毕业设计（论文）基于数字集成电路的四人抢答器的设计时序控制电路

1、摘 要 随着科学技术的不断发展，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样。抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。数字抢答器与主体电路与扩展电路组成，用优先编码器、锁存器、译码电路等将参赛的队员输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出，实现计时功能，构成扩展电路。本文主要说明四人抢答器中的时序控制部分，及其控制原理，控制电路的组成，用时序控制电路将其他三个模块有机的结合起来，协调工作。 关键词:抢答器；定时电路；报警电路；时序控制 abstractwith the contin

2、uous development of science and technology,promote learning science and technology,knowledge of the variety of means.with a tool for responder,which has been widely used in all kinds of intelligence and knowledge contests occasions.the figure vies for the answering device by the subject circuit and

3、expands the circuit to make up.have priority in code circuit,latch decipher circuit and export the input signal of the entrant team on the display;starting the warning circuit with the control circuit and hosts switch,two the above-mentioned parts make up the subject circuit.through timing circuit a

4、nd decipher second signal function while outputs and realizes counting on the displaying that pulse produce circuit,form and expand the circuit.key words: vie for answering the circuit ；timing circuit ；warning circuit ；time sequence controlling 目 录1 引 言11.1 前言11.2 国内外研究现状12 设计四人抢答器的思想及其分析32.1 设计思想：3

5、2.2整体设计框图：43 设计方案53.1总体方案设计53.2抢答器电路的设计53.3定时电路的设计73.4报警电路的设计83.5时序控制电路的设计93.5.1时序控制电路的功能93.5.2 时序控制电路的组成电路93.5.3 555定时器114 整机电路图135 电路的连接145.1连线的原则145.2检测故障146整机性能及改进点166.1电路的固有缺点166.2 电路优化167所用元器件列表178 总结与展望18参考文献19致 谢201 引 言1.1 前言我们所设计的四人抢答器分为抢答电路、报警电路、计时电路及控制电路四个模块来实现，具有控制简单、易于操作、结果明显等优点。而且通过优先编

6、码计数器可以解决同时按下多键时的编码问题，是一种可靠性高、操作性强的四人抢答器。四人抢答器的用途十分广泛，学校和电视节目等单位常举办各种智力竞赛, 在各种竞赛中除了必答环节，我们还经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过抢答的方式来判断选手的答题权.本设计就是一个4人智力竞赛抢答器。以下几章主要介绍四人抢答器的实现方法，尤其是用集成电路芯片来实现电路的设计与制作，其中第三章为本论文的重点内容，介绍四人抢答器各模块的设计过程。1.2 国内外研究现状现在国内外抢答器器的应用领域十分广泛，并且各种智能抢答器也应用而生，更人性化、更方便，功能更强大的抢答器不断的翻新，不过作为抢答器最主要的性能指

7、标仍然是它的即时性和准确性。 目前国内外市场上抢答器种类繁多，功能各异，但一般可分为电子抢答器和电脑抢答器。电子抢答器的中心构造一般都是有数字电子集成电路组成，其搭配的配件不同又分为，非语音非记分抢答器和语音计分抢答器。非语音非积分抢答器构造简单，就是一个抢答器的主机和一个抢答按钮组成。在抢答过程中，选手是没有计分的显示屏。语音计分抢答器是有一个抢答器的主机、主机的显示屏以及选手的显示屏组成，具有计分功能。电脑抢答器又分为无线电脑抢答器和有线电脑抢答器。无线电脑抢答器的构成是由：主机和抢答器专用的软件和无线按钮。无线电脑抢答器利用电脑和投影仪，可以把抢答气氛活跃起来，一般多是用电台等大型的活动

8、。有线电脑抢答器也是由主机和电脑配合起来，电脑在和投影仪配合起来，利用专门研发的配套的抢答软件，可以十分完美的表现抢答的气氛.抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种治理和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有电路复杂不变制作，可靠性低，实现起来困难，为此数字集成电路抢答器，有实时性高，结构简单，制作成本低等优点，已在在国内外普遍应用，但随着抢答器的发展，多功能，智能化、实时性更强，利用单片机，嵌入式系统制作的抢答器将是未来抢答器发展的趋势。1.3 研究的目的、分析工具 本课题研究的主要目的是设计一个四人抢答器。有四个按键、一个主持人控制键并通过数码显示管显示计数结果和抢先选手。本课题研究使用

