电子技术课程设计
八
路 智 力 抢 答 器
院系: 电气工程与自动化 班级: 姓名: 学号: 指导老师：
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目录
一 引言 …………………………………………………………1
1.1 设计要求 ………………………………………………………………..1 1.2 功能要求 …………………………………………………………………..2 1.3 整体概要 ……………………………………………………………….2
二 方案设计与论证 ……………………………………………3
2.1 方案一 ………………………………………………………………...3 2.2 方案二 ………………………………………………………………...3
三 系统分析与设计 ……………………………………………4
3.1 抢答器电路设计与相关元器 …………………………………………..4 3.2 定时电路设计与相关元件 ………………………………………………………..6 3.3 报警电路设计与相关元器件 ………………………………………………..8 3.4 时序电路与相关元器件 ……………………………………………………………..8 3.5 智力抢答器电路原理图 ……………………………………………………………..9 3.6 元器件清单 ……………………………………………………………………10
四 电路仿真 ………………………… ……………………………...11 五 实物制作 …… ………………………………………………...13 六 元器件清单 ……………………………………………………...16 七 设计总结体会 ……………………………………………...17 八 参考文献 … ………………………………………………...18
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一 引言
智力竞赛是一种生动活泼的教育方式，而抢答就是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。抢答能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们迅速增加一些科学知识和生活常识。但是，在这类比赛中，对于谁先谁后抢答，在何时抢答，如何计算答题时间等等问题，若是仅凭主持人的主观判断，就很容易出现误判。所以，我们就需要一种具备自动锁存，置位，清零等功能智能抢答器来解决这些问题。
1.1、设计要求
（1）设计一个智力抢答器,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1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。
（2）节目主持人设置一个控制开关,用来控制系统的复位和抢答开始.
（3）抢答器具有数据锁存和显示功能.抢答开始后,若有选手按动抢答按钮,编号立即锁存,并在LED数码管上显示出选手的编号,同时扬声器发出声音提示.此外封锁输入电路,禁止其它选手抢答.优先抢答的选手的编号一直保持到主持人将系统复位为止.
1.2、功能要求
（1）抢答器具有定时抢答功能.且一次抢答的时间可由主持人设定.当节目主持人启动”开始”键后,要求定时器立即开始减计时,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消零为止.
（3）如果定时抢答器时间已到,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,时间显示器显示00.
1.3、整体概述
（1）数字抢答器由主体电路与扩张电路组成.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的开关启动报警电路,以上两部分
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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.经过布线,焊接,调试等工作后数字抢答器成型.
（2）抢答器四周有安装孔,可以方便的安装在操作台上,外接抢答按钮接入相应的接线端子,如果需要外接电铃或指示灯,则接入继电器端子,安装完毕后就可以上电了,抢答器的电流输入为5V直流输入.
（3）抢答器通上电后,蜂鸣器响,三个数码管都显示0,按下复位按钮后进入正常工作状态,这时可以设定抢答倒计时间,只要按动10进制编码 按钮分别对时间的十位和个位设定,设定的时间在数码管上实时的显示出来.设定的时间范围为:0~30秒,设定完时间后,就可以按动开始按钮,表示抢答开始,这时蜂鸣器响0.1秒,提示各位选手,抢答已经开始,同时倒计时器开始从设定的时间进行倒计时.
（4）若在抢答时间内有人抢答,则第三个数码管立即显示抢答位号,倒计时间停止倒计时,所用掉的时间就是抢答的时间,同时蜂鸣器响2秒,继电器吸合2秒,表示有人抢答,在这个按键之后按下的按键除了复位键外,其他按键均无效,只有主持人按下复位键后,可以进入下一轮抢答.
（5）若在抢答时间内均无人抢答,则在倒计时器计数到0的时候,第三个数码管显示0,表示无人抢答,蜂鸣器响2秒, ,这时除了复位键外,其他键均无效, 只有主持人按下复位键后,可以进入下一轮抢.
