数字智力竞赛抢答器的设计.docx
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数字智力竞赛抢答器的设计
徐州师范大学科文学院
本科生课程设计
课程名称：
电子线路综合课程设计
题目：
数字智力竞赛抢答器的设计
专业班级：
08电信
学生姓名：
学生学号：
*********
日期：
2010-6-22
指导教师：
科文学院教务部印制
说明：
1、报告中的第一、二、三项由学生在课程设计开始前填写，由指导教师指导并确认签字。
2、学生成绩由指导教师根据学生的设计情况给出各项分值及总评成绩，并填写成绩评定表。
3、所有学生必须参加课程设计的答辩环节，凡不参加答辩者，其成绩一律按不及格处理。
答辩小组成员应由2人及以上教师组成。
答辩后学生根据答辩情况填写答辩记录表。
4、报告正文字数一般应不少于3000字，也可由指导教师根据本门课程设计的情况另行规定。
5、平时表现成绩低于6分的学生，取消答辩资格，其该课程设计成绩按不及格处理。
6、课程设计完成后，由指导教师根据完成情况写出总结。
7、此表格式为徐州师范大学物理与电子工程学院提供的基本格式，指导教师可根据本门课程设计的特点及内容做适当的调整。
一、课程设计目的、任务和内容要求：
设计目的：
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，而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出的问题，如果要是让抢答者用举手等方法，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。
比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这就要有一种抢答设备作为裁判员，这就必然离不开抢答器。
设计任务：
设计一个具有锁存与显示功能的8人抢答逻辑电路。
内容要求：
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S0~S7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。
4.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）。
5.参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。
二、进度安排：
第1-5天：
查找抢答器的资料，熟悉抢答器所需的材料并购买材料，了解抢答器芯片工作的原理。
第6-7天：
根据抢答器的图形进行合理布线，用方格纸画出排线图。
第8天：
制作5V稳压电源。
第9-10天：
焊接抢答器的基础部分。
第11-13天：
制作抢答器的发挥部分。
第14-15天：
进行电路的调试，将基础部分和发挥部分整合起来，完善布线。
第16-18天：
写课程设计的报告
三、主要参考文献：
[1]阎石.数字电子电路[M].北京：
中央广播电视大学出版社,1992
[2]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].（第五版）.北京：
高等教育出版社,2000
[3]任为民.数字电子电路学习和实验指导[M].北京：
广播电视大学出版社,1992
[4]赵雅兴.PSpice与电子器件模型[M].北京：
北京邮电大学出版社，2004
[5]辛长平.电工应用电路图说[M].电子工业出版社，2006
[6]谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].（第三版）.华中科技大学出版社，2000
[7]黄志伟.《全国大学生电子设计竞赛训练教程》[M].电子工业出版社，2005
[8]王松武,于鑫，武思君.《电子创新设计与实践》[M].国防工业出版社,2005,
[9]毛法尧等.《数字逻辑》[M].武汉：
华中理工大学出版社，1996
[10]徐爱钧.《智能化测量控制仪表原理与设计》[M].北京航空航天大学出版社,2007
指导教师签字：
年月日
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。
但抢答器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。
做为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展,因此设计了本抢答器。
数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。
优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的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。
关键字：
抢答电路定时电路报警电路时序控制
ABSTARCT
Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,promotelearningscience,scienceandtechnology,knowledgeofthevarietyofmeans.WithatoolforQiangda,whichhasbeenwidelyusedinallkindsofintelligenceandknowledgecontestsoccasions.ButQiangdaisusedforlowerfrequency,andsomeproductioncomplexorlowreliability,andreducedinterest.Asaunit,ifthepurchaseisaQiangda.Althoughtheeconomycanbear,eachyearthenumberisextremelysmall,becauseofthelong-termstorage（electronicdevices）Qiangdafordamagetothepurchaseofthetroubleandtimelinessofactivities,Thedevelopmentwillbeaffected,sothisQiangdaisdesigned.
Thefigureviesfortheansweringdevicebythesubjectcircuitandexpandsthecircuittomakeup.Havepriorityincodecircuit,latch,deciphercircuitandexporttheinputsignaloftheentrantteamonthedisplay;Startingthewarningcircuitwiththecontrolcircuitandhost'sswitch,twotheabove-mentionedpartsmakeupthesubjectcircuit.Throughtimingcircuitanddeciphersecondsignalfunctionwhileoutputsandrealizescountingonthedisplayingthatpulseproducecircuit,formandexpandthecircuit.
