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抢答器论文
八路抢答器
【本科组】
设计报告
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，还具有定时和计时功能。
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，提示工作人员本轮抢答无效。
关键词：
智力竞赛；抢答器；设计与制作
Abstract:
Inthispaper,theelectriccircuitanddesigningthoughtofanansweringracerbasedonthecommon-usedseriesof74ICwith8-wireisintroduced,anditsfunctionisalsodescribed.Theansweringrace’sfunctionincludestimingandcounting,besidesthebasicfunctionofanansweringracer.Thehostsetstheprovidedtimefortheansweringracethroughthetime-settingswitch,afterthisthesystemwillcountdownthetimeautomatically.Ifanybodyanswersthequestionontime,thecountingoftimewillstop;andifnobodyanswersthequestionontime,thehostwillknowtheraceinthisturnisofnouse.
Keywords:
Intelligencecompetition;Viestoanswerfirst;DesignandProduction
1．总体设计5
1.1系统功能概述5
1.2原理框图6
1.3方案设计与论证6
1.3.1显示模块6
1.3.2振荡电路7
2．单元电路设计及参数计算7
2.1抢答电路设计7
2.2定时电路设计8
2.3时序控制电路设计9
3.系统测试10
3.1测试使用的仪器10
3.2电路调试10
3.2.1单元电路调试10
3.2.2整机电路调试11
5．结论11
参考文献12
附录1.系统原理图13
附录2、主要芯片的介绍13
1．总体设计
1.1系统功能概述
①设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是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（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。
③抢答器具有数据锁存和显示的功能。
抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出该选手的编号，同时蜂鸣器给出音响提示。
此外，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。
•扩展功能
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30s）。
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，同时蜂鸣器发出声响，声响持续时间0.5s左右。
②参赛选手在设定的时间内抢答，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。
其工作原理为：
接通电源后，工作人员将开关拨到"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；工作人员将开关置与开始"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工作人员再次操作"清除"和"开始"状态开关。
1.2原理框图
图1.1.1系统设计框图
1.3方案设计与论证
1.3.1显示模块
方案一：
采用LCD液晶显示。
在电场作用下，液晶分子会发生排列上的变化，从而影响通过其的光线变化，这种光线的变化通过偏光片的作用可以表现为明暗的变化。
就这样，人们通过对电场的控制最终控制了光线的明暗变化，从而达到显示图像的目的。
大部分液晶显示器的接口是模拟接口，存在着传输信号易受干扰、显示器内部需要加入模数转换电路、无法升级到数字接口等问题。
并且，为了避免像素闪烁的出现，必须做到时钟频率、向量与模拟信号的完全一致。
方案二：
采用LED数码管显示。
这种方案用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
由于LED数位管具有：
颜色丰富、亮度高、功耗低、回应速度快、易与积体电路解码器，驱动器直接配合使用的优点，所以选择此种方案
1.3.2振荡电路
方案一LC型振荡电路，其振荡率是由电路中的线圈与电容所决定的。
此一线圈与电容器并非只是指电路图上所表示的组件数值，尚包含有晶体管的电极间容量印刷电路铜箔图样内所包含的L，C成分。
因此，由于温度、电源等变化所引起的L，C值变化，也会使振荡频率发生变化。
方案二要求振荡周期为1HZ，所以所设计的振荡器要求占空比为1.这样才能满足要求。
可利用555定时器构成单谐振荡器。
R与C取值范围大体各在几百到几兆欧姆、几百皮到几百微法之间，可以保证振荡周期为几微秒到几分钟。
2．单元电路设计及参数计算
2.1抢答电路设计
设计电路如图2.1.1所示。
电路选用优先编码器74LS148和锁存器74LS297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
＝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=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
＝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
＝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”然后再进行下一轮抢答。
图2.1.1抢答电路
2.2定时电路设计
设计电路图如图2.2.1所示。
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。
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。
74LS192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D5011A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。
结合图2.2.1可知标准秒脉冲产生电路的原理。
