八路抢答器.docx
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八路抢答器
摘要
八路抢答器由抢答启动电路、抢答定时器及定时译码显示电路、报警电路、选手编号译码显示电路、答题时间限制电路和答题结束报警电路组成，电路采用74系列常用集成电路进行设计。
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。
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，若超过抢答时间则抢答无效。
该抢答器主要运用到了编码器，译码器和锁存器：
它采用74LS148来实现编码的功能，采用74LS248来实现抢答器的选号，采用74LS279芯片实现对号码的锁存，采用555芯片产生单稳态信号来共同实现倒计时功能，采用74LS123实现报警器的功能。
通过课程设计提高和巩固了所学的专业知识以及知识的综合应用和焊接技术，并通过基本的数电知识系统应用于我们日常生活中，达到理论与时间相统一的效果。
关键词:
抢答器编码译码定时报警
前言…………………………………………………………………………………4
第一章设计任务…………………………………………………………………5
1.1基本要求…………………………………………………………………5
第二章系统设计方案选择………………………………………………………6
2.1方案一………………………………………………………………………6
2.2方案二………………………………………………………………………7
2.2方案确定……………………………………………………………………7
第三章系统组成及工作原理……………………………………………………8
3.1总体设计思路框图…………………………………………………………8
3.1．1系统的基本框架图…………………………………………………8
3.1．2系统的工作原理……………………………………………………8
3.2电路各模块设计简介………………………………………………………10
3.2.1主持人控制电路的设计………………………………………………10
3.2.2计时电路的设计……………………………………………………10
3.2.2报警电路的设计……………………………………………………11
第四章综合控制模块的设计………………………………………………………13
4.1综合控制模块的设计思路…………………………………………………13
4.2电路仿真图…………………………………………………………………13
第五章电路的焊接与调试………………………………………………………15
5.1电路的安装与焊接…………………………………………………………15
5.2综合控制模块的调试………………………………………………………15
第六章系统调试…………………………………………………………………16
第七章设计总结…………………………………………………………………17
参考文献…………………………………………………………………………18
总附录…………………………………………………………………………19
前言
进入21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛,抢答记分器是必要设备。
过去在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。
人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。
因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。
今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。
但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是无法实现，例如参赛人数的增加。
随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。
而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。
同时，为了让我们更清楚地理解怎样通过所学的知识和自己的动手实践能力来掌握对模拟电路知识的应用，为我们今后的学习奠定基础和对自己专业的深入认识，为自己步入社会做一定的基础。
同时本实验着重在于对数电的实践应用，将其更好的应用至我们的日常生活中来。
通过一定的知识和动手能力，达到初步了解八路抢答器的原理，继而才可以再次扩宽自己的视野。
第一章设计任务
1.1基本要求
（1）允许八路参加，并具有锁定功能，用LED实现最先抢答的队号码，系统设置外部清除键，按动清除键，LED显示器自动清零灭灯。
（2）数字显示功能：
数字抢答器定时为30s，启动开启键以后要求I）定时开始；II）扬声器要短暂报警，发光二极管灯灭。
第二章系统设计方案选择
2.1方案一
原理：
在选手抢答前，1）当主持人按下“清除”开关S时，使74LS279芯片输出为低电位，ET和BI为高电位，使集成8线-3线优先编码器（74LS48）禁止，显示为“0”；2）当主持人按下“抢答”开关S时，555输出为高电位，LED一直亮，同时蜂鸣器发出短暂报警，ET和BI为低电位，74LS148和74LS248/48芯片处于工作状态，允许编码，，等待数据输入，数码管同时不显示数字；3）当在30S内有选手抢答的话，GS立刻由“1”变为“0”，使与非门输出为高电位，锁存器和编码器都不工作，数码管一直显示选手号；4）当在30S内无人抢答，通过与非门、非门等产生一个延时效果，即相当于B键，从而实现单稳态脉冲，使蜂鸣器短时间发出声音。
如下图2.1.1所示：
图2.1.1八路抢答器原理图
2.2方案二
该方案即为笔者所采用的方案，它采用了74LS148来实现抢答器的选号，采用了74LS279芯片实现对号码的锁存，555芯片产生单稳态脉冲信号来共同实现倒计时，采用了74LS123/74LS121单稳态芯片来实现报警信号的输出。
如下图2.1.2所示：
