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智能抢答器的设计与制作论文
课程设计
题目：
智能抢答器的设计与制作
姓名学号
系（院）电子电气工程学院班级P11电气三班
指导教师________职称_______
二O一三年三月日
摘要……………………………………………………………………1
第1章课程设计目的………………………………………………………3
1.1抢答器的特点及应用………………………………………………3
1.2设计任务……………………………………………………………3
1.3主要参考器件………………………………………………………4
1.4主要芯片介绍………………………………………………………4
1.4.1优先编码器74LS148…………………………………………5
1.4.2计数器74LS192………………………………………………6
第2章系统设计原理和方案分析………………………………………6
2.1电路组成原理…………………………………………………………6
2.2设计思路……………………………………………………………7
2.3设计方案……………………………………………………………7
第3章硬件电路设计和仿真………………………………………………8
3.1倒计时模块…………………………………………………………8
3.1.1秒时钟……………………………………………………………8
3.1.2计数器…………………………………………………………9
3.1.3数码管驱动显示电路………………………………………………9
3.2抢答设计模块………………………………………………………10
3.3总电路图仿真………………………………………………………11
第4章硬件调试过程及解决方法…………………………………………12
第5章总结……………………………………………………………13
参考文献……………………………………………………………………13
摘要
随着电子技术的发展，它在各个领域的应用也越来越广泛。
人们对它的认识也逐步加深。
人们也利用了电子技术以及相关的知识解决了一些实际问题。
如：
智能抢答器的设计与制作。
抢答器是竞赛问题中一种常用的必备装置，从原理上讲，它是一种典型的数字电路。
数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。
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；主持人按开始按钮示意开始，以上两部分组成主体电路。
通过定时电路实现计时功能，构成扩展电路。
经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。
在抢答电路中利用一个优先编码器译出最先抢到答题权的选手的编号并经LED显示器显示出来，同时还要封锁电路以防其他选手再抢答。
当选手答题完成后，主持人将系统恢复至零。
关键词：
抢答,计时,锁存
Abstract
Withthedevelopmentofelectronictechnology, itsapplicationsinvariousfieldsare moreand morewidely. People alsograduallydeepeningunderstandingofit. Itisalsotheuseofelectronictechnologyandrelatedknowledgetosolve somepracticalproblems. Suchas:
smartResponderdesignandproduction.Responderis acommonessential device contestproblems, fromtheprincipleofspeaking, it isatypicaldigitalcircuit. Digitalansweringdevice extendedfromthemaincircuitandthe circuit.Input signalpriority codingcircuit, latch, decodercircuitwillbetheteam inthedisplayoutput; host pressthestartbutton to start,above themaincircuitcomposedoftwoparts. Throughthetimingcircuit torealize thefunctionoftiming, expansioncircuit. Afterwiring, welding, debugging workformingdigitalansweringdevice.In answercircuit using a priorityencoder cantranslatethe answerright tograb thenumberofplayers andthe LED display, butalsoto theblockade topreventother players then answer circuit.Whenacontestant answer iscompleted, thehostsystem returntozero.
Keywords:
answer, timing, latch
第1章课程设计目的
1.1计时器的特点及应用
在现在社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，那么也就必然离不开抢答器。
而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。
本抢答器通过十分巧妙的设计仅用两块数字芯片便实现了数显抢答的功能，与其他抢答器电路相比较有分辨时间极短、结构清晰，成本低、制作方便等优点，并且还有防作弊功能。
因此，我们制作了这款简易四路抢答器屏弃了成本高，体积大，而且操作复杂。
我们采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想，因而本抢答器具有显示直观，不需要人干预的特点。
而且在显示时抢答器会发出叮咚声使效果更为生动。
工厂、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。
1.2设计任务
设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器.
