抢答器课程设计说明书正文样件222222222222.docx
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抢答器课程设计说明书正文样件222222222222
目录
1前言1
2总体方案设计2
2.1方案的设计2
2.2方案的论证2
2.2方案的选择3
3单元模块设计4
3.1抢答电路设计4
3.2定时时间电路功能介绍9
3.3控制电路和报警电路10
3.4振荡电路11
3.5计分电路12
4系统调试14
4.1抢答电路仿真14
4.2计时电路仿真14
4.3计分电路仿真14
4.4总体电路仿真14
5系统功能、指标参数15
5.1主要功能介绍15
5.2扩展功能介绍15
5.3电路参数的计算15
6设计总结16
7参考文献17
附录18
1前言
进入21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、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。
过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，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。
人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。
因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。
今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。
但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求时就无法实现，例如参赛人数的增加。
随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。
而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。
2总体方案设计
2.1方案的设计
根据对功能要求的简要分析，将定时抢答器电路分为主题电路和扩展电路两部分。
主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答器按钮时，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及报警功能。
比赛开始时，接通电源，节目主持人将开关置于“清零”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器上显示设定时间。
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，抢答器处于工作状态，定时器开始倒计时。
若定时时间到，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。
若选手在定时时间内按动抢答按钮时，抢答器要完成以下四项工作：
1.优先编码器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时，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。
2.2方案论证与选择
2.2.1方案的论证
方案一系统框图如图所示
图2.1八路智力抢答器方案设计框图
方案一所示抢答器工作过程：
该方案是将抢答按钮先直接与锁存器而不是优先编码器相连，将最先抢答的选手的编号锁定，再依次经过优先编码器、译码器和七段显示器，
最后显示的是抢答选手的编号，经过优先编码器后的信号到单稳态触发器，单稳态触发
器又与报警电路直接连接，所以显示编号的同时可以发出报警信号。
另外由主持人控制开关和其他部分电路通过门电路实现对抢答电路、定时电路和报警部分电路的控制。
方案二系统框图如图所示
图2.2八路智力抢答器方案二设计框图
方案二所示抢答器的工作过程：
主持人按动开始抢答的开关后，最先抢答的选手的电平信号先经过优先编码器，再依次经过数据锁存器，此时已经限制了其他选手的抢答，信号再经过译码器和七段数码显示器，将最先抢答的该选手的编号显示出来，并同时产生报警信号，到此完成的是抢答功能；如果没有人抢答，30秒减计数器减到00时也会发出报警信号，此是完成计时功能。
2.2.2方案的选择
相比之下，第二种方案更好些。
它的优点表现在以下几个方面：
这种方案原理比较简单。
主持人对整体电路的控制只需几个门电路就可完成，不必用特别的芯片来组成控制电路；更容易实现报警提示功能，在有选手抢答后或者计时开始和结束时。
既减少了布线使整个电路更直观简单，又降低了产生错误的可能性。
3单元模块设计
3.1抢答电路设计
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，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（图中5号端）＝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（图中4端）=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（图中5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，74LS148的此时由于仍为CTR＝1，使优先编码工作标志端为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”然后才可能进行。
优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279以及译码显示电路完成上述功能，其引脚图及真值表如下图所示。
图3.174LS148引脚图
表3.174LS148真值表
Inputs
Ouputs
E1
0
1
2
3
4
5
6
7
A2
A1
A0
GS
EO
H
L
L
L
L
L
L
L
L
L
X
X
X
X
X
X
X
X
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
L
X
X
X
X
X
X
X
L
L
L
L
L
H
X
X
X
X
X
X
L
H
L
L
H
L
H
X
X
X
X
X
L
H
