多路智力竞赛抢答器的设计.docx
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多路智力竞赛抢答器的设计
一、课程设计题目：
多路智力竞赛抢答器的设计
二、设计目的:
随着各种智力竞赛越来越多，在答题的过程中一般要分为必答和抢答两种。
必答有时间的限制，到时间要警告。
而抢答则要求参赛者做好充分的准备，等主持人说完题目，参赛者开始抢答，谁先按钮，就由这个参赛者答题，但是很难确认谁先按的，因此使用抢答器来完成这一功能是很有必要的。
本设计是一个可供八个人抢答的多路抢答器。
可以显示优先抢者的序号，并同时有音响提示。
并具有倒计时功能。
当锁定时间到了的时候会有音响提示。
当一次抢答完毕，可由主持人按复位键重新开始下一次抢答。
三、设计要求:
掌握抢答器的工作原理及其设计方法。
1.基本功能
（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，按钮的编号和选手的编号相对应，分别是S0-S7。
（2）给节目主持人设计一个开关，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数码管行显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。
此外，要封存输入电路，禁止其他选手抢答。
优先抢答选手的编号一致保持到主持人将系统清零为止。
2.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，同时扬声器发出短暂的声响，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。
四、设计原理及其框图：
数字抢答器工作原理为：
接通电源后，主持人将开关置“开始”状态，抢答器工作，定时器倒计时。
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。
具体的说，就是当抢答按钮按下后，信号通过优先编码电路，从而封锁其它抢答通道信号，通过译码电路后由7段数码管显示。
并且，优先编码电路受扩展电路中的定时信号控制，当倒计时为0，则锁上抢答电路，停止抢答。
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。
在扩展电路中，秒脉冲产生的电路通过定时电路控制抢答时间，并且，通过译码电路后由7段显示器显示。
该显示采用的是倒计时显示，当倒计时结束后，则产生控制信号锁上抢答通路。
同时，若有抢答信号，则锁上倒计时电路。
时间显示在7段数码管上。
总体框图如下：
单元电路设计和所用的元器件的选择（包括器件的引脚结构图）
1.抢答电路
此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有数码显示
使用优先编码器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＝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。
只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。
通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。
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。
抢答电路图
74LS148引脚图
74LS148真值表如下图：
输入
输出
1
X
X
X
X
X
X
X
X
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
X
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
0
1
0
X
X
X
X
X
X
0
1
0
0
1
0
1
0
X
X
X
X
X
0
1
1
0
1
0
0
1
0
X
X
X
X
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
X
X
X
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
X
X
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
0
X
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
74LS148的输入端和输出端低电平有效。
~
是输入信号，
~
为三位二进制编码输出信号，
＝1时，编码器禁止编码，当
＝0时，允许编码。
是技能输出端，只有在
＝0，而
~
均无编码输入信号时为0。
为优先编码输出端，在
＝0而
~
的其中之一有信号时，
＝0。
~
各输入端的优先顺序为：
级别最高，
级别最低。
如果
＝0（有信号），则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按
编码，
＝000。
74LS279真值表
Qn+1
状态
×
×
Qn
保持
0
0
不允许
0
1
0
清0
1
0
1
置1
1
1
Qn
保持
二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出信号的电路。
也称为变量译码器。
若输入端有n位，代码组合就有2n个，当然可译出2n个输出信号。
字符显示器：
分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成。
电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。
而LED数码显示器是最常见的。
通常有红、绿、黄等颜色。
LED的死区电压较高，工作电压大约1.5~3V，驱动电流为几十毫安。
74LS47译码驱动器输出是低电平有效，所以配接的数码管须采用共阳极接法；而74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。
2.倒计时电路
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、74LS48D译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。
完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，进行30s倒计时。
当有人抢答时，计时停止。
两块74LS192实现减法计数，通过译码电74LS48D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30s，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。
倒计时电路图
（1）秒脉冲产生电路设计
为了准确地计时，设计中不能缺少秒脉冲产生电路，即能产生周期为一秒的脉冲的电路。
用555设计的秒脉冲产生电路
因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。
图中电容的充放电时间分别是：
t1=R2×C1×ln2≈0.7R2×C.t2=（R1+R2）×C×ln2≈0.7（R1+R2）C.