4名选手编号为；1，2，3，4。
各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。
给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。
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，相应二极管发光，改选手编号立即锁存，并在编号显示器上显示该编号，同时封锁输入编码电路，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。
抢答器具有定时（9秒）抢答的功能。
当主持人按下开始按钮后，要求定时器开始倒计时，并用定时显示器显示倒计时时间。
参赛选手在设定时间（9秒）内抢答，抢答有效，同时定时器停止倒计时，编号显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
如果定时抢答时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。
并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。
1.3主要参考器件
表1使用器件
序号
器件名称
数量
备注
1
74LS279D
1
D触发器
2
74LS192D
1
同步减法计数器
3
555定时器
1
连接成多谐振荡与秒时钟脉冲
4
74LS08D
1
与门
5
74LS00D
1
与非门
6
74LS48D
2
七段显示译码器
7
74LS148D
1
8线－3线优先编码器
8
开关按钮
1
9
抢答按钮
4
10
BCD七段显示器
2
共阴极
11
电容
3
12
电阻
7
1.4主要芯片介绍
1.4.1优先编码器74LS148
74LS148为8线－3线优先编码器，芯片功能图如图2所示。
图274LS148管脚图
表374LS1488线—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
1.4.2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。
[2]
图474LS192管脚引线图
第2章系统设计原理和方案分析
2.1电路组成原理
基于这个设计的上述要求，根据功能要求，须设计有抢答电路、译码显示电路、主持人控制电路、定时电路，各个电路都有其自己的功能。
通过复位按键S，电路进入就绪状态，等待抢答。
首先由主持人发布抢答命令（按下S按键）同时发光二极管随即变亮，当看到二极管亮，进入倒计时状态和抢答状态。
在电路中“S4-S7”为4路抢答器的4个按键，如果有人按下按键，程序就会判断是谁先按下的，然后从P2口输出抢答者号码的七段码值，经GAL16V8驱动，送到码管显示，并封锁键盘，保持刚才按键按下时刻的时间，禁止其他人按键的输入，从而实现了抢答的功能。
如果在设定的时间中没有一个人按下按键，一到时间，不可以抢答。
当要进行下一次的抢答时，由主持人先按一下复位按键S，电路复位，进入下一次抢答的就绪状态。
[1]
2.2设计思路
电路由脉冲产生电路，锁存电路，编码及译码显示电路和倒计时电路组成。
当有选手抢答时，首先锁存，阻止其他选手抢答，然后编码，再经4线7段译码器将数字显示在显示器上同时数码管发光，主持人开始时，倒计时电路启动由9计到0，如有选手抢答，倒计时停止。
[3]
2.3设计方案
（1）主持人有开始键和复位键，按下开始键后才能开始抢答，否则犯规。
（2）用数码管显示，正常抢答后显示抢到的队号。
（3）如果10秒内没有抢答，则说明该题超时作废，用0表示。
（4）复位键用于恢复犯规或超时状态
主持人
选手
图5电路设计总体方框图
如图5所示为总体方框图。
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。
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。
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。
[4]
第3章硬件电路设计和仿真
3.1倒计时模块
3.1.1秒时钟
该电路是由555定时器构成的多谐振荡器，使其产生需要的方波作为触发器和计数器的CP脉冲，由于电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频，所以采用555定时器构成的多谐振荡器，电路及波形如下图所示：
图6555秒脉冲发生器电路图
图7555秒脉冲发生的波形图
3.1.2计数器
该电路使用了十进制同步减计数器74LS192D，主持人宣布开始时，按下按钮，同时使计数器置数为“9”，并在脉冲作用下开始倒计时并在显示器上显示，到零时停止。
图8减计数器74LS192D的电路图
如图8所示，当倒计时输出不为零时，“或”门输出为“1”，与脉冲同时输入到“与”门中，使脉冲可以送给计数器，当计数器输出为零时，“或”门输出为“0”，使脉冲不能输入到计数器中，从而使计数器停在“0”。
