八路抢答器.docx

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八路抢答器

八路抢答器的设计

本文介绍了一种采用数字电路制作的多功能数显抢答器，它主要采用了74系列的常用集成电路，它除了具有基本的抢答功能之外，还具有定时报警的功能，和数显的功能，当抢答开始后，系统会自动倒计时，并且时间是可以预设的，期间有人抢答的话系统会停止计时，如果期间没人抢答，系统会有短暂的报警，提示抢答结束

一、设计目的

在电视和学校中我们会经常看到一些智力抢答的节目，如果要是让抢答者用举手等方法，主持人很容易误判，会造成抢答的不公平，比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者。

为了使这种不公平不发生，只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。

二、方案

制作抢答器可以用好多的方法，可以用单片机来完成，它的功能强大制作简单，并且外围的元件也很少；也可以用PLC来实现，他的制作也是比较简单；还可以用我们学过的EDA技术来制作；最后也可以用数字电路来实现，它的原理比较简单，集成块的价格也比较便宜且很容易购买，与我们学完的〈〈数字电路〉〉联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义，用了一些成型电路，如NE555标准秒脉冲电路等，使总体方案易于实现。

方案一〈采用数字电路〉

1、原理方框图

定时抢答器的总体框图如图1所示，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。

扩展电路完成定时抢答的功能。

图1所示的定时抢答器的工作过程是：

接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。

当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。

当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：

①优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；②扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；

③控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；

④控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。

当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

方案二〈采用单片机〉

1、原理方框图

此电路完成的功能如图2所示，当主持人宣布抢答开始的时候，按下开始按钮，此时电路进入抢答状态，选手的输入采用了扫描式的输入，之后把相应的信息送往单片机，再由单片机输出到显示输出电路中。

此时有人第一按下相应的抢答按钮，经过单片机的控制选择，在八段显示器上显示相应的号码，并锁存，同时禁止其他按钮的输入。

方案三〈采用PLC〉

1、原理方框图

此电路的功能如图3所示，当主持人打开启动开关后，在设定时间TO内，如果某组抢先按下抢答按钮，则驱动音效电路①发出声响，指示灯LI亮，并且在8段数码管显示器上显示出抢答成功的组号，此时电路实现互锁，其他组再按下抢答按钮为无效;

如果在时间TO内，无人应答，则驱动音效电路②发出声响，指示灯L2亮，表示抢答者均放弃该题;

在抢答成功后，主持人打开限时开关SW2，启动计时器，在设定的时间TI内回答有效，当到达设定时间TI时，驱动音效电路③，指示灯L3亮，表示答题时间到。

（图3）

三、方案选择

方案比较

数字电路

单片机

PLC

制作难度

低

一般

一般

实现难度

一般

低

低

价格

低

一般

高

电路原理

简单

一般

一般

设计难度

简单

高

一般

通过上面的方案比较，数字电路的制作方案比较容易实现，并且在原理方面也是比较简单，所以我选择采用第一种方案来完成抢答器电路。

四、设计系统功能

1.基本功能：

（1）同时供8名选手比赛，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，扬声器发出声响提示，并在七段数码管上显示选手号码。

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。

2.扩展功能：

（1）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。

（2）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。

在这段（3）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。

五、各部分单元电路的设计

（1）抢答器的主体电路设计

抢答电路的功能有两个：

一是能分辨出选手按键的先后，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。

选用优先编码器74148和DFF锁存器可以完成上述功能，其电路组成如图4所示。

其工作原理是：

当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的端为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。

于是74LS48的=0，显示器灭灯；74148的选通输入端=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。

当主持人开关拨到“开始”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7...0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LSl48的输出=010，=0，经RS锁存器后，CTR=l，=1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。

此外，CTR=1，使74l48的端为高电平，74LSl48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，74LSl48的为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LSl48仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。

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，由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

（图474LS148为8线－3线优先编码器，表1为其功能表。

表174LS148的功能真值表

（2）定时电路设计

原理及设计：

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。

具体电路如图5所示。

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。

74192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，如果要设置为30S，就可以在计数器的预置数控制端输入00110000。

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。

具体电路如图5所示。

（图5）

秒脉冲产生电路：

秒脉冲由NE555提供，它的的3端输出的脉冲的频率为

，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R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得，即秒脉冲。

（3）报警电路的设计

采用555定时器和三极管构成的报警电路如图6所示。

其中555构成多谐振荡器，振荡频率

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，当PR为低电平的时候，电路停振。

（图6）

（4）时序控制电路设计

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（即图二中的5端）。

图7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，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。