在图2.2.1，图中电容C的放电时间和充电时间分别为
，于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为
，且
结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为
=15K，
=68K，C=10µF，代入到上式中即得，即得秒脉冲。
图2.2.1可预置时间的定时电路
2.3时序控制电路设计
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"开始"位置时，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按键时，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，扬声器自动报警，表示此次抢答无效。
图2.3.1时序控制电路
根据上面的功能要求以及图2.2.1，设计的时序控制电路如图2.3.1所示。
图中，与门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的输入使能端（即图2.1.1中的5端）。
图2.3.1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2.2.1中的74LS279的输出1Q,即CTR=0，经G3反相，输出为1，则NE555产生的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端（图中用CLCK表示接入到74LS192CPD端的信号），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按键时，CTR＝1，经G3反相，输出为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，/ST=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，封锁时钟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。
3.系统测试
3.1测试使用的仪器
1．测试使用的主要的仪器和仪表是万用表。
2．调试电路的方法和技巧是用红黑表笔测试接电源处是否有电压显示，再用表笔分别测试各集成块和电阻，电容的电压，注意用手背触摸一下，检查各仪器是否发热工作，。
3．测试的数据电压显示为5.0伏等。
4．调试中出现的故障，原因及排除方法有的电阻焊接为虚焊，原因是检查发生漏洞，排除方法是再焊接；74LS148接地引角8不为零，可能焊连，去掉焊连部分。
3.2电路调试
3.2.1单元电路调试
（1）抢答电路调试
把主持人的控制开关设置为“清除”位置，用万用表检查RS触发器的1S端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。
于是74LS48的4端/BI/RBO=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端，即5端/ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。
然后把主持人的控制开关拨到“开始”位置，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，给8路抢答端口即输入端…给上低电平的输入信号，如当有选手将抢答按键按下时（如按下），74LS148的输出为010，经RS锁存器后，74279的输出1Q,即CTR=1，/BI/RBO=1，74LS279处于工作状态，输出端4Q3Q2Q=101，经RS锁存器后，输出“5”。
此外，CTR=1，使74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。
如有问题按原理进行修改。
（2）定时电路调试
用示波器检查555的输出波形是否为1Hz的方波信号，如不是对555的外围电路进行调整达到要求为止。
给74LS192的数据输入端设定一次抢答的时间，如30秒（00110000）的八位数据。
观察显示器的显示时间是否进行减计数。
如有问题按原理进行修改。
（3）时序控制电路调试
①.主持人将控制开关拨到“开始”位置时，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按键时，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，同时抢答电路和定时电路停止工作。
如有问题按原理进行修改。
3.2.2整机电路调试
⑴开始时，主持人将控制开关接地，抢答电路部分锁存器74LS279的状态输出全为0，74LS48的灭灯输入与锁存器74LS279的Q1相接，故抢答电路无显示（清除）；与此同时，在计时电路部分，减法计数器74LS192的预置数端为0，将事先的预置数送入减法计数器中。
当主持人按键弹起时，计数器开始计数工作，抢答开始。
⑵在没有人按键且抢答时间没到时，优先编码器/YEX输出为1，计数器BO2输出为1，74148的5端，即/ST＝0,而优先编码器和计数器都正常工作；
⑶当在规定时间有人按下抢答按键时，/YEX输出为“0”，CTR=1，/ST=1，优先编码器停止工作，此后选手的抢答无效，电路将按键者的编号显示在LED上；同时，CTR=1，计数部分的计数脉冲CTR=0，计数器停止工作，此时的倒计时时间记录并显示在LED上；74148的/Ys端由1跳变到0，即Q输出暂态高电平。
如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，Q输出暂态高电平，ST=1，抢答电路停止工作，此后的抢答按键无效。
5．结论
本设计详细介绍了抢答器的设计方案，功能及在设计过程中所做的改进。
主要实现了供8名选手抢答和定时的功能。
这种抢答器主要是基于74系列集成芯片，成本较低，且基本能够使用于学校的一些活动中。
通过该对系统的设计和制作，使我对部分模拟电路和数字电路的构成和作用有了进一步的了解，多种能力和技术的训练，如电路图识别能力、元件识别能力、焊接能力等。
给我以很好的实践机会，让我在自己动手的过程中逐渐掌握一些相关的知识，在无形之中，提升自己的动手能力，把所学的理论知识应用于实践中，很好的锻炼了自己。
让自己增加了自信，调试的过程让我学到了很多的知识，学会了坚持不懈，学会了不断努力，学会了一些学习新知识的方法，这些都是我一生中宝贵的财富，是我以后工作中必须拥有的基础。
当然，本设计主要是用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，这些都是有待改进的。
且系统中还需要一个5.0V的电源，但由于时间仓促没做改用实验箱上的电源，造成电路有时会不稳定，实属遗憾！
参考文献
[1]华光.电子技术基础数字部分[M].北京高等教育出版社,2000.6..
[2]李海.74系列芯片手册[M].重庆大学出版社,1999.9.
