系统高位计数器的借位信号QB，它说明计时电路在3秒，2秒，1秒，0秒倒计时再向9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。这个高电平信号或上方波信号就使显示器闪烁。

10u

图5 555振荡器接线图

抢答器模块

3.2.1抢答电路的设计

抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的的先后，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。

74LS148优先编码器

图6 74LS148的引脚图

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。 3.2.2锁存器

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。

图7 74LS279的逻辑功能表和引脚图

3.2.3 共阴极七段LED显示器

74LS48输入信号为BCD码，输出端为a、b、c、d、e、f、g共7线，另有3条控制线、、。端为测试端。在端接高电平的条件下，当=0时，无论输入端A、B、C、D为何值，a～g输出全为高电平，使7段显示器件显示“8”字型，此功能用于测试器件。端为灭零输入端。在=1，条件下，当输入A、B、C、D=0000时，输出a～g全为低电平，可使共阴LED显示器熄灭。但当输入A、B、C、D不全为零时，仍能正常译码输出，使显示器正常显示。端为消隐输入端。该输入端具有最高级别的控制权，当该端为低电平时，不管其他输入端为何值，输出端a～g均为低电平，这可使共阴显示器熄灭。另外，该端还有第二功能——灭零信号输出端，记为。当该位输入的A、B、C、D=0000且时，此时输出低电平；若该位输入的A、B、C、D不等于零，则输出高电平。若将与配合使用，很容易实现多位数码显示时的灭零控制。例如对整数部分，将最高位的接地，这样当最高位为零时“灭零”，同时该位输出低电平，使下一位的为低电平，故也具有“灭零”功能；而对于小数部分, 应将最低位的接地，个位的端悬空或接高电平，低位的接至高位的。74LS48可直接驱动共阴极LED数码管而不需外接限流电阻。此处要是保持数码管不黑屏就将BI/RB0，RBI置1就可以了，LT是检查数码管的好坏的，如果不需要的话直接接高电平。其他端口按照abcdefg的对应关系连接好以保证显示正确，确保接地成功。

总电路图仿真

见下页

图 8 总电路仿真图

第4章 硬件调试过程及解决方法

（1）显示电路不稳定问题

在完成电路的焊接进入调试阶段时发现抢答器数码管显示选手编号不稳定。主要表现在单选手按下抢答键后数码管显示的不是选手当前号码。因此着手对电路进食检查，首先检查数码管看是否是关节焊接错误，后又检查电路各个芯片管脚接错均未发现问题，最后发现当触动某按键连线时显示正常由此判断可能是因为出现了虚焊，遂将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。 （2）控制开关无法控制电路

在调试是发现当按下主持人开关时电路断电，当松开后数码管显示始终为7，经过一个多小时对电路用万用表逐个检查，发现是开关触焊接错误，通过改正焊接后电路能正常工作。

（3）数码管不能正常倒计时

在进入定时电路调试时，发现数码管不能正常倒计时，出现乱码。对这问题我们检查了芯片是否完好，电路界限是否正确均未发现问题，后发现是由于在焊接时焊线有些地方出现部分短接，于是就将焊线重新理清，数码管也能正常工作了。

第五章 总结

此次设计我们得到的最终结论如下：抢答开始时，由主持人清除信号，按下复位开

关，所有发光二极管LED均熄灭。当主持人宣布“抢答开始”后，首先做出判断的参赛者立即按下开关，对应的发光二极管点亮，同时，通过与非门F2送出的信号锁住其余3个抢答者的电路，不再接受其他信号，直到主持人再次清除信号为止。

本次设计是本人第一次运用数字电路模拟实际的东西。因而在许多方面都还不熟练,不如说对一些元器件的功能还不完全了解，不能熟练运用，因而不能完全的一次性设计好该电路。不过通过本次的课程设计我学到了学多的知识，培养了我们独立思考问题解决问题的能力，加深了我们对数电、模电知识的理解，巩固了我们的学习知识，有助于我们今后的学习。

总之，在这次的课程设计过程中，我收获了很多，即为我的以后学习设计有很大的帮助，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。

资料来源

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