数字抢答器的设计研究文档格式.docx
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２.4抢答器的工作流程………………………………………………5
２.5抢答器的工作过程………………………………………………7
3抢答器的电路设计…………………………………………………7
3.1抢答器的总体结构…………………………………………………7
3.2优先判断与编号锁存电路…………………………………………8
4抢答器的单元电路设计……………………………………………10
4.1抢答器设计中的优先编码电路……………………………………10
4.2抢答器设计中的定时时电路………………………………………12
4.3抢答器设计中的报警电路…………………………………………13
4.4抢答器设计中的时序控制电路……………………………………14
4.5七段显示译码器与数码管…………………………………………15
4.6抢答器的优点及组成………………………………………………17
4.7本章小结……………………………………………………………17
5总结与展望…………………………………………………………18
谢辞……………………………………………………………………20
参考文献………………………………………………………………21
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。
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课题研究的内容
本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。
主持人有开始和结束、复位键。
在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，如原始状态下抢答时间为15s，回答问题时间为30s。
通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。
新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。
如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。
主持人可按键结束，新一轮抢答开始。
通过研究并在设计后发现，采用数字电路技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比，首先，电路连接简单，因为大多数功能单元都能通过数字电路完成，第二，工作性能可靠，抗千扰能力优于目前抢答器。
所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性。
本论文章节的结构和内容如下:
第一章：
绪论。
简要介绍了抢答器的发展现状;
说明了本课题研究的内容.
第二章：
抢答器系统概述。
说明了抢答器的工作过程和主要功能，并定下了本课题要达到的设计目标。
第三章：
抢答器的电路的设计。
简单概述了本课题的总体结构。
第四章：
抢答器的单元电路设计。
详细描述了本课题各单元电路的设计。
结论：
总结课题设计，指出设计中的一些问题，提出改善的意见，并展望抢答器的未来设计。
后其号码只有数码或指示灯显示，没有语音提示。
本课题就是为了解决以上3个问题，设计了八路抢答器。
1.4国内外研究现状
随着我国抢答器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。
技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。
了解国内外抢答器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。
目前市场上抢答器种类繁多，功能各异，价格差异也很大。
那么选择一款真正适合的抢答器就非常重要。
抢答器一般分为电子抢答器和电脑抢答器。
电子抢答器的中心构造一般都是由抢答器由数字电子集成电路组成，其搭配的配件不同又分为，非语音非记分抢答器和语音记分抢答器。
非语音记分抢答器构造很简单，就是一个抢答器的主机和一个抢答按钮组成，在抢答过程中选手是没有记分的显示屏。
语音记分抢答器是由一个抢答器的主机、主机的显示屏以及选手的记分显示屏等构成，具有记分等功能。
电子抢答器多适用于学校和企事业单位举行的简单的抢答活动。
电脑抢答器又分为无线电脑抢答器和有线电脑抢答器。
无线电脑抢答器的构成是由：
主机和抢答器专用的软件和无线按钮。
无线电脑抢答器利用电脑和投影仪，可以把抢答气氛活跃起来，一般多使用于电台等大型的活动。
有线电脑抢答器也是由主机和电脑配合起来，电脑再和投影仪配合起来，利用专门研发的配套的抢答器软件，可以十分完美的表现抢答的气氛。
抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作,可靠性低，实现起来很困难；
有的则用一些专用的集成块,而专用集成块的购买又很困难。
而我所设计的多功能抢答器——简易逻辑数字抢答器具有电路简单，元件普通,易于购买等优点,很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。
在国内外已经开始了普遍的应用。
1.5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抢答器的系统概述
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抢答器的工作原理简介
如图2-1所示为抢答器的结构框图，它由主体电路和扩展电路两部分组成。
主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。
扩展电路完成检测数码管工作情况。
其工作原理为：
接通电源后，主持人将开关拨到"
清除"
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；
主持人将开关置于"
状态，宣布"
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"
和"
状态开关。
图2-1抢答器结构框图
2.3抢答器系统的需求分析
1、在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。
2、抢答限定时间和回答问题的时间可是在1～99s设定。
3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示。
4、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。
5、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。
2.4抢答器的工作流程
抢答器的基本工作原理:
在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。
在整个抢答器工作过程中，显示电路、语音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。
抢答器的工作流程分为、系统复位、正常流程、违例流程等几部分，如图2-2所示。
图2-2抢答器的工作流程
2.5抢答器的工作过程
