1、电子时钟 具有多功能的八路抢答器摘要 本文介绍了一种用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。主持人通过时间预设开关预设抢答的时间，系统将完成自动倒计时。当主持人按下“开始”按键，蜂鸣器发响，提示选手抢答开始；若在规定的时间内有人抢答，则蜂鸣器发响，计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能。关键词 八路抢答器 定时 计时 报警 目录一、摘要与关键字 2二、设计目的 4三、设计任务与系统功能 43.1 基本功能 43.2 扩展功能 4四、总体方
2、案的选择 4五、系统设计及参数计算 45.1 总体设计电路框图 55.2 单元设计电路 65.2.1 抢答电路 65.2.2 定时电路 75.2.3 报警电路 85.2.4 时序电路 95.2.5 增一电路 105.2.6 总体电路 11六、系统测试及调试结果 116.1 单元电路调试 116.1.1 抢答电路 116.1.2 定时电路 126.1.3 时序控制及报警电路 126.2 总体电路调试 126.3 调试中所遇到的问题及所做的改进 13七、几种重要芯片的介绍 14八、设计结论 18九、参考文献 18十、元器件清单 19十一、心得体会 20一设计目的工厂、学校和电视台等单位常举办各种智
3、力竞赛, 抢答器是必要设备。在我校举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。为解决这个问题，我们小组准备就本次课设的机会制作一个低成本但又能满足学校需要的八路数显抢答器。二设计任务及系统功能 1.基本功能：（1） 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S1 S8表示。（2） 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。（3） 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，蜂鸣器发出声响提示，并在LG5011AH七段数码管上显示选手号码。选手抢答实行
4、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。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。（2） 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。（3） 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。三总体设计方案的选择制作抢答器可以用好多种方法，可以用单片机来完成，它的功能强大制作简单，并且外围的元件也很少；也可以用PLC来实现，它的制作也是比较简单；还可以用我们学过的EDA技术来制
5、作；最后也可以用数字电路来实现。通过查相应的资料发现，从制作难度、实现难度、电路原理、设计难度以及价格上分析，数字电路的制作方案比较容易实现，并且在原理方面也是比较简单，因此选用数字电路制作抢答器，我们发现74系列可以满足我们的要求。选用74系列芯片实现的理由：1 74系列芯片价格便宜，用其实现，成本较低基本能满足学校场合需要；2 与我们刚刚学完的 数字电路与逻辑设计联系紧密。能将们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义。3 用了一些成型电路，如NE555标准秒脉冲电路等，使总体方案易于实现。4 所用芯片均在数字电路与逻辑设计课程中学过，设计起来难度降低。四系统设计及参数计算1.总体设计电
6、路框图：如图1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，蜂鸣器给出声响提示。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。 主体电路 扩展电路图1 设计框图应用74系列芯片实现上述电路框图。2单元电路设计(1) 抢答电路 设计电路如图2所示。电路选用优先编码器 74LS148 、锁存器 74LS297
7、、译码器CD4511BE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个触发器输出置0，此时CD4511BE的=0，显示器不显示；使74LS148的优先编码工作标志端EI0，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S5），74LS148的输出经RS锁存后，七段显示电路处于工作状态。74LS148输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存后，Q
8、1=1， =1，CD4511BE工作，4Q3Q2Q=101,经CD4511BE译码显示器显示为“5”。 此外，CTR，使74LS148 优先编码工作标志端（图中5号端），处于禁止状态，封锁其他按键的输入。 图2 抢答电路原理图当按键松开即按下时， 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。（2）定时电路：图3 定时电路原理图原理及设计：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、CD55
9、11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所示。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路CD4511在数码管上显示，其时钟信号由时钟产生电路提供。74LS192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器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。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LG5011AH 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。下面结合图4具体讲一下标准秒脉冲产