H
L
H
L
L
H
X
X
X
X
L
H
H
H
L
H
H
L
H
X
X
X
L
H
H
H
H
H
L
L
L
H
X
X
L
H
H
H
H
H
H
L
H
L
H
X
L
H
H
H
H
H
H
H
H
L
L
H
L
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
L
H
74LS148是一八线-三线优先编码器，该编码器由8个信号输入端，3个二进制输出端，输入输出均为低电平有效。
EI为输入使能端，低电平有效，当EI为低电平时，编码器处于工作状态；EO为输出使能端，只有在EI=0，且所有输入都为1时，输出为0；GS表征编码器的工作状态，当且仅当EI为低电平，且输入至少有一各为有效电平时，GS才有效。
因此，可根据EI、EO、GS功能扩展端的特点，对电路进行相应控制。
编码器在抢答电路中功能是判断抢答者的编号。
图3.274LS279引脚图
74LS279是由4个RS锁存器组成，且均为与非门构成的RS锁存器。
其中，1S和3S有两个输入端，S1和S2均为相与的关系。
本设计中，将S2均接高电平，仅利用S1控制输出。
其引脚图如图四所示，下表为SR锁存器的功能真值表，值得注意的是S和R不能同时为高电平，否则输出不确定。
表3.274LS279真值表
Inputs
Outputs
S
（1）
R
Q
L
L
H*
L
H
H
H
L
L
H
H
Q
74LS48为七段显示译码器。
该集成译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。
BI/RBO为灭灯输入，当BI=0时，所有字形熄灭。
LT为试灯输入，当LT=0且RBO=1时，显示字形为8，常用于检测自身的好坏。
RBI为动态灭灯输入，当LT=1，RBI=0且输入均为0时，输出均为低电平，数码管“灭零”。
其引脚图和逻辑图分别如图3.3和图3.4所示，真值表如表3.3所示。
图3.374LS48的引脚图图3.474L48的逻辑图
表3.374LS48的真值表
Decimalor
Function
Inputs
Outputs
LT
RBI
A3
A2
A1
A0
BI/RBO
a
b
c
d
e
f
g
0（Note1）
H
H
L
L
L
L
H
H
H
H
H
H
H
L
1（Note2）
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
L
L
H
H
H
H
H
H
H
H
L
H
4
H
X
L
H
L
L
H
L
H
H
L
L
H
H
5
H
X
L
H
L
H
H
H
L
H
H
L
H
H
6
H
X
L
H
H
L
H
L
L
H
H
H
H
H
7
H
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
H
H
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
H
X
H
H
L
L
H
L
H
L
L
L
H
H
13
H
X
H
H
L
H
H
H
L
L
H
L
H
H
14
H
X
H
H
H
L
H
L
L
L
H
H
H
H
15
H
X
H
H
H
H
H
L
L
L
L
L
L
L
BI（Note2）
X
X
X
X
X
X
L
L
L
L
L
L
L
L
RBI（Note3）
H
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
LT（Note4）
L
X
X
X
X
X
H
H
H
H
H
H
H
H
由真值表可以看出译码器74LS48输出高电平有效，用以驱动共阴极数码管。
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，如图7所示。
共阴极数码显示器的功能表如表3.4所示。
图3.574LS48产生的显示数字
图3.67448组成的四个输入端的数码显示组合电路
表3.4共阴极数码显示器的功能表
十进制
A3
A2
A1
A0
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
根据各芯片功能及抢答器的功能要求，抢答器电路如下所示
图3.7抢答电路
3.2定时时间电路功能介绍
原理及设计：
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。
具体电路如图3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。
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DPY_7-SEG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。
图3.8定时电路
设计中选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，74LS192是具有置数和清零功能，其引脚图和逻辑图如图3.9所示
。
图3.974LS192引脚图和逻辑
3.3控制电路和报警电路
由555芯片构成多谐振荡电路,555的输出信号再经三极管放大,从而推动扬声器发声。
控制电路包括时序和报警两个电路,如图所示。
控制电路需具有以下几个功能。
主持人闭合开关扬声器发声,多路抢答器电路和计时电路进入正常状态;参赛者
按键时,扬声器发声,抢答电路和计时电路停止工作。
抢答时间到,无人抢答,扬声器发声,抢答电路和计时电路停止工作
由功能表可以看出，要使电路实现倒计时（减法）功能，应使CR=0，PE非=1，CP+=1，CP-=CP。
可用CR端接电平开关来控制计时器的工作与否。
声响显示电路需要在两种情况下做出反应：
一种是当有参赛者按下抢答开关时，相应电路的发光二极管亮，同时推动输出级的蜂鸣器发出声响；第二种情况是当裁判员给出“请回答”指令后，计时器开始倒计时，若回答问题时间到达限定的时间，蜂鸣器发出声响。
声响电路由两部分组成：
一是由门电路组成的控制电路，二是三极管驱动电路。
门控电路主要由或门组成，它的两个输入，一个来自抢答电路各触发器输出Q非的与非，他说明只要有一Q非为低电平，就使该与非门输出为高电平通过或门电路驱动蜂鸣发生器；另一个来自计时系统高位计数器的借位信号QB，它说明计时电路在30秒向29秒，28秒，……2秒，1秒，0秒倒计时再向30秒转化时向高位借位时给出一个负脉冲经反相器得到一个高电平。
