数字抢答器的设计研究.docx
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数字抢答器的设计研究
天津冶金职业技术学院
毕业课题
数字抢答器的研究、设计
姓名 冯燕慧
系别电气工程系
班级电气07-1
专业电气自动化
指导教师姜桦
2010年4月25号
摘要
随着科学技术的不断发展，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较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。
做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,因此设计了本抢答器。
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；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。
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。
关键字：
抢答电路定时电路报警电路时序控制
摘要……………………………………………………………………Ⅰ
1绪论……………………………………………………………………II
１.１课题研究的相关背景……………………………………………１
１.２选题的目的和意义………………………………………………1
１.３课题研究的内容…………………………………………………1
１.４国内外研究现状…………………………………………………2
１.５抢答器目前存在的主要问题……………………………………3
２抢答器的系统概述…………………………………………………4
２.１抢答器的系统功能简介…………………………………………4
２.２抢答器的工作原理简介…………………………………………4
２.３抢答器系统的需求分析…………………………………………5
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。
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。
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。
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"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主持人再次操作"清除"和"开始"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"抢答开始"进入下次抢答计时。
4、如果主持人未按"抢答开始"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"停止"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
0
1
2
3
4
5
6
7
A2
A1
A0
GS
EO
H
X
X
X
X
X
X
X
X
H
H
H
H
H
L
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
L
L
X
X
X
X
X
X
X
L
L
L
L
L
H
L
X
X
X
X
X
X
L
H
L
L
H
L
H
L
X
X
X
X
X
L
H
H
L
H
L
L
H
L
X
X
X
X
L
H
H
H
L
H
H
L
H
L
X
X
X
L
H
H
H
H
H
L
L
L
H
L
X
X
L
H
H
H
H
H
H
L
H
L
H
L
X
L
H
H
H
H
H
H
H
H
L
L
H
L
L
H
H
H
H
H
H
H
H
H
L
L
H
表3-174LS148真值表
图3-374LS148逻辑图
Inputs
Outputs
H
Ｈ
Ｑ０
Ｌ
Ｈ
H
Ｈ
Ｌ
L
Ｌ
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
简易逻辑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；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。
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。
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。
工作过程：
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"开始"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"清除"位置拨到"开始"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"定时到信号"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
Inputs
Outputs
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
L
L
L
L
H
H
H
H
H
H
H
L
1
H
X
L
L
L
H
H
L
H
H
L
L
L
L
2
H
X
L
L
H
L
H
H
H
L
H
H
L
H
3
H
X
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L
H
H
H
H
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H
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L
H
4
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X
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L
L
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L
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H
L
L
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H
5
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X
L
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L
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H
H
L
H
H
L
H
H
6
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X
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H
L
H
L
L
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H
H
H
H
7
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X
L
H
H
H
H
H
H
H
L
L
L
L
8
H
X
H
L
L
L
H
H
H
H
H
H
H
H
9
H
X
H
L
L
H
H
H
H
H
L
L
L
L
10
H
X
H
L
H
L
H
L
L
L
H
H
L
H
11
H
X
H
L
H
H
H
L
L
H
H
L
L
H
12
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X
H
H
L
L
H
L
H
L
L
L
H
H
13
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X
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L
H
H
H
L
L
H
L
H
H
14
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X
H
H
H
L
H
L
L
L
H
H
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