8路抢答器设计八路智力竞赛抢答器.docx
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8路抢答器设计八路智力竞赛抢答器
1前言
1.1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。
1.2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。
2总体方案设计
此次课程设计我们有两套方案
一是硬件部分主要由单片机、74LS373锁存器、LED显示器、声音报警器和其它基本外围电子电路组成软件部分则采用51系列单片机通用C语言精心设计编写。
它所具有的功能包括：
抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，当开关S按下，抢答器发出0.5秒的报警声系统开始进行计时，选手可进行抢答，当计时30秒之后若没人抢答，则系统发出警报并禁止抢答，定时显示数码管上显示00字样，之后等待开关S按下，系统复位；若在30秒内有选手进行抢答，此时扬声器会发出3秒时间的警报，同时在定时显示数码管上显示选手抢答时间（以秒为最小单位），编号显示数码管上显示抢答选手编号，显示器上的状态直到开关S按下将系统复位为止；系统复位时所有的数码管不显示任何的数据。
二是如图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。
主要使用74LS148,74LS297,74LS192,74LS121,74LS48.
图1总体方框图
第一种方案固然很好，但是由于根据我们现有的知识，我们对单片机不是很了解，而对数电是很较了解，因此我们选择了我们比较有把握的电路来设计，因此我们选择了第二种方案。
3单元模块设计
3．1抢答器电路功能介绍
设计电路见图2所示。
电路选用优先编码器74LS148和锁存器74LS279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，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S5），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=101,经译码显示为“5”。
此外，CTR＝1，使74LS148优先编码工作标志端（图中5号端）＝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CTR＝1，使优先编码工作标志端为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“清除”然后才可能进行。
图2抢答器电路
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定时电路
3．3控制电路和报警电路
由555芯片构成多谐振荡电路,555的输出信号再经三极管放大,从而推动扬声器发声
控制电路包括时序和报警两个电路,如图所示。
控制电路需具有以下几个功能。
主持人闭合开关扬声器发声,多路抢答器电路和计时电路进入正常状态;参赛者按键时,扬声器发声,抢答电路和计时电路停止工作;
抢答时间到,无人抢答,扬声器发声,抢答电路和计时电路停止工作
由功能表可以看出，要使电路实现倒计时（减法）功能，应使CR=0，PE非=1，CP+=1，CP-=CP。
可用CR端接电平开关来控制计时器的工作与否。
声响显示电路需要在两种情况下做出反应：
一种是当有参赛者按下抢答开关时，相应电路的发光二极管亮，同时推动输出级的蜂鸣器发出声响；第二种情况是当裁判员给出“请回答”指令后，计时器开始倒计时，若回答问题时间到达限定的时间，蜂鸣器发出声响。
声响电路由两部分组成：
一是由门电路组成的控制电路，二是三极管驱动电路。
门控电路主要由或门组成，它的两个输入，一个来自抢答电路各触发器输出Q非的与非，他说明只要有一Q非为低电平，就使该与非门输出为高电平通过或门电路驱动蜂鸣发生器；另一个来自计时系统高位计数器的借位信号QB，它说明计时电路在30秒向29秒，28秒，……2秒，1秒，0秒倒计时再向30秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲经反相器得到一个高电平。
这个高电平信号也能使蜂鸣器发声。
图4报警电路
图5时序控制电路
3.4振荡电路
本系统需要产生三种频率的脉冲信号，一种是频率为1KHZ的脉冲信号，用于声响电路；一种是频率为500KHZ的脉冲信号，用于触发器的CP信号。
第三中频率为1HZ信号用于计时电路。
以上电路可用555定时器组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频得到。
图6振荡电路
3.5计分电路
某组回答问题结束后,主持人做出正确与错误的判断,并宣布所加减的分数值,根据计分值的多少，按相应的按键。
加分值小于10时按个位计分键,在10～100分之间按十位计分键。
减分时只要同时按住计、减分键即可。
记分电路可实现自动进位。
在按个、十位键时,分别给IC7～IC9的CLK端一个上升沿脉冲,通过计数器CC4029编码后在Q0～Q3端输出相应的“8421”编码,作为BCD27段锁存译码器CC4543的输入,CC4543把“8421”编码译成对应于数码管的七字段信号,驱动数码管IC1～IC3显示出相应的十进制数码。
图7计分电路
4电路参数的计算及元器件的选择
4．1电路参数的计算
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
4．2元件清单
表1元件清单
电子元件清单
序号
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
瓷片电容
100uF
1
只
17
发光二极管
4148
8
只
18
三极管
3DG12
1
只
19
74LS148
1
只
20
开关
8
只
21
74LS121
1
只
22
74LS48
3
只
23
74LS279
1
只
24
74LS192