所以555的3端输出的频率为：
f=1/（t1+t2）≈1.43/[（2R1+R2）C]
我们采用的电阻和电容值分别是:
R1=15KΩ，R2=64KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲
（2）显示电路设计
七段显示译码器7448输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。
该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。
七段显示译码器一般与七段数码显示器相连，共同构成四输入端的数码显示电路。
共阴极数码显示器的功能表
十进制
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
2
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
3
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
4
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
5
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
6
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
7
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
8
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
9
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
图附2-574LS48引脚图
3、报警电路
该报警电路由555定时器、十进制计数器74LS160、三极管和扬声器构成。
由555组成的多谐波振荡器产生脉冲，经三极管推动扬声器发声。
由十进制计数器74LS160来计算脉冲个数，当脉冲数达到预置数时产生的高电平经三极管驱动扬声器发声。
555的RST端不需要时置低电位。
报警电路图
总体电路设计
抢答器的使用原理。
首先是各个选手分别对应的按钮编号是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是0、1、2、3、4、5、6、7。
然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为两路：
一路与74LS279的R端相连,抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零；另一路低电平输出到计数器74LS192的LD端，而CR端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据。
接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端D、C、B、A的高低电平来进行（例如要设定时间为30秒,就将十位的74192的D、C、B、A分别置位为0、0、1、1，而将各位的74LS192的D、C、B、A都置于0）。
当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此高电平有两路方向：
一路输出到74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减计数；一路输出到74LS192的R端。
当任意一个选手抢答时，例如7号抢答时，八位优先编码器74LS148编码输出的A2～A0成为与输入信号相对应的三位二进制码000，作用于RS触发器74LS279的S端，输出端分别为1111，输出到七段译码显示器74LS48的二进制码经其译码后输出到七段共阴数码管上，则显示器上显示对应的编号7。
此时，74LS48的RI/RBO端输出高电平加一非门与74LS192的借位输出端BO也输出高电平同时加与非门，高电平作用于74LS148的选通输入端EI，其他选手若再按动对应按钮也无对应输出，即实现了抢答功能；同时，74LS48的RI/RBO端经非门输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得无脉冲抵达计数器74LS192的Down端。
计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间的功能。
总的电路图
五、自我评价，收获和体会：
经历了一个星期的查阅资料和理论分析，终于完成了课程设计的仿真和论文。
经历了这次课程设计，大大的提高了我的动手能力以及分析问题的能力，从中也学到了很多书面上所没有搞清楚的问题，也熟悉学会了应用Multisim这个软件来设计仿真电路。
这次课程设计让我学到了很多有用的知识和能力，这对以后的学习和工作都是非常有益的。
下面对本设计的思路进行总结：
1、数字抢答器有主体电路与扩展电路组成。
2、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。
3、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。
4、经过仿真，数字抢答器成形。
这次课程设计的电路是比较复杂的。
虽然以前在模电中接触过一些电子电路，但在初期还是感到无从下手。
这是我第一次接触multisim软件，感觉它比灵活易用，熟练以后十分顺手。
在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在通多次对电路的改进，上机仿真调试，终于使整个电路可稳定工作。
设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。
设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。
因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。
实验阶段我们遇到的问题有：
对软件不熟悉；因为各个模块是分开做而后又组装到一起的，能融合为一个整体，部分工作能行但是接到一起就会出现问题;针对以上几个问题我们作出了以下的“对策”:
软件不熟悉，就借来参考书，一步一步的对着学，而且老师给的资料上也有软件的使用说明，所以随着接触的增加软件也就越来越熟悉，这方面的问题不是太难因为一边理论一边学习正好是学习的好方法，而且也学的特别快。
另外就是要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
这是应用课本知识的大好时机。
总之，通过这次课程设计我有了很多收获。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维。
在改进电路的过程中，同学们共同探讨，最后的电路已经比初期设计有了很大提高。
在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。
六、元件清单：
5V共阴数码管3个
译码器74LS483个
RS触发器74LS2792个
优先编码器74LS1481个
可逆计数器74LS1922个
十进制计数器74LS1602个
555定时器1个
2输入与非门74LS001个
3输入与门74LS111个
非门74LS041个
10kΩ电阻9个
64kΩ电阻1个
15kΩ电阻1个
触点开关8个
单刀双掷开关1个
10μF电解电容1个
0.01μF瓷片电容1个
扬声器（本实验用3D二极管代替）1个
导线若干
七、参考文献:
《数字电子技术基础》范文兵清华大学出版社2007
《数字电路逻辑设计（第三版）》王毓银高等教育出版社2005
《数字电路实验基础》崔葛瑾同济大学出版社2005
《数字电路实验与课程设计》吕思忠、施齐云哈尔滨工程大学出版社2001
《电子线路设计实验测试（第三版）》谢自美华中科技大学出版社2006
《Multsim9在电工电子技术中的应用》董玉冰清华大学出版社2008
《数字电路及制作实例》陈振官国防工业出版社2006
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