[3]欧阳星明.数字逻辑[M].武汉华中科技大学出版社，2002.5.
[4]谢自美.电子线路设计.实验.测试（第二版）[M].华中科技大学出版社,2002.7.
[5]张先永.电子技术基础[M].国防科技大学出版社,2002.1.
[6]康华光.电子技术基础.数字部分（第四版）[M].高等教育出版社,2003.3.
附录1.系统原理图
附录2、主要芯片的介绍
2.174LS48
⑴、74LS48的主要特色
74LS48芯片的输入端是四位二进制信号（8421BCD码），a、b、c、d、e、f、g是七段译码器的输出驱动信号，高电平有效。
可直接驱动共阴极七段数码管，是使能端，起辅助控制作用。
它是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路的显示系统中7段显示译码器，74LS48是输出高电平有效的译码器。
⑵、74LS48的引脚功能
图3.1.174LS48的引脚功能图
74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。
由74LS48真值表可获知74LS48所具有的逻辑功能：
①7段译码功能（LT=1，RBI=1）
在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经74LS48译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。
除DCBA=0000外，RBI也可以接低电平，见表1中1～16行。
②消隐功能（BI=0）
此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表1倒数第3行，无论LT和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。
该功能主要用于多显示器的动态显示。
③灯测试功能（LT=0）
此时BI/RBO端作为输出端，端输入低电平信号时，表1最后一行，与及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。
该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。
④动态灭零功能（LT=1，RBI=1）
此时BI/RBO端也作为输出端，LT端输入高电平信号，RBI端输入低电平信号，若此时DCBA=0000，表1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。
DCBA≠0，则对显示无影响。
该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。
⑶、74LS48的真值表
2.274LS279
⑴、74LS279的主要特色
RS锁存器74LS279可锁存优先抢答者的编号，供译码器显示电路用。
⑵74LS279的引脚功能
引脚功能定义：
1Q～4Q：
输出端；
1S～4S：
置位端（低电平有效）；
1R～4R：
复位端（低电平有效）。
图3.1.274LS279的引脚功能图
⑶、74LS279的真值表
四个锁存器中有两个具有置位端（SA，SB）。
当S为低电平、R为高电平时，输出端（Q）为高电平。
当S为高电平、R为低电平时,Q为低电平。
当S和R均为高电平时，Q被锁在已建立的电平。
当S和R均为低电平时，Q为稳定的高电平状态。
对SA和SB，S的低电平表示只要有一个为低电平，S的高电平表示SA和SB均为高电平。
2.374LS148
⑴、74LS148的主要特色
优先编码器74LS148，在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上编码信号。
不过在设计优先编码器时，已经将所有的输入信号按优先顺序排了队。
在同时存在两个或两个以上输入信号时，优先编码器只按优先级高的输入信号编码，优先级低的信号则不起作用。
74LS148是一个八线-三线优先级编码器。
⑵、74LS148的引脚功能
图3.1.374LS148的引脚功能图
其中
为输入端（低电平有效），
为输出端（低电平有效），
为输出编码标志端（低电平有效），
为输出使能端（低电平有效），ST为输入使能端（低电平有效）。
⑶、74LS148的真值表
74LS148的真值表：
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。
2.474LS192
⑴、74LS192的主要特色
十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路，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。
⑵、74LS192的引脚功能
图3.1.474LS192的引脚功能图
其中
为计数器置数端，
为数据输出端，PL为置数端（低电平有效），CPU为加计数端，CPD为减计数端，MR为清除端。
⑶、74LS192的真值表
2.5NE555
⑴、NE555的主要特色
NE555（TimerIC）大约在1971年由SigneticsCorporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的TimerIC，在往后的30年來非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，尽管近年來CMOS技术版本的TimerIC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。
NE555的特点有：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
由NE555芯片主要实现标准秒脉冲电路。
图3.1.5秒脉冲产生电路
⑵、NE555的引脚功能
图3.1.6NE555的引脚功能图
2.674LS10
⑴、74LS10的主要特色
74LS10是集成3个三输入与非门的逻辑芯片，在数字电路常用来实现三输入的与非门。
⑵、74LS10的引脚功能
图3.1.774LS10的引脚功能图
其中1、2、13与12为一对输入输出，3、4、5与6为一对输入输出,9、10、11与8为一对输入输出,7为接地端，14为接电源端。
⑶、74LS10的真值表
74LS10的真值表:
其中，A、B、C表示输入，Y表示输出，X表示任意输入，H代表高电平，L代表低电平。
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