9、74ls148优先编码器，74ls192十进制可逆计数器，555定时器、与或门和教学实验箱等。2 设计四人抢答器的思想及其分析2.1 设计思想：四人抢答器的主要设计思路是先分成四个模块，以时序控制电路为中心，将其它三个电路有机的结合起来成为一个整体。2.1.1原理简介本课程是结合我所学习的模拟电子技术和数字电子技术课程以及查阅一些数字集成电路所要实现的实践性课题，能起到巩固所学知识，加强综合能力，培养电路设计能力，提高实验技术，启发创新思想的效果。抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的则是用一些

10、专用的集成块，而专用集成块的购买又很难。目前的抢答器具有电路简单，原件普通，易于购买等优点，很好的解决了制作者制作困难和难以购买的问题。在国内外已经开始了普遍的应用。可预置时间的定时电路中所需要的电子器件：74ls148, 十进制同步加减计数器74ls192, 555定时器等，现在工艺跟本上都有了飞速的发展。所以使用数字集成电路设计抢答器的原理是很好的。2.1.2这里要解决的问题1、怎样选出最先按键的那位选手，同时将他的编号显示出，并且选出后阻止第二名按键者信号进入电路。2、怎样协调各部分电路工作，最主要的是抢答器电路和计时电路的协调。3、选用什么样的元件来实现各模块的功能。解决的思路：1、明

11、确各个模块的功能，抢答电路用于选出第一个按键者，并显示器编码；计时电路负责限制一个抢答时间；报警电路主要是一个报警；时序控制电路主要是一个控制，是个模块协调。抢答电路主要由优先编码器、锁存器及显示管来组成；计时器主要由减数器，555定时器来组成；报警电路主要由555定时器来提供报警音频。2.2整体设计框图：图2.2 系统整体框图接通电源后，主持人将开关拨到清零状态，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，扬声器给出声响提示。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。当一轮抢答之后，定时

12、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。 3 设计方案3.1总体方案设计（1） 主持人有开始键和复位键，按下开始键后才能开始抢答，否则犯规。（2）用数码管显示，正常抢答后显示抢到的队号，如果犯规则闪烁显示队号。（3）如果3秒内没有抢答，则说明该题超时作废，用0闪烁表示。（4）复位键用于恢复犯规或超时状态。如图2.2所示为总体方框图。其工作原理为：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”，开始“抢答”状态，宣布开始抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定

13、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。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。 本设计由抢答器电路、定时电路、报警电路、时序逻辑控制电路组成。3.2抢答器电路的设计设计电路如图3.2所示。电路选用优先编码器 74ls148 和锁存器 74ls297 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

14、触发器输出置0，使74ls148的优先编码工作标志端（图中5号端）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s2），74ls148的输出经rs锁存后，ctr=1,rbo(图中4端) =1,七段显示电路74ls48处于工作状态，4q3q2q=010,经译码显示为“2”。此外，ctr，使74ls148 优先编码工作标志端（图中8号端），处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74ls148的 此时由于仍为ctr，使优先编码工作标志端（图中5号端），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

15、性。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。74ls148为8线3线优先编码器，表3.1为其功能表。图3.2 数字显示抢答器电路表 3.1 74ls148功能表3.3定时电路的设计原理及设计：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、74ls48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图3.3.1所示。两块74ls192实现减法计数，通过译码电路74ls48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数

16、器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路（图3.3.2）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dpy_7-seg 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3.3.1 可预置时间的定时电路图3.3.2 标准秒脉冲产生电路3.4报警电路的设计 由555定时器和三极管构成的报警电路入图3.4所示。其中ne555多谐振荡器振荡频率1.43（ri2r2）c，其中输出信号经三极管推动扬声器。pr为时序控制电路输出的控制信号，当pr为高电平时，多谐振荡器工作，

17、反之，电路停振。图3.4 报警电路3.5时序控制电路的设计3.5.1时序控制电路的功能 时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下功能： 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按键时，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，扬声器自动报警，表示此次抢答无效,同时抢答电路和定时电路停止工作。 3.5.2 时序控制电路的组成电路图3.5.1 时序控制电路根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图3.5.1所示。图中，与门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