Keywords:
Vieforansweringthecircuit ，Timingcircuit ，Warningcircuit ， Timesequencecontroll
1绪论
1.1课题研究的相关背景
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，而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出的问题，如果要是让抢答者用举手等方法，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。
比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这就要有一种抢答设备作为裁判员，这就必然离不开抢答器。
抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。
早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。
现在大多数抢答器均使用单片机或数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。
随着科技的发展，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。
因此，我选择简易逻辑数字抢答器这一课题。
简易逻辑数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。
优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的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。
1.2选题的目的和意义
通过这次课程设计,了解简单多功能数字电路抢答器的组成原理，初步掌握数字电路抢答器的调整及测试方法，提高思考能力和实践能力。
同时通过本课题设计，巩固已学的理论知识，建立逻辑数字电路的理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。
初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。
本论文通过参考大量文献对抢答器的工作原理做了系统介绍，通过详细的调查和权威技术资料及相关情报的收集，为学校等单位举行的简单的抢答活动提供了简单设计思路，对于企业了解抢答器产品生产技术及其发展状况十分有益。
1.3抢答器目前存在的主要问题
随着改革开放事业的不断深入，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。
但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。
作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。
目前多数抢答器存在3个不足之处：
首先，现场线路连接复杂。
因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。
选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。
其次，电路复杂。
因为简单逻辑电路只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。
采用简单逻辑电路扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。
最后，容易出现选手抢按成功现象。
2设计方案简述
2．1系统的主要功能简介
电子抢答器的主要功能有如下六点：
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S0~S7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，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。
4.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，声响持续的时间0.5秒左右。
5.参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。
6.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。
2．2总体方框图设计
如图1所示的总体方框图。
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，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
图2-1总体方框图
2．3抢答器的工作流程
2．3．1抢答器的主要功能介绍
（1）抢答器最多可供8名选手参赛，编号为1~8号，各队分别用一个按钮（分别为S1~S8）控制，并设置一个系统清零和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
（2）抢答器具有数据锁存功能,并将锁存数据用LED数码管显示出来，同时蜂鸣器发出间歇式声响（持续时间为0.5秒），主持人清零后，声音提示停止。
（3）开关S作为清零及抢答控制开关（由主持人控制），当开关S被按下时抢答电路清零，松开后则允许抢答。
输入抢答信号由抢答按钮开关S1~S8实现。
（4）有抢答信号输入（开关S1~S8中的任意一个开关被按下）时，并显示出相对应的组别号码。
此时再按其他任何一个抢答器开关均无效，指示灯依旧“保持”第一个开关按下时所对应的状态不变。
2．3．2抢答器的扩展功能介绍
（1）抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如30秒）。
当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5秒左右。
（2）参加选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示
上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
（3）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。
（4）当选手抢答完后，主持人可根据相关题的加减分对选手进行加分或减分。
3详细设计
3．1抢答器电路功能介绍
图3-1抢答器基本电路图
该电路完成两个功能：
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；二是禁止其他选手按键操作无效。
工作过程：
开关S置于“清除”端时，RS触发器的
端均为０，４个触发器输出置０，使74LS148的
＝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，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出
经RS锁存后，1Q=1，
=1，74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经译码显示为“5”。
此外，1Q＝１，使74LS148
＝１，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1Q＝１，使
＝１，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开关重新置于“清除”然后再进行下一轮抢答。
定时电路如图3所示。