10、生电路，结合图4，图中电容C的放电时间和充电时间分别为 ， 于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为，结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得，即秒脉冲。(3)报警电路：图4 报警电路原理图由555定时器和三极管构成的报警电路如图5示。其中NE555构成多谐振荡器，振荡频率 1.43（RI2R2）C，其输出信号经三极管推动蜂鸣器。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，反之，电路停振。（4）控制电路：时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：1 主持人将控制开关拨到开始位置时，抢
11、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。 图5 时序电路原理图 根据上面的功能要求以及图2，设计的时序控制电路如图6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的输入使能端（即图二中的5端）。图4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CLC
12、K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处于禁止工作状态，从而实现功能的要求。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，从而实现功能的要求。集成单稳态触发器74LS121用于控制报警
13、电路及发声的时间（其功能表见表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0，74LS121有状态2（见表3状态编码），即Q输出暂态高电平，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0，74LS121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（本电路设为30秒）。(5) “增一”电路在设计过程中，我们发现当选手按下按键时，显示器上显示的是0到
14、7，为了符合我们一般的思维，在数码管上显示1到8。我们在认真研究设计方案和CD4511BE译码器的真值表后，发现解决此问题只需将显示0改为显示8，而其他的显示则不改变。我们通过观察CD4511BE的功能表可以看出，只有在字形（见表00000）为0时，/A2/A1/A0=1,其他均为0。于是我们就将A2、A1、A0 三端先接入非门7404，然后将他们接入与门7408，7408的输出接7446的A3端，这样就实现了显示8的功能，其他的数码的显示并无影响。原理图如下所示：图6 增一电路CD4511BE的功能表见芯片简介.（6）总体电路：图7 总体电路五系统调试及测试结果一、单元电路调试抢答电路把主持
15、人的控制开关设置为“清除”位置，用万用表检查RS触发器的端为低电平，输出端（4Q1Q）全部为低电平。于是74LS48的4端/BI/RBO=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端，即5端/ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。然后把主持人的控制开关拨到“开始”位置，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，给8路抢答端口即输入端给上低电平的输入信号，如当有选手将抢答按键按下时（如按下），74LS148的输出=010， =0，经RS锁存器后，74279的输出1Q,即CTR=1，/BI/RBO =1，74LS279处于工作状态，输出端4Q3Q2Q=10
16、1， =0，经RS锁存器后，出“5”。此外，CTR=1，使74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。定时电路用示波器检查555的输出波形是否为1Hz的方波信号，如不是对555的外围电路进行调整达到要求为止。给74LS192的数据输入端设定一次抢答的时间，如35秒（00110101）的八位数据。观察显示器的显示时间是否进行减计数。有问题按原理进行修改。时序控制及报警电路 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。 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。 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
17、时电路停止工作。二、总体电路调试开始时，主持人将控制开关接地，抢答电路部分锁存器74LS279的状态输出全为0，CD4511BE的灭灯输入与锁存器74LS279的Q1相接，故抢答电路无显示（清除）；与此同时，在计时电路部分，减法计数器74LS192的预置数端为0，将事先的预置数送入减法计数器中。当主持人按键弹起时，计数器开始计数工作，抢答开始。在没有人按键且抢答时间没到时，优先编码器/Yex输出为1，计数器BO2输出为1，74LS148的5端，即0, 而优先编码器和计数器都正常工作；当在规定时间有人按下抢答按键时，/YEX输出为“0”， CTR=1，/ST=1，优先编码器停止工作，此后选手的抢
18、答无效，电路将按键者的编号显示在LED上；同时，CTR=1，计数部分的计数脉冲=0，计数器停止工作，此时的倒计时时间记录并显示在LED上；74LS148的/Ys端由1跳变到0，74121有状态2，即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为。 如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态2， Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为。；ST=1，抢答电路停止工作，此后的抢答按键无效。 三、调试中遇到的问题及所做的改进 （1） 选手号码的显示问题：在设计过程中，我们发现按下抢答按钮后，我们希望其在七段数码显示管上显示的选手号码是1到8，这样符合我们一般的思维，而按照