图2.1.2八路抢答器原理图
2.3确定方案
将两方案进行比较，其实原理大致一样，只是在方案一中是通过门电路的延时来实现30S内无人抢答后的报警，有可能实现不了；而方案二是通过74LS123本身结构而产生一个触发信号来实现报警。
相比之下，方案二更为合理且成功率高，所以选择方案二。
第三章系统组成及工作原理
3.1总体设计思路框图
3.1.1系统的基本框架图
图3.1.1八路抢答器原理组成方框图
3.1.2系统的工作原理
定时抢答器的总体框图如下图3.1.2：
图3.1.2抢答器工作框图
如图所示电路包括主持人控制电路和选手抢答电路两部分。
其中主持人控制电路：
完成“清除/抢答”功能，即主持人按下“清除”键后，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答；再按下“抢答”键时，蜂鸣器短暂提示，LED亮，抢答开始。
选手抢答电路：
当选手在规定时间按动抢答键时，数码管显示选手编号（0~7号），同时封锁输入电路，其他选手抢答无效；当选手在规定时间内无人抢答，蜂鸣器短暂报警，LED灭；在30S后选手抢答无效。
图3.1.2所示电路的工作过程是：
接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（30s），当主持人将控制开关置于“抢答”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。
当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：
（1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；
（2）扬声器发出短暂声响；
（3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；
（4）控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。
当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。
3.2电路各模块设计简介
3.2.1主持人控制电路的设计
主持人控制电路的功能有两个：
一是能分辨出选手按键的的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。
选用优先编码74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如图3.2.1所示：
图3.2.1主持人控制电路
其工作原理是：
当主持人控制开关处于“清零”位置时，输出端（4Q～1Q）全部为低电平。
74LS248的BI=1，显示器显示为“0”，74LS148的选通输入端ST=1，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作，优先编码电路和锁存电路同时处于不工作状态。
当主持人将开关拨到“抢答”位置时，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，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，
3.2.2计时电路的设计
74LS248的7，6，2引脚接受来自74LS279的输出信号并把它译码显示在数码管上。
555芯片产生单稳态脉冲，完成时间设定功能，本设计要求定时30秒，所以R11设为580kΩ,C2为47uF
T=1.1R.C=1.1*580*1000*47*0.000001=29.986S
从而使得初始时间设定为30秒。
工作过程为：
当在30秒内有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，此时74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS248译码后，显示器显示出“5”。
此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。
当按下的键松开后，74LS148的YEX高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号仍不会被接受。
当在30秒内无选手抢答时，30秒后74LS148和74LS248都不工作，即当在30S后有人抢答视为无效。
这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。
当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
图3.2.2计时电路
3.2.3报警电路的设计
报警器分为两个部分:
第一部分实现的功能是主持人按抢答器之后的短暂报警部分；第二部分是由于30S无人抢答后的短暂报警部分。
第一部分由555定时器和三极管等构成的报警电路如图3.2.3
（一）所示：
图3.2.3
（一）报警电路
其中555构成单稳态脉冲，脉冲周期为：
T=1.1RC=1.1*100*1000*10*0.000001=1.1S
第二部分由74LS123（等同74LS121）和与非门等构成的报警电路如图3.2.3
（二）所示
图3.2.3
（二）报警电路
其中74LS123构成单稳态脉冲,产生一个开关信号，从而当30S内无人抢答时，30S时使图3.2.3
（一）中TRI产生一低脉冲，从而驱动蜂鸣器报警。
第四章综合控制模块的设计
4.1综合控制模块的设计思路
在设计之初，首先要明确所设计电路的功能,然后通过自己所掌握的知识来设计，同时也参考一些资料。
根据以前的设计规律，将实验分为几大模块——主持人控制电路、计时电路、报警电路，然后逐个设计，逐个调试。
通过设计要求以及不同芯片的功能，逐步完善设计。
首先是主持人控制模块，是根据网上而改进的；其次是计时电路模块，是采用单稳态脉冲来实现的；最后是报警模块，这个又分为两块设计——主持人按抢答器之后的短暂报警部分和由于30S无人抢答后的短暂报警部分。
由于30S无人抢答后的短暂报警部分这一部分上我们思考了很久，最后还是利用74LS121芯片的功能来实现。