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。
可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计。
表3-174LS148的功能真值表
图3-274LS148逻辑图
表3-274LS279真值表
Inputs
Outputs
H
Ｈ
Ｑ０
Ｌ
Ｈ
H
Ｈ
Ｌ
L
Ｌ
Ｌ
Notsure
图3-374LS279逻辑图
表3-374LS48译码器真值表
图3-374LS48逻辑图
3．2定时时间电路功能介绍
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3-4定时功能电路图
3．3抢答器报警电路设计
报警电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图4所示。
其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1.43/[（RI＋2R2）C]，其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
图3-5抢答器报警电路图
3．4抢答器控制电路设计
抢答器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。
根据上面的功能要求，设计的时序控制电路如图4-4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
输人使能端。
图4-3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4-1中的74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A＝1，则时钟信号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，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键时，1Q＝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
=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，则"定时到信号"为0，
=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，从而实现功能③的要求。
集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。
图3-6抢答器时序控制电路图
3．6稳压电源
图3-7稳压电源
4设计结果及分析
4．1接线要求
设计的电路比较复杂，接线也就比较复杂，为了便于检查电路，美观等原因，必须对接线统一要求。
要求接线要横平竖直，接线间尽量少交叉。
而每一个模块最好用一种颜色的线接，这样便于区分。
同时电路接线的长度适宜，不要太长，否则会在内部相交；也不要太短，否则会接触不良。
特别注意的是：
在接每一个元件前，必须对每一个元件进行检测，以确保接在万用板上的元件是好的，以减少出错的概率；在接每一个模块前要对总体的电路和部分电路有一个总体的把握，以减少连线的交叉。
4．2电路的调试
电路的调试分为：
总体调试和单元调试。
单元调试：
在连接每一格单元后，要测试每一个单元的功能是否实现，如果没有，要根据其现象分析原因，然后进行修改
总体调试：
在连接各个模块后，就进行总体的调试，将各相关联的单元有机的连接起来，测试各单元相互配合后完成的功能。
如果没有实现，根据现象分析原因，然后进行修改。
在调试过程中遇到的问题及解决方案：
１）、在将计数电路连接好进行调试发现，计时电路并不能进行30秒倒计时，尤其时十位数上，总是会发生随即跳变现象。
经过检测电路连接无误。
但怎么会出现此种现象呢？
再次检查电路发现，原来我把要接高电平的引脚悬空。
虽然这样也为高电平，但不稳定，必须接+5v电路才能稳定。
２）、当主持人将开关打到复位时，计数电路不能复位。
经检测发现，是复位信号没有接进去。
３）、报警电路喇叭不响，经检测是因为喇叭信号产生电路的频率太低。
采用的方案是减小电容，增大频率。
4．3元件参数的计算
发声延迟0.5秒，fo＝1．43／［（R
＋2R
）C］，权衡考虑到元器件的成本和74LS121的相关性质（下文有说明），最终选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF
4．4元件清单
表4-1元件清单
电子元件清单
号
名称
型号/规格
数量
备注
1
抢答器PCB板
XDA6
1
张
2
共阴极显示器
3
只
3
电阻
510
2
只
4
电阻
1K
9
只
5
电阻
4.7K
1
只
6
电阻
5.1K
1
只
7
电阻
100K
1
只
8
电阻
10
1
只
9
电阻
15K
1
只
10
电阻
68K
1
只
11
瓷片电容
0.1uf
1
只
12
瓷片电容
10uf
2
只
13
瓷片电容
100uf
1
只
14
瓷片电容
4.7uF
1
只
15
瓷片电容
1uF
1
只
16
发光二极管
4148
8
只
17
三极管
3DG12
1
只
18
74LS148
1
只
19
开关
8
只
20
74LS48
3
只
21
74LS279
1
只
22
74LS192
2
只
23
NE555
1
只
5总结
经过这次课程设计的学习，我确实学习了很多知识，真正的感受到了理论联系实际的重要性，以及这之间莫大区别，到最后看着自己的结果心里还是感到很欣慰的。
首先摆在我们面前的是要先弄懂所要设计电路的原理，于是最开始我们在拿到题目之后就查找了大量的相关的资料，再加上平时理论课的学习以及充分利用了网络资源和在图书馆借了相关的书籍资料，在仔细分析了这个题目所要达到的目的之后，我们初步确定了原理图。
接下来的是单元电路的设计，以及进一步的分析其原理，实现哪些功能需要哪些电路，在此之间我们用到了以前没有用到过的芯片，但最终我们还是弄清楚了其原理。
经过几天的与大家的一起讨论，做种确定好了符合要求的电路。
看似很复杂的电路就这样被我们攻克了。
这次课程设，给我留下了很深的印象。
由于接触不多，开始学得很费力，但到后来就好了。
在以后的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是问别人，因为每个人掌握情况不一样，不可能做到处处都懂，发挥群众的力量，复杂的事情就会变得很简单。
这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就已遇到，向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。
通过这次课程设计，我明白了学会与大家合作的重要性，因为从开始到最后，都是大家一起出主意，一起来解决中间出现的各种问题。
从原理图的最终确定，这都是大家分工合作的结果，正是因为大家相互配合，才使我们很快的完成了任务。
经过这些天的学习我深刻的体会到实际与理论有很大的区别。
在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。
经完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了数电的知识及相关专业知识，还提高了自己的设计能力。
实践是检验真理的唯一标准。
理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。
这将有助于我今后更加明确学习的方向，可认识到自己的不足，确定自己的目标，从而更加努力的学习。
只有这样我们才能真正的去掌握它
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