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。

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，此次抢答结束。

（图7）

集成单稳态触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间（其功能表见表2）,具体原理如下：

主要由555时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。

单稳态触发器74121通过信号/Ys、BO2、S控制报警与否和报警时间，555时钟电路产生脉冲时钟。

在规定的时间有人抢答时，/Ys由1跳变到0，74121有状态2，即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为=2.15秒；如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态1，Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为

结合图6所示报警电路，分析计算如下：

。

取C＝100uF,R=25K,。

有＝2.15秒。

（原理图见图8）

（图8）

表274121功能表

（6）电源电路

电源电路采用三端集成线性稳压集成块，L7805CV，因为它的外围电路比较简单，并且工作比较稳定，很适合74系列的集成块。

它的稳压精度为2%，工作电流1.5A，封装为TO-220（A），工作温度也很不错，并且具有过温保护和短路保护，最大输入电压为35V，能对电路的长时间工作有很大的保障。

（具体电路见图9）

（图9）

六、总结

毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。

下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结。

第一，接到任务以后进行选题。

选题是毕业设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个毕业设计是否能够顺利进行关系极大。

好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。

否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。

因此，选；题时一定要考虑好了。

第二，题目确定后就是找资料了。

查资料是做毕业设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。

总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。

第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。

第四，有了研究方向，就应该动手实现了。

其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。

通过这次设计，我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新嘛，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。

在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

在此要感谢我的指导老师，感谢老师给我这样的机会锻炼。

在整个毕业设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。

虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

一次课程设计.我们要求设计八路智力抢答器.下面的是我的课程设计的实验报告.希望可以对有些人有帮助..!

八路智力竞赛抢答器的设计与制作

一．  设计任务与要求

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。

二、设计原理与参考电路

1．数字抢答器总体方框图

   如图所示为总体方框图。

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；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"清除"和"开始"状态开关。

2．单元电路设计

本抢答器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，有结构简单、成本低、制作方便的优点。

实用可靠、成本极低，十分适合学校教学使用。

设计原理图：

原理图见上图所示，ＣＤ４５１１为常用的四－七段ＢＣＤ译码器，其ＬＴ为试灯脚；ＢＩ为消隐（灭灯）脚，ＬＴ和ＢＩ接高电平（电源）；ＬＥ端为选通脚，开始抢答前ＬＥ接低电平。

{1}、{2}、{6}、{7}脚为ＢＣＤ码输入端，{9}～{15}脚为七个输出端，直接驱动数码二极管显示器，接通电源开关Ｋ，数码管显示“０”。

CD4511真值表如下：

3．锁存电路与7段显示译码器

                                     74LS30引脚图

Ｓ0～Ｓ7为8个抢答按键，ＣＤ４５１１是ＢＣＤ码７段译码器。

74LS30是８输入与非门.初始状态下，ＣＤ４５１１驱动ＬＥＤ数码管显示０，即ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ这六个笔画为１，仅ｇ笔画为０，现将ｇ笔画信号用三极管9013反相，这样，在初始状态下，74LS30的８个输入端便全为１，其输出为０，使７段译码器ＣＤ４５１１处在译码状态，这时按键信号可以输入。