2
只
25
74LS00
1
只
26
NE555
1
只
27
细直导线
50厘米
1
条
5主要芯片介绍
5．1优先编码器74LS148
74LS148为8线－3线优先编码器，表2为其真值表，图8为其管脚图。
图874LS148管脚
表274LS148—3线二进制编码器真值表
74LS148工作原理如下：
该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。
此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。
当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。
这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。
当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。
表明编码器处于工作状态，否则为1。
由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS＝0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。
EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。
从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，……，0。
输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。
例如5为0。
且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理
5.2锁存器74LS279
原理：
在74ls279中，由于4回路中2回路置位端子为两个，所以使用其一时，整理两个置位输入作为1个使用，或将另一个输入固定为“H”使用。
另外，作为稍微变化74LS279的使用方法，也可将3组作为RS锁存器使用，剩余的RS锁存器作为2输入NAND门电路使用，复位输入例如①管脚固定为”L”时其输入为”H”，所以可构成将②和③作为输入，输出为④的2输入NAND。
其管脚图如图9所示。
图974LS279管脚引线图
5.3计数器74LS192
74LS192具有下述功能：
①异步清零：
CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000
②异步置数：
CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0
③保持：
CR=0，LD=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原态
④加计数：
CR=0,LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数
⑤减计数：
CR=0,LD=1，CPU=1，CPD=CP，Q3Q2Q1Q0按减法规律计数
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。
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1074LS192管脚引线图
5.4单稳态触发器74LS121
TTL集成器件74121是一种不可重复触发集成单稳态触发器
关于定时：
单稳态电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。
74121的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。
若输出脉宽较宽，而采用电解电容时，电容C的正极连接在Cext输出端（10脚）。
对于定时电阻，使用者可以有两种选择：
·采用内部定时电阻（2kΩ），此时将9号引脚（Rint）接至电源VCC（14脚）。
·采用外接定时电阻（阻值在1.4～40kΩ之间），此时9脚应悬空，电阻接在11、14脚之间。
74121的输出脉冲宽度tW≈0.7RC。
通常R的数值取在2～30kΩ之间，C的数值取在10pF～10μF之间，得到的的取值范围可达到20ns～200ms。
该式中的R可以是外接电阻Rext，也可以是芯片内部电阻Rint（约2kΩ），如希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。
图1174LS121管脚引线图
表374LS121功能表
5.574LS48与七段LED数码管
图1274LS48与七段LED数码管的联结
使能端的作用如下：
（1）是试灯输入端，当LT=0，BI=1时，不管其它输入是什么状态，a~g七段全亮。
（2）灭灯输入，当BI=0，不论其它输入状态如何，a~g均为0，显示管熄灭。
（3）动态灭零输入，当LT=1，BI=0时，如果A0A1A2A3=0000时，a~g均为各段熄灭。
（4）RBI为灭“0”信号，用来熄灭器件显示0。
6设计总结
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，真正的去运用它。
。
虽然只是初步学会了数字抢答器的设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，因为我有学到了课本以外的很多知识，还锻炼了自己的能力。
作为一个信息工程专业的学生，我深刻体会到课程设计的重要性。
我以后会更加注重这方面能力的培养，在学习好理论知识的同时加强时间能力。
7参考文献
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广播电视大学出版社,1992
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附：
八路抢答器电路图
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