1、完成期限：自2010 年 9 月 9 日至 2010 年 9 月 29 日指导教师： 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，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时
2、间0.5秒左右。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，系统报警并禁止抢答，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15路开关按钮、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、74LS04、74L
3、S00、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、4位二进制/BCD码变换电路。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74LS27
4、9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（4Q1Q）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S1S15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
5、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，Y S为0 ，低位片也处于工作状
6、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=YEX1YEX2 Z0=Y01Y02 Z1=Y11Y12 Z2=Y21Y22 Z3= 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1 74LS148功能表输入输出STS
7、0S1S2S3S4S5S6S7Y2Y1Y0YEXYS12、 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（4Q1Q）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QQ0 1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
8、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015，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表3 4位二进制/BCD码变换电路真值表二进制数BCD码Z3Z2Z1Z0D10D03D02D01D00234567891011121314154、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=15K, =68K, 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74LS1
9、91是二进制可编程同步加/减计数器，采用8421码二-十进制编码，并具有直接清零，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BO2借位信号接到高位片的CPD端，两片的CPU端都接高电平。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=（0011 0000）8421 BCD=（30）10 只有当低位BO2端发出借位脉冲时，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BO2端发出借位脉冲。当LD为电低平时，计数器完成并行置数。图3 减法计数器电路6、 声光报警电路由555组成多谐振荡器，产生约为1Khz
10、的脉冲，来驱动扬声器发生声音。振荡频率为周期T=1/100=0.01S7、控制电路 1） 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，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，扬声器发声，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，门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制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，经G3反相，A=1，则从5
11、55输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192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， 74LS192的借位输出端BO2=1，门G2的输出ST=0，使74LS148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，CTR=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出ST=1，74LS148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74LS192的BO2=0，ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，
12、从而实现功能（3）的要求。八、总电路原理图 图4 智力竞赛抢答器总电路九、总结与心得经过了这次课程设计，我对数字电子知识有了进一步的认识，并能熟练掌握，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，让我学到了很多有用的知识和能力，这对以后的学习和工作都将是非常有益的。参考文献附录一：部分元件清单74LS191 2片NE555 2片74LS48 2片74LS279 1片74LS148 1片74LS00 1片74LS121 1片74LS04 1片发光二极管电阻电容