18、能端（即图2中的5端）。图3.2的工作原理是：主持人控制开关从清除位置拨到开始位置时，来自于图3.2中的74ls279的输出 1q,即ctr=0，经g3反相，输出为1，则ne555产生的时钟信号cp能够加到74ls192的cpd时钟输入端（图中用clck表示接入到74ls192cpd端的信号），定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则定时到信号为 1，门g2的输出 =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按键时，ctr1，经g3反相，输出为0，封锁 cp信号，定时器处于保持工作状态；同时，门g2的输出 =1，74ls148处于禁止工作状

19、态，从而实现功能2的要求。当定时时间到时，则定时到信号为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，封锁时钟cp信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能3的要求。集成单稳态触发器74ls121用于控制报警电路及发声的时间（其功能表见表3.3.3）,具体原理如下：主要由555时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。单稳态触发器74121通过信号/ys、bo2、s控制报警与否和报警时间，555时钟电路产生脉冲时钟。在规定的时间有人抢答时，/ys由1跳变到0，74121有状态2（见表3.5.1状态编码），即q输出暂

20、态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为=4.3秒；如果在规定时间内无人抢答，bo2由1跳变到0，74121有状态1，q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为结合图3.4所示报警电路，分析计算如下：。取100uf, =51k,。有4.3秒。表3.5.1 74121功能表3.5.3 555定时器74ls121芯片主要是由555定时器构成，下面介绍一下555定时器的功能及作用。 表3.5.2 555定时器功能表ui1 ui2 uo t的工作状态01 1 1 101 1 0 0导通截止 截止 导通 导通555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555

21、，用 cmos工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5v16v工作，7555可在318v 工作，输出驱动电流约为200ma，因而其输出可与ttl、cmos或者模拟电路电平兼容。 555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如下图所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 rs 触发器，一个放电管t及功率输出级。它

22、提供两个基准电压vcc/3和2vcc/3。 555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制rs触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器中c1的同相输入端的电压为2vcc/3，c2的反相输入端的电压为vcc/3。若触发输入端tr的电压小于vcc/3，则比较器c2的输出为0，可使rs触发器置1，使输出端out=1。如果阈值输入端th的电压大于2vcc/3，同时tr端的电压大于vcc/3，则c1的输出为0，c2的输出为1，可将rs触发器置0，使输出为0电平。图3.5.2 555定时器内部原理图555定时器的应用：（1）构成施密特触发器，用于ttl系统

23、的接口，整形电路或脉冲鉴幅等。（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路；振荡周期：t=0.7（r1+2r2）c。（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。本课题中74ls121就是利用了555定时器的构成单稳态触发器的应用。用来设置报警器的响应时间。4 整机电路图 图4总电路原理图5 电路的连接5.1连线的原则首先，应便于检查、排除故障和更换器件。在数字电路制作过程中，有错误布线引起的故障，常占很大比例。布线错误不仅会引起电路故障，严重时甚至会损坏器件，因此，注意布线的合理性和科学性是十分必要的，正确的布线原则大致有以下几点：1、接插集成电路芯片时，先校准两排引脚，使之与实验底板

24、上的插孔对应，轻轻用力将芯片插上，然后在确定引脚与插孔完全吻合后，再稍用力将其插紧，以免集成电路的引脚弯曲，折断或者接触不良。2、不允许将集成电路芯片方向插反，一般ic的方向是缺口（或标记）朝左，引脚序号从左下方的第一个引脚开始，按逆时钟方向依次递增至左上方的第一个引脚。3、导线应粗细适当，一般选取直径为0.60.8mm的单股导线，最好采用各种色线以区别不同用途，如电源线用红色，地线用黑色。4、布线应有秩序地进行，随意乱接容易造成漏接错接，较好的方法是接好固定电平点，如电源线、地线、门电路闲置输入端、触发器异步置位复位端等，其次，在按信号源的顺序从输入到输出依次布线。5、连线应避免过长，避免从

25、集成器件上方跨接，避免过多的重叠交错，以利于布线、更换元器件以及故障检查和排除。6、当电路的规模较大时，应注意集成元器件的合理布局，以便得到最 佳布线，布线时，顺便对单个集成器件进行功能测试。这是一种良好的习惯，实际上这样做不会增加布线工作量。7、应当指出，布线和调试工作是不能截然分开的，往往需要交替进行，对大型电路元器件很多的，可将总电路按其功能划分为若干相对独立的部分，逐个布线、调试（分调），然后将各部分连接起来（联调）。5.2检测故障电路不能完成预定的逻辑功能时，就称电路有故障，产生故障的原因大致可以归纳以下四个方面：1、操作不当（如布线错误等）2、设计不当（如电路出现险象等）3、元器件