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二 方案设计与论证
2.1、方案一
(1) 本方案定时抢答器的总体框图如下图所示，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。
(2) 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“消除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，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：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；扬声器发出短暂的声响，提醒节目主持人注意；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；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消零为止，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。
抢答电路优先编码器锁存器译码电路显示电路主持人控制开关控制电路报警电路秒脉冲产生电路
定时电路译码电路显示电路图2.1方案一流程图
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2.2方案二
本方案完成的功能如图 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。
抢答输入单片机控制控制输入图2.2方案二流程图
基于以上两种方案做以简要分析，第一种方案电路较为复杂，但无需进行软件设计，直接进行线路的连接就可以运行。第二种方案电路较为简单，需要进行复杂的软件设计，并需要进行很长时间调试，费工费时。说以决定选择第一种方案.
输出锁存显示输出 6
三 系统分析与设计
3.1、抢答器电路设计
（1）抢答电路的功能有两个：一是分辨选手按键的先后，并锁存抢答者的编号，供译码显示电路用；二是是其他选手的按键操作无效。选用优先编码器74LS148和RS锁存器,74LS138,74LS279可完成上述功能。译码电路选用74LS48芯片具体电路如图1所示，其工作原理为：
（2）当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器R为低电平，输出端（4Q~1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0,显示器灭灯；74LS148的选通输入ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存器电路不工作。当主持人开关拨到开“始位”置，优先编码电路和锁存电路同时开始工作，等待输入信号I7，···，I0。当有选手按下键时，74LS148的输出Y2Y1Y0=010,Yex=0。经RS锁存器后，CTR=1,BI=1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101。经过74LS48译码后，显示器显示选手编号。此外，CTR=1，是74LS148的ST为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其他选手按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的Yes为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其他选手的输入不会被接收，保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。抢答完后主持人使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。电路图如图所示:
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图3.1 抢答器电路图
3.2、定时电路设计
首先主持人根据题的难易程度改变74LS192的输入端D3D2D1D0的电平来确定抢答时间（假定为30秒），555构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。抢答开始前主持人闭合开关，74LS192的置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。抢答开始，主持人打开开关，计数器处于计数状态，555产生的秒脉冲与十位74LS192借位输出端（其初始状态为高电平）相与。计数器递减计数至00，十位74LS192借位输出端为低电平，计数器停止工作，产生报警。计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。
图3.2定时器电路图
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该倒计时显示电路由两个74LS192及两个译码器及七段显示器构成,高位片置数1,低位片置数5,down端接555输出的脉冲,从而实现30秒倒计时.
3.3、报警电路设计
由555定时器和三极管构成的报警电路如图所示。555定时器构成多谐振荡器，振荡频率f=1.43/(R1+2R2)C。其输出信号经三极管推动扬声器，PR为高电平时多谐振荡器工作，否则振荡器停振。
图3.3报警电路图
3.4、时序控制电路
抢答器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入正常抢答工作状态。
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
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工作。
图3.4时序控制电路图
3.4、整机电路设计
经过以上分析，我们将各部分电路连接，并加以适当控制，即得到了八位定时抢答器的总体电路图。如图11所示： 其工作原理是：
八位选手编号分别为0、1、2、3、4、5、6、7，对应按钮分别为S0、S1、S2、 S3、S4、S5、S6、S7；
首先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D、C、B、A四个管脚的高低电平来进行（例如要设定时间为60s,就将十位的192的D、C、B、A分别置位为0、１、１、0，而将各位的192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，此高电平分为三路：一路输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为0.5S的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能；另一路输出到74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减 计数；还有一路输出到锁存器的C端；
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若没有选手安东按钮，则74LS373输出全为高电平，74LS148也输出高电平，E0端输出低电平至7448的灭灯输入ＲＩ/ＲＢＯ端，使得信号经7448到显示器 上时无显示；