这个高电平信号也能使蜂鸣器发声。
图3.10报警电路
图3.11时序控制
3.4震荡电路
本系统需要产生三种频率的脉冲信号，一种是频率为1KHZ的脉冲信号，用于声响电路；一种是频率为500KHZ的脉冲信号，用于触发器的CP信号。
第三中频率为1HZ信号用于计时电路。
以上电路可用555定时器组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频得到。
图3.14振荡电路
3.5计分电
某组回答问题结束后,主持人做出正确与错误的判断,并宣布所加减的分数值,根据计分值的多少，按相应的按键。
加分值小于10时按个位计分键,在10～100分之间按十位计分键。
减分时只要同时按住计、减分键即可。
记分电路可实现自动进位。
在按个、十位键时,分别给IC7～IC9的CLK端一个上升沿脉冲,通过计数器CC4029编码后在Q0～Q3端输出相应的“8421”编码,作为BCD27段锁存译码器CC4543的输入,CC4543把“8421”编码译成对应于数码管的七字段信号,驱动数码管IC1～IC3显示出相应的十进制数码。
图3.15计分电路仿真
4系统调试与仿真
电路仿真采用Protues仿真软件进行的。
Protues软件可提供的仿真元器件资源：
仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件；可提供的仿真仪表资源：
示波器、逻辑分析仪信号发生器、交直流电压表电流表等。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
因此，选用该软件对抢答器各单元电路及整体电路进行仿真。
4.1抢答电路仿真
图4.1抢答电路仿真
4.2计时电路仿真
图4.2计时电路仿真
4.3计分电路仿真
图4.3计分电路仿真
4.4总体电路仿真
5系统功能
5.1主要功能介绍
抢答器最多可供8名选手参赛，编号为1~8号，各队分别用一个按钮（分别为S1~S8）控制，并设置一个系统清零和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
抢答器具有数据锁存功能,并将锁存数据用LED数码管显示出来，同时蜂鸣器发出间歇式声响（持续时间为0.5秒），主持人清零后，声音提示停止。
开关S作为清零及抢答控制开关（由主持人控制），当开关S被按下时抢答电路清零，松开后则允许抢答。
输入抢答信号由抢答按钮开关S1~S8实现。
有抢答信号输入（开关S1~S8中的任意一个开关被按下）时，并显示出相对应的组别号码。
此时再按其他任何一个抢答器开关均无效，指示灯依旧“保持”第一个开关按下时所对应的状态不变。
5.2扩展功能介绍
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30秒）。
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0.5秒左右。
参加选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示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。
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。
当选手抢答完后，主持人可根据相关题的加减分对选手进行加分或减分。
5.3电路参数的计算
发声延迟0.5秒，fo＝1．43／［（R
＋2R
）C］，权衡考虑到元器件的成本和74LS121的相关性质，最终选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF。
6设计总结
经过这次课程设计的学习，我确实学习了很多知识，真正的感受到了理论联系实际的重要性，以及这之间莫大区别，到最后看着自己的结果心里还是感到很欣慰的。
首先摆在我们面前的是要先弄懂所要设计电路的原理，于是最开始我们在拿到题目之后就查找了大量的相关的资料，再加上平时理论课的学习以及充分利用了网络资源和在图书馆借了相关的书籍资料，在仔细分析了这个题目所要达到的目的之后，我们初步确定了原理图。
接下来的是单元电路的设计，以及进一步的分析其原理，实现哪些功能需要哪些电路，在此之间我们用到了以前没有用到过的芯片，但最终我们还是弄清楚了其原理。
经过几天的与大家的一起讨论，做种确定好了符合要求的电路。
看似很复杂的电路就这样被我们攻克了。
这次课程设，给我留下了很深的印象。
由于接触不多，开始学得很费力，但到后来就好了。
在以后的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是问别人，因为每个人掌握情况不一样，不可能做到处处都懂，发挥群众的力量，复杂的事情就会变得很简单。
这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就已遇到，向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。
通过这次课程设计，我明白了学会与大家合作的重要性，因为从开始到最后，都是大家一起出主意，一起来解决中间出现的各种问题。
从原理图的最终确定，这都是大家分工合作的结果，正是因为大家相互配合，才使我们很快的完成了任务。
经过这些天的学习我深刻的体会到实际与理论有很大的区别。
在我们学习的过程中不仅考验了我们对知识的吸收和掌握，而且也考验了我们的细心和耐心。
经完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了数电的知识及相关专业知识，还提高了自己的设计能力。
实践是检验真理的唯一标准。
理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。
这将有助于我今后更加明确学习的方向，可认识到自己的不足，确定自己的目标，从而更加努力的学习。
只有这样我们才能真正的去掌握它，真正的去运用它。
。
虽然只是初步学会了数字抢答器的设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，因为我有学到了课本以外的很多知识，还锻炼了自己的能力。
作为一个通信工程专业的学生，我深刻体会到课程设计的重要性。
我以后会更加注重这方面能力的培养，在学习好理论知识的同时加强时间能力。
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