八路定时抢答器仿真与制作

目 录

1 引言........................................................1

1.1 Proteus简介..............................................1 1.2 八路抢答器摘要............................................1

2 设计任务与要求............................................1

2.1 设计任务..................................................1 2.2 功能要求.................................................2

3 方案选择....................................................2

3.1 方案一....................................................2 3.2 方案二....................................................3

4 电路设计....................................................4

4.1 单元电路设计..............................................4

4.1.1 抢答电路................................................4 4.1.2 定时电路........................................................7 4.1.3 秒脉冲产生电....................................................9 4.1.4 报警电路.......................................................10 4.1.5 控制电路.......................................................10

4.2 抢答器整体电路...........................................13

5 电路仿真...................................................15 6 元器件介绍................................................17

6.1 元器件清单...............................................17 6.2 元器件简介...............................................18

7 设计总结 ..................................................20 8 参考文献 ..................................................21 9 附件 .......................................................22 10 成绩评定表...............................................23

八路定时抢答器仿真与制作

1 引言

1.1 Proteus简介

Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试，这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。

1.2 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供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；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, 设计,定时，计时，报警

2 设计任务与要求

2.1设计任务

选择适当的器件设计一个电路，使它能够实现八路定时抢答器。本次课设分基本设计和扩展设计两部分，基本设计为抢答器电路，扩展电路包括定时电路、报警电路、时序控制电路、整机电路。在完成基本设计任务的基础上，可对抢答器进行进一步的完善设计，时期抢答器的功能更具实用性。具体任务：

(1) 八组参赛者在进行抢答时（用八个LED数码管）代表，当抢先者按下前面的按钮时，抢答器能准确地判断出抢答者，并以声、光为标志。

(2) 抢答器应具有互锁功能，某组抢答后能自动封锁其他各组进行抢答。 (3) 抢答应具有一个总开关。

(4) 使抢答器具有限时（抢答时、回答问题时）功能，时间到时应发出声响，同时，时间数据要用数码管显示出来。

(5) 有选手抢答时时间停止，报警电路发出报警信号，以提示灯光为标志。

2.2 功能要求

(1) 设计一个智能竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参赛，他们的标号分别是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）和抢答的开始。

(3) 抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此为，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

3 方案选择

3.1 方案一

方案一原理图如下：

图1 方案一原理框图

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，扬声器给出声响提示。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，禁止选手超时后抢答。

当选手在定时时间内按动抢答按钮时，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，然后由译码显示电路显示编号；②扬声器发出短暂响声，提醒节目主持人注意；③控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；④控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，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，使系统恢复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。这种方案原理比较简单，但组装电路比较麻烦，控制电路部分要用几种芯片，相对繁琐。

3.2 方案二

方案二原理图如下：

图2 方案二原理框图

该方案是将抢答按钮先直接与锁存器而不是优先编码器相连，将最先抢答的选手的编号锁定，再依次经过优先编码器、译码电路和译码显示电路，最后显示的是抢答选手的编号，经过优先编码器后的信号到单稳态触发器，单稳态触发器又与报警电路直接连接，所以当有选手抢答时同时实现编号显示和报警提示。另外由主持人控制开关和其他部分电路通过门电路实现对抢答电路、定时电路和报警分电路的控制。

本组在进行设计与制作时，针对两种方案都进行了仿真。最后选其中电路较为简单的方案进行实物焊接与调试。设计之后发现方案二较为简单，所以选取方案二为实物焊接方案。下面就方案二进行描述与总结。

4 电路设计

4.1 单元电路设计

4.1.1 抢答电路

该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存电平信号，并通过译码显示电路显示编号；二是使其他选手的抢答信号处于无效状态。该电路主要由八D锁存器74LS373、优先编码器74LS148七段译码器74LS48、74LS04、和七段数码显示管组成。首先介绍主要芯片的逻辑功能。

74LS373是常用的八D锁存器，它的引脚图如图3所示，功能表如表1所示。

图3 74LS373引脚图

表1 74LS373功能表

由功能表可以看出，74LS373只有当OE=0时才能完成数据传输或锁存功能，当OE=0且LE=1时，74LS373输出随输入一起改变，当OE=0且LE=0时，74LS373将LE发生正跳变前芯片的输出锁存。

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，并对编号进行编码。它的引脚图如图4所示，功能表如表2所示。