3.1.3数码管驱动显示电路
74LS48输入信号为BCD码，输出端为a、b、c、d、e、f、g共7线，另有3条控制线、、。
端为测试端。
在端接高电平的条件下，当=0时，无论输入端A、B、C、D为何值，a～g输出全为高电平，使7段显示器件显示“8”字型，此功能用于测试器件。
端为灭零输入端。
在=1，条件下，当输入A、B、C、D=0000时，输出a～g全为低电平，可使共阴LED显示器熄灭。
但当输入A、B、C、D不全为零时，仍能正常译码输出，使显示器正常显示。
端为消隐输入端。
该输入端具有最高级别的控制权，当该端为低电平时，不管其他输入端为何值，输出端a～g均为低电平，这可使共阴显示器熄灭。
另外，该端还有第二功能——灭零信号输出端，记为。
当该位输入的A、B、C、D=0000且时，此时输出低电平；若该位输入的A、B、C、D不等于零，则输出高电平。
若将与配合使用，很容易实现多位数码显示时的灭零控制。
例如对整数部分，将最高位的接地，这样当最高位为零时“灭零”，同时该位输出低电平，使下一位的为低电平，故也具有“灭零”功能；而对于小数部分,应将最低位的接地，个位的端悬空或接高电平，低位的接至高位的。
74LS48可直接驱动共阴极LED数码管而不需外接限流电阻。
此处要是保持数码管不黑屏就将BI/RB0，RBI置1就可以了，LT是检查数码管的好坏的，如果不需要的话直接接高电平。
其他端口按照abcdefg的对应关系连接好以保证显示正确，确保接地成功。
[4]
3.2抢答设计模块
电路选用优先编码器74LS148D和锁存器74LS279D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J5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74LS148D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J5断开，J6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J2），74LS148D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=010,经译码显示为“2”。
此外，CTR＝1，使74LS148D优先编码工作标志端（图中2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，74LS14D8的此时由于仍为CTR＝1，使优先编码工作标志端为1，所以74LS148D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J5开关重新置“清除”然后才可能进行。
[1]
图9抢答模块电路图
3.3总电路图仿真
图10智能抢答器总电路图
图11智能抢答器总电路仿真图
第4章硬件调试过程及解决方法
这次设计的抢答器电路图简单，很多芯片的逻辑功能也都很清楚所以在调试时可以前判断该电路会是怎样的结果，对于这个抢答器,它涉及的大多都是数字电路的问题.所需要调试的值并不多.首先将各个模块连接到一起后,注意检查各个部分是否连接正确,还得仔细地看一下所用器件的型号是不是我们要的那种,在确保连接无误的情况下.那就能将整个电路进行防真了。
按动各个按键，看看各管脚的电平变化是不是正确的，同时观察各个集成器件的各个管脚的电平变化情况，以及数码显示器的显示是否正确.如有不正确的就将其逐个问题解决了再进行后面的调试，直到所有问题都解决了为止。
1.当连接好所有电路后，我们小组几个人一起，让一个人当主持人，另外几个当选手进行试验。
首先主持人断开控制开关，宣布抢答开始，当有选手抢答时,数码管会显示该选手的编号，并且倒计时停止。
2.另外也测试了当主持人合拢抢答开关时，看能否抢答。
结果和预测的一样是不能抢答的。
3.电路跳线较多，使得电路板外观不好。
改良：
焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接。
4.此抢答器设计是按要求一步一步完成的，因此主要功能有两个：
⑴抢答器的抢答功能，它能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者信息
用声、光指示。
具有倒计时功能，这样可以加强现场气氛，增加紧迫感。
若预定时间无，
倒计时器的显示为0，并且指示灯亮起，提示选手不能抢答。
第5章总结
通过此次数字电子技术的课程设计，我加深了对各种数字电路的理解，增强了各种集成路基电路和基本逻辑门电路的运用，学会了如何把实际问题用数字语言表达并加以解决。
在这次四人抢答器电路的设计中，遇到了各种困难，例如在抢答成功后，数码管没有正确显示抢答者的编号，选手犯规时，报警器工作故障，等等。
通过多次调试和改进电路，最终使整个电路能够顺利运行。
总的来说，这一次课程设计顺利完成，为我以后的专业课学习巩固了实践基础。
参考文献
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