26、使用不当或功能不正常4、仪器（主要指数字电路实验箱）和集成器件本身出现故障。因此，上述四点应作为检查故障的主要线索，以下介绍几种常见的故障检查方法：(1) 查线法由于大部分故障都是由于布线错误引起的，因此，在故障发生时，复查电路连线为排除故障的有效方法。应着重注意：有无漏线、错线，导线与插孔接触是否可靠，集成电路是否插牢、集成电路是否插反等。(2) 观察法用万用表直接测量各集成块的vcc端是否加上电源电压；输入信号、时钟脉冲等是否加到实验电路上，观察输出端有无反应。重复测试观察故障现象，然后对某一故障状态，用万用表测试各输入/输出端的直流电平，从而判断出是否是插座板、集成块引脚连接线等原因造成

27、的故障。(3) 信号注入法在电路的每一级输入端加上特定信号，观察该级输出响应，从而确定该级是否有故障，必要时可以切断周围连线，避免相互影响。(4) 替换法对于多输入端器件，如有多余端则可调换另一输入端试用。必要时可更换器件，以检查器件功能不正常所引起的故障。(5) 动态逐线跟踪检查法对于时序电路，可输入时钟信号按信号流向依次检查各级波形，直到找出故障点为止。(6) 断开反馈线检查法对于含有反馈线的闭合电路，应该设法断开反馈线进行检查，或进行状态预置后再进行检查。以上检查故障的方法，是指在仪器工作正常的前提下进行的，如果电路功能测不出来，则应首先检查供电情况，若电源电压已加上，便可把有关输出端直

28、接接到01显示器上检查，若逻辑开关无输出，或单次cp无输出，则是开关接触不好或是内部电路坏了，一般就是集成器件坏了。需要强调指出，经验对于故障检查是大有帮助的，但只要充分预习，掌握基本理论和实验原理，就不难用逻辑思维的方法较好地判断和排除故障。6整机性能及改进点6.1电路的固有缺点 电路更多的采用了集成电路，既增强了及时性，也提高了其准确性，能很好的完成所要预先达到的目标，只是抢答器选择了优先编码器，按照其功能特点，电路有个缺陷，即在两个选手同时按键时优先编码器会最优选择一个优先级较高的那位选手。6.2 电路优化1、 抢答器电路中计时电路的时间设置比较麻烦，有改进的空间。 解决办法：可以设置一

29、个多档位按钮，每个档位用相应的设置电路。2、 报警电路的声响可以设置不同的音调，使音响更丰富，有优化的空间。 解决办法：使用多个报警电路，每个都设置不同的频率。 使用一个单片机，来控制音响的音频。 以上由于时间限制，尚且暂时不能完成，只是提供一个思路，有待于完善和优化，从而提高抢答器的性能和更方便的功能。7所用元器件列表 表7.1 元器件列表序号编号名称数量说明174ls192十进制可逆计数器2片工作电压5v2ne555单稳态触发器2片工作电压5v374ls48七路显示译码器3片工作电压5v474ls148优先编码器1片工作电压5v574ls279触发器1片工作电压5v674ls121非重触发

30、单稳态触发器1片工作电压5v77400与非门1片工作电压5v87408与门1片工作电压5v97404反向器1片工作电压5v109013三极管1个11r3、r4510电阻3只12r268k电阻2只13r115k电阻 2只14r6100k电阻1只15r51k电阻2只16r710k电阻10只17c10.1uf2只18c10uf1只19c2100uf1只20speaker蜂鸣器1只8，6v21sw弹片开关9只22s单刀双置开关9只23led发光二极管2只24dpy_7-seg共阴极七段数码显示管3片8 总结与展望通过对电路和数字逻辑的学习,我们设计出了四人抢答器,圆满地完成了毕业设计。在该设计中我们介

31、绍了制作四人抢答器的详细过程,并且用实例进行了具体的说明。几天的电子设计中，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如cp脉冲的供给通断，倒计时电路的零时刻锁存，和抢答器的选手号锁存等。在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在老师的耐心指导下，使整个电路可稳定工作。实习过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。总体来说，这次实习我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。在准备毕业设计和毕业论文期间，经过我们反复查阅资料，认真学习，对此课题终于有了一定的思路，当然，在此期间也遇到了不少困难。在克服了一个又一个的困难之后，终于将所学到的东西应用于实