图4 74LS148引脚图 表2 74LS148功能表

七段显示译码器74LS48输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。引脚图如图5所示。

图5 74LS48引脚图

BI/RBO为消隐输入端（低电平有效）/脉冲消隐输出端（低电平有效），LT为灯测

试输入端（低电平有效），RBI为脉冲消隐输入端（低电平有效），当BI=0时，a～g全为0.数码管显示全灭。

根据各芯片功能，画出抢答电路，如图6所示。

图6 抢答电路

抢答电路的工作原理：一开始，主持人开关置于0，74LS373处于锁存状态，任何选手抢答都去无效。此时74LS148的GS=1，EO=0，数码管灯全灭。当主持人宣布开始抢答，开关置于1，74LS373处于等待状态，当任意一个选手按下抢答按钮后，73LS373开始工作，与输入端对应的输出端为低电平，低电平经过74LS148编码后输出的是一组与输入对应的三位二进制数，反相后经过译码显示电路将对应的编号显示出来。编码器74LS148

工作时

输出使能端EO为高电平，将其与开关信号一起经过异或门接入再经过与门接LE端，此时由于EO与开关信号同为高电平，因此使LE=0，再次将74LS373锁存，即使其他选手再按动按钮，也不会再有输出。这样，一轮抢答完成，当主持人将开关置于0时，74LS373输出全为1，EO=0，使数码管灯全灭，并且74LS373进入锁存状态。等待下一轮抢答的开始。 4.1.2 定时电路

本电路要求具有定时抢答功能，并且定时时间由主持人设定，因此要设设计定时电路。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。

74LS192是具有置数和清零功能的同步十进制减计数器，其引脚图和功能表分别如图7和图8所示。

图7 74LS192引脚图

图8 74LS192功能表

另外，P0，P1，P2，P3为预置数输入端，Q0，Q1，Q2，Q3为计数数据输出端，TCD为借位输出端（低电平有效），TCU为进位输出端（低电平有效）。

555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成单路，其应用极为广泛。其引脚图如图9所示。

图9 NE555引脚图

关于NE555的具体电路连接及功能将在后面的电路中介绍。 定时电路如图10所示。

图10 定时电路

定时电路的工作原理：首先主持人根据题的难易程度来确定抢答时间，并通过74LS192的置数端将时间输入，抢答开始前主持人将开关置低电平，处于清零锁存状态，当主持人将开关置于高电平，即开始抢答，此时，由秒脉冲电路产生的秒脉冲信号进入74LS192

，

使芯片由预置数开始减计数工作，若没有选手抢答，一直减计数至00，产生报警，同时输出端4由高电平变成低电平，阻止了秒脉冲信号进入计数器，计数器停止工作。若计时期间有人抢答，输入端2由高电平变成低电平，同样使减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。

4.1.3 秒脉冲产生电路

为了准确地计时，本设计需要内部秒脉冲产生电路，即能产生周期为一秒的脉冲的电路。

如图11所示为用555设计的秒脉冲产生电路。

图11 秒脉冲产生电路

因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。图中电容C1的充放电时间分别是： t1=(R1+R2)×C1×ln2≈0.7(R1+R2)C1，t2=R2×C1×ln2≈0.7R2×C1 (1) 所以555的3端输出的频率为：

f=1/(t1+t2)≈1.43/[(R1+2R2)C1]

(2)

我们采用的电阻和电容值分别是:

R1=15KΩ，R2=64KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲，该电路中，电容C2的作用是抗干扰。 4.1.4 报警电路

为满足设计要求，必须设计报警电路，该电路主要由555定时器组成，电路如图12所示。

图12 报警电路

图中555定时器用来构成多谐振荡器，震荡频率3端的输出脉冲频率为：

f≈1.43/[(R1+2R2)C1]≈1000Hz (3)

3端输出信号经过三级管驱动扬声器，发出报警信号。当4端的输入信号是高电平时，振荡器工作，有报警信号，4端输入低电平时，振荡器不工作，没有报警信号。 4.1.5 控制电路

控制电路是抢答器设计的关键，控制电路包括控制扬声器发声时间的部分电路和将以上各个部分电路连接起来的电路。

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，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。

该部分电路的核心元件是74LS121，其引脚图如图13所示，功能表如表3所示。

图13 74LS121引脚图

表3 74LS121功能表

由图16可以看出，74LS121具有如下功能特性：

1. 当A1，A2两个输入中有一个或两个为低电平，B产生由0到1的正跳变时，电路有正脉冲输出。

2. 当B为高电平时，A1，A2两个输入中有一个或两个产生由1到0的负跳变时，电路有正脉冲输出。

根据任务要求和74LS121的功能特性，设计出控制电路如图14所示。

图14 控制电路

输出端5输出正脉冲宽度即控制扬声器发声时间tw=R1×C1×ln2≈0.7R1C1，而抢答电路要求发声时间为0.5秒，因此选取R1=68K，C1=10uF可满足要求。