4.2电路仿真图（原理图）
图4.2
（一）仿真图
图4.2
（二）仿真图
因实验仿真软件中无法达到蜂鸣器抱紧的效果，所以通过示波器的显示来达到同样的效果。
接入电源，当B键I触发时，数码管显示为“0”；接着B键触发，蜂鸣器短暂响，开始30S倒计时，LED亮，抢答有效；30S内无人抢答，30S时LED灭，短暂报警，抢答无效。
第五章电路的焊接与调试
5.1电路的安装与焊接
电路安装要注意几个原则：
1.先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等；
2.一定要注意排版，不能东倒西歪，方向应尽量一致；
3.布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；
4.最好分模块安装。
此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停留太久；同时过焊铜片将脱落，给焊接带来不必要的麻烦、也将影响板子的视觉效果。
5.在焊完之后，不要忙于去调试，而应该用万用表来查其电路是否接触良好、是否与电路图的布置一致、是否有器件在焊接的过程中烧坏了等。
5.2分模块的调试
本实验调试，首先单独分模块进行调试，也就是焊接完，分别对主持人控制电路、计时电路、报警电路进行分别调试，输入一5.0V的直流电压信号。
结果检查发现一些问题，比如，有些地方没接地接电源；引脚虚焊了；因没检查电阻是规定电阻而导致后来重新弄过等等。
接着用万用表检测总体部分，如果对照电路图出现线未连、引脚接触不良好等问题，则进行修改。
再重新检查一遍没问题，将焊板上的正负极正确接好，则基本上符合了设计要求。
第六章系统调试
在分模块分别调试成功的前提下，按照电路图将分模块连接好，检查是否正确连接，连接正确时则可以接上5.0V的直流稳压电源。
主持人按下“清除”键后，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答；再按下“抢答”键时，蜂鸣器短暂提示，LED亮，抢答开始。
当选手在规定时间按动抢答键时，数码管显示选手编号（0~7号），同时封锁输入电路，其他选手抢答无效；当选手在规定时间内无人抢答，蜂鸣器短暂报警，LED灭；在30S后选手抢答无效。
最后发现符合题目要求，则基本上符合了设计要求。
在以上基础上，还需要多次上电调试，观察电路是否有其他状况，是否有不稳定的情况发生。
如果电路不稳定择应立即排查原因，特别的应该注意虚焊的问题。
第七章设计总结
本课程设计主要采用的电路原理基于数电的基本知识——编码，计时，译码，触发器，基本门电路等的应用，从而实现设计要求。
对于课设题目，一开始没有多少头绪，不会运用所学知识进行有效设计，但通过上网查阅各种类似的设计，查阅所提供的芯片功能，确定基本设计方案，又通过仿真验证试验方案的可实行性，虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。
同时也使自己认识到：
1、设计思路是整个设计的灵魂
有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。
只有对课题的充分理解，对各种器件的熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。
2、焊接制作必须精益求精
焊接必须精益求精，一点的差错都可能导致实验结果错误，同时布局完美也是很重要的，这样才能在调试中能比较轻松进行，也是整个电路可看性更好。
3、调试
调试工作是个精细工作。
在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。
4、建议
设计的作品主要是用74系列集成芯片来完成的，在焊接的过程中由于芯片的引脚过多，布线工作不是很方便。
有时候还因为某一跟线没有焊牢，造成电路的不稳定。
可以应用PCB制板来设计，也可以用我们今后所要学的单片机来设计。
5、不足
实验效率低，知识水平有限，知识框架建立不起来等等。
总之，在设计过程中学到了许多。
通过此次实习，看到了自己的水平和差距，学要在今后的学习中又进一步的提高，意识到要从现在开始养成那种细心的好习惯，还有自己知识的局限性。
再者通过这次实习锻炼了自己的动手及查资料的能力，也体会到了成功带来了的喜悦和自己的不足之处，可以说是受益匪浅。
参考文献
［1］阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].高等教育出版社，2012
［2］高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M].电子工业出版社.2010
[3]周常森.电子电路计算机仿真技术[M].山东科学技出版社，2006
[4]张晓东.有趣的家用电子制作[M].人民邮电出版社，2005
总附录
附录一：
元件清单
序号
类型
数量
1
74LS279（RS锁存器）
1
2
74LS248（4线—7段译码驱动器）
1
3
74LS148（8线—3线优先编码器）
1
4
74LS123（单稳态触发器）
1
5
74LS00（二输入与非门）
1
6
NE555
2
7
晶体管2N2102（9014）
1
8
七段数码管（共阴极）
1
9
B键（触发开关）
2
10
发光二极管
1
11
扬声器
1
12
B键（输入开关）
8
13
电阻（18Ω）
1
14
电阻（510Ω）
1
15
电阻（1KΩ）
2
16
电阻（10KΩ）
11
17
电阻（20KΩ）
1
18
电阻（580KΩ）
1
19
电容（0.01μF）
2
20
电容（1μF）
2
21
电容（47μF）
1
附录二：
74LS148的引脚图和逻辑功能表
附录三：
74LS123的逻辑功能表和引脚图（代替74LS121）
附录四：
74LS279的逻辑功能表和引脚图
附录五：
74LS248的逻辑功能表和引脚图（同74LS48）
附录六：
焊接电路板图
附录六：
PCB制板图
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