19、我们一开始所做的设计，数码管只能显示0到7，我们在认真研究体设计方案和7448译码器的功能表（见表000）后，发现解决此问题只须将显示0改为显示8，而其他的显示则不改变。由表四可以看出，有两种方案可供选择：1是将7448的A3端置1，其他位置0；2是将图2中的4端置1，其他位不管。但是在计时未到时，4端始终为低电平，所以如果采用方案2的话，我们的整设计就将全部打乱，故方案2不可取。我们采用了方案1。我们通过观察表四看出，只有在字形（见表000）为0时，/A2/A1/A0=1,其他均为0。于是我们就将A2、A1、A0 三端先接入非门7404，然后将他们接入与门7408，7408的输出接7446的
20、A3端，这样就实现了显示8的功能，其他的数码的显示并无影响。（2）主持人按下抢答按键时选手号码牌显示为7而不是我们要求的0的问题。在电路焊接过程中，我们在主持人的按键选择上选择了点触式开关。因为未对这种开关做细致的分析，我们发现每次主持人按下抢答按键选手号码显示牌上总是为7。经过我们的认真分析，我们找到了原因，是我们的开关选择出了问题。点触式开关在按下后马上又弹起，此即问题的所在。于是我们很快将其更换为单刀双置开关，问题得到了解决。（3）报警电路非正常工作问题在我们的仿真电路里，设定的两个蜂鸣器的工作电压为1伏、3伏，而实际上蜂鸣器的工作电压为5伏，因此蜂鸣器不工作。为解决这个问题我们采用非重
21、触发单稳态触发器及555定时器构成的报警电路。其工作原理为：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74LS121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0，74LS121有状态2（见表3状态编码），即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为；如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74LS121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（4）抢答电路按键部位不稳定问题 在完成抢答电路的焊接，在进入调试阶段时，发现只有复位键正常工作，
22、而其他按键不能正常工作。开始我们以为是按键电路焊接错误，对每一个节点进行排查，都没有发现问题。结果发现74LS148底座电源引脚与接地引脚之间没电压，检测到此底座虚焊。我们对此底座重新焊接，按键电路正常工作。 六.几种重要芯片的介绍（1）编码器74LS14874LS148为8线3线优先编码器，表1为其功能表。表1 74LS148的功能真值表在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上编码信号。不过在设计优先编码器时，已经将所有的输入信号按优先顺序排了队。在同时存在两个或两个以上输入信号时，优先编码器只按优先级高的输入信号编码，优先级低的信号则不起作用。74148是一个八线-三线优先级编码器。如图所
23、示的是八线-三线编码器74148的惯用符号及管脚图引脚图。 图8 74LS148引脚图74LS148优先编码器为16脚的集成芯片，除电源脚VCC(16)和GND(8)外，其余输入、输出脚的作用和脚号如图中所标。其中I0I7为输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端。（2）触发器74LS279图9 74LS279引脚图表2 374LS279功能表(3) 译码器CD4511BECD4511 BE是一组用来作为BCD 对共阴极LED 七段显示器译码的包装。其引脚图与真值表如下所示，其各脚功能如下：LT：做灯泡测试用，当LT=0，则
24、不论其它输入状态为何，其abcdefg=11111111使七段显示器全亮，即显示8，以便观测七段显示器是否正常。当LT=1，则正常解码。BI：空白输入控制，当BI=0 (LT 为1 时) 则不论DCBA 之输入为何，其输出abcdefg皆为0，即七段显示器完全不亮，此脚可供使用者控制仅对有效数据译码，避免在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱。LE：数据栓锁致能控制；在CD4511 中，不但具译码功能，更具有数据栓锁的记忆功能。当LE=0 时(LT=1 且 BI=1)，DCBA 数据会被送入IC 的缓存器中保存，以供译码器码；当LE=1 时，则IC 中的暂存器会关闭，仅保存原来在LE=0
25、时的DCBA数据供译码器译码。换句话说当LE=1 时，不论DCBA 的输入数据为何，皆不影响其输出，其输出abcdefg 仍保留原来在LE 由0 转为1 以前的资料。 图10 CD4511BE引脚图表3 CD4511BE功能表（4）加减计数器74LS19274LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。其芯片引脚作用如下：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。图11 74LS192 引脚图表4 74LS192功能表
26、（5）定时器NE555 图12 NE555引脚图表5 555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 导通七设计结论 本文详细介绍了抢答器的设计方案，功能及在设计过程中所做的改进。本设计可以实现抢答器的抢答功能、定时功能、报警功能。就有锁存功能，精确性好，就有很强的实用性，运用低成本的74系列芯片可以实现抢答器的制作，非常适用于学校各类比赛的运用。八参考文献1. 康华光 编,北京 高等教育出版社,2000年6月版.2. 李海 编 ,重庆 重庆大学出版社 1999年9月版.3. 欧阳星明 编，武汉 华中科技大学出版社，2002年5月版4.
27、 5. 6. 九.元器件清单：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5V3CD4511七路显示译码器3片工作电压5V474LS148优先编码器1片工作电压5V574LS279触发器2片工作电压5V674LS121非重触发单稳态触发器1片工作电压5V774LS08两输入与门1片工作电压5V874LS00两输入与非门1片工作电压5V974LS04反向器1片工作电压5V1074LS11三输入与门1个11R1200电阻21只12R21k电阻2只13R310k电阻 9只14R420k电阻1只15R551k电阻1只169013三极管2只17C11nF1只18C1uF1只19C2100uF1只20Speaker蜂鸣器2只8，6V21SW弹片开关8只22单刀双置开关1只23LED发光二极管10只24LG5011AH共阴极七段数码显示管3片十心得体会：