输入端2，输入端4，开关S共同控制输出正脉冲的有无，当电路处于初始状态时，开关S为低电平，输入端2为高电平，输入端4为高电平，此时A1=0，A2=1，B=0,当主持人宣布开始抢答的同时，将开关S置于高电平，B产生0到1的正跳变，同时，A1由0变成1，输出端5输出宽度为0.5秒的正脉冲，驱动扬声器发声0.5秒。若在预定的抢答时间内有选手抢答，输入端2变为低电平，这样，A1就由之前的1变成0，产生一个负跳变，电路输出正脉冲，扬声器发声。若支持人宣布开始抢答后无选手抢答，A1=1，A2=1，B=1，预定时间定时到时，输入端4=0，A2产生一个1到0的负跳变，电路输出正脉冲，扬声器发声。

在仿真过程中我们发现当主持人宣布抢答开始的时候，扬声器并没有报警，分析电路以及芯片资料之后我们发现了原因。当主持人宣布抢答开始的同时，B产生上升沿，A也产生上升沿，两个上升沿同时发生，在B开始产生上升沿的时候，A

实际上为低电平，所

以还需要加一个延时电路才能使抢答器正常工作。这里我们用555和计数器192组成一个延时电路，开关信号通过延时电路到A，那么当产生跳变时，A会有一个延迟，这样能够便能够使报警正常进行。延时电路如图15所示。将非门输出端接到A即可。

图15

4.2 抢答器整体电路

将各个单元电路相应的输入输出端相连，组成整体电路。如图16所示。

图16 抢答电路整体电路

下面介绍抢答电路整体工作原理。

首先是各个选手分别对应的按钮编号是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是0、1、2、3、4、5、6、7。

然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为三路：一路与74LS148的E0端异或后变为高电平输出到74LS373的使能端LE，此时锁存器不锁存数据，所以抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零，同时，EO由高电平变成低电平，与清零端异或后输出0，使74LS373处于锁存状态；另一路低电平输出到计数器74LS192的PL端，而CR端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据；三是与集成单稳态触发器74LS121相连，因为是低电平所以没有报警信号。

接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端P3、P2、P1、P0的高低电平来进行（例如要设定时间为30秒,就将十位的74LS192的P3、P2、P1、P0分别置位为0、0、1、1，而将各位的74LS192的P3、P2、P1、P0都置于0）

。当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，

输出为高电平，此高电平有三路方向：一路输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为0.5S的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能；另一路输出到74LS192的PL端，使其处于高电平而开始减计数；还有一路与EO信号（此时为0）异或后将高电平输入LE端，使八D锁存器处于传输状态，此时任何选手抢答有效。

当任意一个选手抢答时，例如2号抢答时，八D锁存器74LS373工作，与输入端相对应的输出端Q2输出低电平，则锁存器输出的八位电平经8～3八位优先编码器74LS148编码输出的A2～A0再经反相后成为与输入信号相对应的三位二进制码010，而74LS148的管脚15（E0）的输出电平由低变高，输出到七段译码显示器74LS48的二进制码经其译码后输出到七段共阴数码管上，则显示器上显示对应的编号。此时，74LS48的EO端输出高电平，开关出也输出高电平，二者经过异或门输出低电平，输出到锁存器74LS373的LE端，起到所存功能，其他选手若再按动对应按钮也无对应输出，，即实现了抢答功能；同时，由于74LS148的E0段输出高电平输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为0.5S的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能；同时，74LS148的GS端输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得无脉冲抵达计数器74LS192的CPD端。计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能；若没有选手按动按钮，则74LS373输出全为高电平，74LS148也输出高电平，E0端输出低电平至74LS48的灭灯输入RI/RBO端，使得信号经74LS48到显示器上时无显示；若到定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，十位74LS192的借位输出端输出低电平，将此输出低电平输入到单稳态触发器74LS121的B端口，使其产生周期为0.5s的脉冲刺激报警电路发声提示；

综上所述，我们设计的电路完全可以实现要求中的所有功能。

5 电路仿真

本设计使用Proteus7.5软件进行仿真。其中秒脉冲产生电路仿真电路如图17所示，产生的脉冲波形如图18所示,产生的完整抢答器仿真图如图19所示。

图17 秒脉冲产生电路仿真电路

图18 秒脉冲产生电路仿真波形

本设计的抢答部分，定时部分，控制报警部分及整体电路均可在Proteus中得到满足设计任务要求的效果。

如图19 完整抢答器仿真图

6 元器件介绍

6.1 元器件清单

6.2 元器件简介

清单中的大部分元器件已在前面的单元电路中做了介绍，下面补充介绍74LS04，74LS86，74LS11。74LS04是非门集成芯片，其引脚图和功能表如图20所示。

图20 74LS04引脚图和功能表

74LS86是二输入异或门集成芯片，其引脚图和功能表如图21所示。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2zfq.html