1、如果想调节抢答时间或答题时间,按"
加一"
键或"
减一"
键进入调节状态,此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值,如想加一秒按一下"
加1s"
键,如果想减一秒按一下"
减1s"
键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0~99s,0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。
2、主持人按"
抢答开始"
键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设15s抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设10s抢答时间），不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。
倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。
3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按"
停止"
按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按"
进入下次抢答计时。
4、如果主持人未按"
键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED上不断闪烁FF和犯规号数并响个不停，直到按下"
键为止。
总而言之，本课题利用简单逻辑数字电路设计了抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。
3抢答器的电路设计
3.1抢答器的总体结构
如图4-1所示为总体方框图。
接通电源后，后台工作人员将检测开关S置“检测”状态，数码管在正常清除下，显示“
”；
当后台工作人员将检测开关S置“抢答”状态，主持按系统清除按键，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；
主持人松开，宣布“开始”，抢答器工作。
选手按动抢答按键，抢答器完成：
优先判断、编号锁存、编号显示。
当一轮抢答之后，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
如果再次抢答必须由主持人再次按动系统清除按键。
图3-1总体方框图
3.2优先判断与编号锁存电路
优先判断与编号锁存电路如图3-2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；
二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。
工作过程：
系统清除按键按动时，74LS279的四个RS触发器的置0端均为0，使四个触发器均被置0。
1Q为0，使74LS148的使能端
=0，74LS148处于允许编码状态，同时1Q为0，使74LS48的灭灯输入端
=0，数码管无显示。
这时抢答器处于准备抢答状态。
当系统清除按键松开时，抢答器处于等待状态。
当有选手将按键开关按下时，抢答器将接受并显示抢答结果，假设按下的是S4，则74LS148的编码输出为011，此代码送入74LS279锁存后，使4Q3Q2Q=100，
亦即74LS148的输入为0100；
又74LS148的优先编码标志输出
为0，使1Q=1，即
=1，74LS48处于译码状态，译码的结果显示为“4”。
同时1Q=1，使74LS148的
=1，74LS148处于禁止状态，从而封锁了其他按键的输入。
此外，当优先抢答者的按键松开再按下时，由于仍为1Q=1，使
=1，74LS148仍处于禁止状态，确保不会接受二次按键时的输入信号，保证了抢答者的优先性。
（74LS148为8线－3线优先编码器，表3-1为其真值表，图3-3为逻辑图；
74LS279为四个/R－/S锁存器，表3-2为其真值表，图3-4为逻辑图。
）
图3-2优先判断与编号锁存电路
Inputs
Outputs
EI
1
2
3
4
5
6
7
A2
A1
A0
GS
EO
H
X
L
表3-174LS148真值表
图3-374LS148逻辑图
Ｈ
Ｑ０
Ｌ
Notsure
表3-274LS279真值表
图3-474LS279逻辑图
4抢答器的单元电路设计
现简单介绍抢答器设计中的优先编码电路、定时电路、报警电路、时序控制电路、七段显示数码器及译码管电路。
4.1抢答器设计中的优先编码电路
参考电路如图4-1所示。
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。
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。
（74LS148为８线－３线优先编码器。
表4-1为74LS148的功能真值表。
图4-1优先编码电路
表4-1 74LS148的功能真值表
4.2抢答器设计中的定时电路
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，具体电路如图4-2所示。
本设计是以555构成震荡电路，由74LS192来充当计数器，构成抢答器的倒计时电路。
该电路简单，无需用到晶振，芯片都是市场上容易购得的。
设计功能完善，能实现直接清零、启动。
图4-2定时电路
4.3抢答器设计中的报警电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图4-3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4-3报警电路
4.4抢答器设计中的时序控制电路
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"
位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。
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。
图4-4时序控制电路
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"
位置拨到"
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"
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。
4.5七段显示译码器与数码管
七段显示译码器与数码管如下图4-5所示。
7段显示译码74LS48将锁存器74LS279的信号译码，输出给数码管。
当后台工作人员将S置于GND，
=0，使灯测试输入端（图中3号）=1，这时测试数码管工作情况；
当后台工作人员将S置于Vcc，
=1，使灯测试输入端（图中3号）=1，这时正常译码。
（74LS48为4线－七段译码器/驱动器，表4-2为其真值表，图4-6为逻辑图）
图4-57段显示译码器与数码管
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
8
9
10
11
12
13
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