当任意一路（设1）抢答器按下按钮时，八D锁存器74LS373工作，与输入端相对应的输出端（1）输出高电平，则锁存器输出的八位电平经8～3八位优先编码器74LS148编码输出的A0～A2成为与输入信号相对应的三位二进制码，而74LS148的管脚15（E0）的输出电平由低变高，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（1）。此时，7448的RI/RBO端输出高电平，开关出也输出高电平，二者经过与非门输出低电平，经过与门还是低电平输出到锁存器373的C端，起到所存功能，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，由于74LS148的E0段输出高电平输出到集成单稳态触发器74LS121的输入端，使其产生单个周期为0.5S的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能；
同时，74LS148的GS端输出电平由高变低，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192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；
当选手回答完问题后，主持人将开关置于“清零”的位置，输出低电平，也是分为三路：一路与74148的E0端（高）与非后变为高电平输出到373的使能端C，使得锁存器不再锁存数据，此时，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192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；
若在定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，两片74LS192的借位输出端都输出高电平，二者相与后输出高电平到单稳态触发器74121的B端口，使其产生周期为0.5s的脉冲刺激报警电路发声提示
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图3.5定时器整体电路
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四 电路仿真
4.1抢答电路仿真
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图4.1抢答器电路仿真图
4.2定时电路仿真
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图4.2定时器电路仿真图
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五 实物制作
图5.1实物制作图
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六实物制作元件清单
型 序号 1 名 称 七段译码器 十进制加减计2 3 4 5 数器 555定时器 优先编码器 单稳态触发器 74LS192 CB555 74HC148 74LS121 2 1 1 6 RS锁存器 74LS279 1 7 8 与非门 与非门 74LS20 74LS03 1 1 9 10 反向器 三极管 74LS04 SDG130 1 1 11 电阻 ROHM 1 12 电阻 ROHM 2 13 电阻 ROHM 9 14 电阻 ROHM 2 15 电阻 ROHM 2 1KΩ 68KΩ 10KΩ 15KΩ 100KΩ 每个芯片有6个非门 —— 每个芯片有2个四输入端的与非门 每个芯片有4个2输入端的与非门 —— 号 74LS48 3 2 —— —— —— —— 数量 备 注 —— 17
16 电阻 ROHM 16CE47017 电容 AX 16CE47018 电容 AX 16CE47020 19 19 20 电容 扬声器 开关 共阴极显示器 AX SP10 AZD1169 1 1 1 3 21 抢答按扭 SB 8 22
发光二极管 A694B 2 —— —— 2 0.01uF —— —— —— 1 10uF 3 100uF 510Ω 18
七 设计总结体会：
转眼间两周数字电子课程设计转眼就结束了，通过这次课程设计，我学会了许多课本上学不到的东西，同时也加强了我的动手、思考和解决问题的能力，受益匪浅。
为了弄懂74LS系列芯片的功能，我从图书馆里借来了好几本书，同时也在网上找了资料再到逻辑功能，经过一番努力终于解决啦，还有其它的芯片的功能也要慢慢的去琢磨。而在课程设计过程中，我觉得是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，同时平时课间又没有好好的运用额理解个个元件的功能，而且考试的内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解很多元件的功能，对其在电路中的使用有更多的认识。
从前的学习过程过于浮浅，只是流于表面的理解，而现在要做课程设计，就不得不要求我们对所用到的知识有更深层次的理解。因为课程设计的内容比及书本中的理论知识而言，更接近于现实生活，而理论到实践的转化往往是一个艰难的过程，它犹如一只拦路虎，横更在我们的面前。但是我们毫不畏惧，因为我们相信我们能行。
前几天的主要任务是设计和仿真出主体电路。虽然在设计中会遇到这样那样的问题，有时认为是正确的，而在仿真中却出现了这样那样的问题。比如说在设计好的主电路图要实现南北各灯泡的状态，电路图我认为是对的，而在仿真的是后去出现了问题，就是出现了一个出状态，其它的都是正确的，经过了反复的检查没什么问题，其实没有问题，在实际中就不会出现了这种问题啦，所以有不懂的还是要问老师，那样还节省很多的时间。
电路图接好了，下面就是接线啦，这可是一个比较麻烦的事。首先要测试个芯片是否有问题，电路板有没有问题，以及导线是不是断了。这一系列的工作都是细心的事，容不的半点马虎。在接线的时候要细心和耐心、恒心，这样才能做好事情。
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首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。同时接好了一步电路以后，最为重要的是检查这部分是不是接对了。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。
两周的课程设计已经结束，我将珍藏这段难忘的时光，是她让我让我知道，任何一种小小的成绩后面，也许就隐藏着许许多多不为人的艰辛。
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八 参考文献:
【1】《电子线路设计·实验·测试》 第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社
【2】《新型集成电路的应用——电子技术基础课程设计》梁宗善 主编，华中科技大学出版社 【3】《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社 【4】康华光 编.电子技术基础 数字部分.北京 高等教育出版社,第五版 【5】李士雄，丁康源编.数字集成电子技术教程.北京 高等教育出版社，2003 【6】曹汉房，陈耀奎编.数字技术教程.北京 电子工业出版社，1995
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