又因显示除０以外的其他数字时，a～ｇ这７个图画信号至少有一个是０，使74LS30输出１，相应地，７段译码器ＣＤ４５１１处于锁存状态。

所以当某一按键按下时，74LS30就输出锁存信号１，使７段译码器ＣＤ４５１１将已键入的数字锁存显示。

这样，后按下的键就不起作用了，数码管就只显示最先按下的键号，起到了抢答的作用。

Ｒ３和Ｃ１组成积分电路对锁存信号作短暂的延时，其作用是让数字电路有足够的响应时间，使锁存稳定，以免显示乱码。

Ｓ8为复位键，该键在主持人喊“开始”前按下，按下后数码管显示０。

4.数码管引脚图

5．所需的实验器材：

a.实验电路面包板一块

b.CD4511、74LS30、共阴译码管各1只

c.二极管9只、开关9只、0.01uf电容1只、9013三极管1只

d.100K电阻4只、10K电阻2只、2K电阻1只

三．一些错误

1．显示器上不显示数字，我们从后级往前级进行测试，首先用1.5～2V的电压作用各个笔段,看对应各笔段是否亮,判断是否完好。

若完好则继续检测CD4511芯片是否完好。

在CD4511的A、B、C、D四个输入端随意输入一组二进制数码（用高低电平表示1和0，此处注意要用到8V以上的电源电压），看是否能显示数字。

无显示的故障一般问题出在这两个环节。

2．若显示器上显示的是不符合要求的数字，在设计原理正确的前提下，首先通过测试判断CD4511的输出a～g与LED管的a～g笔段是否连接有错。

其方法是CD4511的输出a～g分别按规律输入高低电平，观察LED管是否显示相应的数字。

如果这个环节正常，则问题在二极管编码电路，再逐一进行检查。

3．如果不能锁存，或是锁存不了1和7，则问题在锁存电路，应该从原理上进行分析。

锁存电路的设计原理是：

启用CD4511的锁存功能端LE，高电平有效，即输入高电平时执行锁存功能。

锁存器应能锁定第一个抢答信号，并拒绝后面抢答信号的干扰。

如何设计呢，我们对0～9十个数字的显示笔段进行分析，只有0数字的d笔段亮与g笔段灭，其它数字至少有一点不成立。

由此可以区分0与其它数字。

我们将LED管的a笔段与g笔段的输入信号反馈到锁存电路，通过锁存电路控制锁存端LE输入为0或1（锁存与否）。

当LED显示器显示为0时，LE=0，CD4511译码芯片不锁存；当LED显示器显示其它数字时，LE=1，芯片锁存。

这样只要显示器上显示为0，CD4511译码芯片才不锁定，显示其它数字均锁存。

所以只要有选手按了按键，显示器上一定是显示1～8的数字，LE=1芯片锁存，之后任何其他选手再按下按键均不起作用。

例如SB1键先按下，显示器上显示1，LE=1芯片锁存，其他选手再按SB2～SB8，显示器上仍显示1，SB1按下之后的任一按键信号均不显示。

直到主持人按清零键SB9，显示器上又显示0，LE=0，锁存功能解除，又开始新一轮的抢答。

若所有的数字都不能锁存，说明不管LED显示什么数字，CD4511管脚的5脚输入为电平，可能是5脚与地短接或者是锁存电路的两个二极管VD13和VD14断开等故障；若只有1和7两个数字不显示则可以分析一下其原因：

显示1和7数字时g段不亮，CD4511的g输出端为低电平，VD14截止，而b段亮d段不亮本应该三极管VT截止而使VT13导通，产生高电平（锁存信号）给LE，现在不能锁存说明VD13截止，推断是三极管击穿损坏。

4．在测试的过程中我们一定要注意，高低电平的测试电压数值要针对不同的电路而选取不同的数值。

比如，针对LED管，高电平只能用1.5～2V,而在CD4511的输入端高电平要用到8V以上的电源电压。

选高了，会烧管子；选低了，会看不到效果，甚至产生误判断。

   5.判断PNP型和MPN型晶体管：

用万用表的R×1k（或者R×100）档。

用黑表笔接晶体管的某一个管脚，用红表笔分别接其它两脚。

如果表　　　针指示的两个阻值都很大，那么黑表笔接晶体管的某一个管脚，用红表笔接其它两脚。

如果表针指示的两个阻值都很大，那么黑表笔所　　　接的那一个管脚是PNP型的基极，如果表针指示的两个阻值都很小，那么黑表笔所接的那个一个管脚是NPN型的基极；如果表针指示的阻　　　值一个很大，一个很小，那么黑表笔所接的那一个管脚不是基极。

这就要另换一个管脚来试。

以上方法，不但可以判断基极，而且可以　　　判断是PNP型还是NPN型晶体管。

　　判断基极后就可以进一步判断集电极和发射极。

先假定一个管脚是集电极，另一个管脚是发射极。

然后反过来，把原先假定的管脚对调一下，再估测β值，其中，β值大的那次的假定是对的。

这样就把集电极个发射极也判断出来了。

四.遇到的困难及解决的方法:

1.我们这次做的八路抢答器是安装在面包板上的。

在安装电路之前要仔细的检查一下面包板的导通状态。

也许在面包板的插孔里面留下硬线的铁丝。

或有的2个孔之间不能导通的倒通了。

在安装元件之前都要把这些问题排除掉。

要不然在调试的时候很难找到问题的出错点。

2.在安装的时候要小心不要把二极管的正反接错了。

要不然在数码管就不能显示正常的数字。

有时候连数码管都不亮。

3.在安装开关的时候要注意4脚开关的脚的导通状态。

在接导线的脚和接二极管的脚之间不能让他们短路。

要不然开关就起不到开关的作用了。

相当于导线。

在设计中还有一只三极管，同样也要正确的判断它们3只脚的b，c，e，如果出错了，则74LS30的锁存功能将遭到破坏。

4.在布线的时候也要注意，铁丝不能插的太深，也不能搭高架桥似的，因为这些细节的出错往往很难找到错的原因。