1、 数字智力竞赛抢答器的设计1 实习目的及要求1.1 课题背景及目的在现在科技进步的世界里,无论工厂、学校和电视台所举办的节目都可能会有各种智力竞赛,当遇到抢答环节时,如果要求主持人自己去用肉眼观察那一个选手抢答的速度最快无疑会对比赛结果造成很大的影响,使比赛失去了公平和公正性,这时候我们想到了抢答记分器是必要设备，我中学参加过各种竞赛,我们经常遇到有抢答的环节，由于条件有限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，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，为了使避免这种不公平发生，只有靠电子产品的高准确性
2、来保障抢答的公平性。本次实习是设计一种采用数字电路制作的可定时的八路数显抢答器，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，和数显的功能以及不同分值加减计分功能。当抢答未开始时，有人在主持人开始前按下开关，系统就会亮灯提示有人犯规，并显示齐序号。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。1.2 设计任务及系统功能简介1.2.1 实习内容本次实习的内容是独立完成一个数字智力竞赛抢答器的设计，采用电路仿真设计软件完成竞赛抢答器电路的设计及仿真调试，在微机上仿真
3、实现数字式竞赛抢答器的设计。实习具体内容为：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枪答者。同时还应设计记分、犯规和奖惩记录等多种功能，见图1。抢答开关清零命令主持人组别显示(数码管)组别显示(LED)窄脉冲形成组别锁定组别信号鉴别稳压电源图1 数字智力竞赛抢答器(自动记分)原理定时器犯规电路音频信号发生器预置记分电路加分(主持人)减分(主持人)预置记分电路 1.2.2 实习要求(1) 抢答器可供四组使用，组别键(信)号可以锁存；抢答指示用发光二极管(LED)。(2) 记分部分独立(不受组别信号控制)，至少用2位二组数码管指示，
4、步进有10分、 5分两种选择，并且具有预置、递增、递减功能。(3) 要求性能可靠、操作简便。2原理与电路设计2.1 数字抢答器总体方框图如图2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，犯规提前抢答在主持人开始后显示犯规选手编号，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，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，如图2所示。
5、图2 设计框图2.2 单元电路设计2.2.1 抢答器电路原理图如下：抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的的先后，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74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如图3所示： 图3 74LS148的原理图 其工作原理是：当主持人控制开关处于“清零”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q1Q）全部为低电平。于是74LS48的BI=0，显示器灭灯4LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人将开关拨到开始位置时，优先编码电路和锁存电路同
6、时处于工作状态，既抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，此时74LS279处于工作状态，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的ST端为高电平，74LS148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，74LS148的YEX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，其它按键的输入信号仍不会被接受。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准
7、确性。当优先抢答者回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。图4 74LS148引脚图表1 74LS148的功能真值表用与非门RS触发器四种基本工作状态：对于用与非门构成SR触发器有：当S、R都无效时，次态与现态保持一致，即具有保持功能（注：低电平有效，所以这里S和R均为S非与R非）；当S和R都效时，此时，次态则会出现不定状态，所以具有不定的特性；当在S和R中，S有效则次态会置1，所以此时具有置1的特性；当在S和R中，R有效则次态置0，此时具有置0的特性。图5 RS触发器原理图2.2.2 定时器电路原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减
8、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6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，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，BI/RBO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。下
9、面结合图7具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。结合图7，图中电容C的放电时间和充电时间分别为 ，于是从NE333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R3=15K，R4=68K，C=10uF，代入到上式中即得，即秒脉冲。图6 可预置时间的定时电路表2 555定时器功能表Rui1ui2uOT的工作状态00导通11截止1从1截止10导通1从变化到0导通图7 标准秒脉冲产生电路2.2.3 报警器电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图8示。其中NE555构成多谐振荡器，振荡频率1.43（R52R6）C3 （2-1）T=1/ （2-2）其输出信号经三极
10、管推动扬声器。PR为时序控制电路输出的控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。图8 报警电路2.2.4 时序控制电路时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下两项功能：（1）主持人在开始前，有人抢答，则提示犯规，数码管锁存犯规选手编号。（2）主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态，扬声器发出开始抢答信号。（3）当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器自动报警，表示此次抢答无效。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3）,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
11、制电路组成。单稳态触发器74121通过信号BI、BO、Z控制报警与否和报警时间，555时钟电路产生脉冲时钟。图6中，4、5脚接与门，在规定的时间有人抢答时，BI由1跳变到0，74121有状态2（见表3状态编码），即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为=4.3秒；如果在规定时间内无人抢答，BO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8所示报警电路，分析计算如下： （2-3）取100uF, =51K,。有4.3秒。图9 时序控制电路表3 74121功能表输入输出状态编码A1A2BQ/QLdHLHdLHLHddLLHHHdLHHH暂态高电平暂
12、态低电平1HH暂态高电平暂态低电平2H暂态高电平暂态低电平Ld暂态高电平暂态低电平3 调试与仿真3.1电路的调试3.1.1 单元电路调试（1）抢答器电路把主持人的控制开关设置为“准备”位置，用万用表检查RS触发器的端为低电平，输出端（4Q1Q）全部为低电平。于是74LS48的4端/BI/RBO=0，显示器灭灯；74LS148的5端/ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。然后把主持人的控制开关拨到“开始”位置，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，给8路抢答端口给上低电平的输入信号，如当有选手将抢答按键按下时（如按下），74LS148的输出=010，=0，经RS锁存器后，7
13、4279的输出1Q,即CTR=1，/BI/RBO =1，74LS279处于工作状态，输出端4Q3Q2Q=101，=0，经RS锁存器后，出“5”。此外，CTR=1，使74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。（2）定时器电路用示波器检查555的输出波形是否为1Hz的方波信号，对555的外围电路进行调整达到要求为止。给74LS192的数据输入端设定一次抢答的时间，如35秒（00110101）的八位数据。观察显示器的显示时间是否进行减计数。有问题按原理进行修改。（3）时序控制及报警电路主持人在开始前，有人抢答，则提示犯规，数码管锁存犯规选手编号。主持人将控制开关拨到“开始”位置
14、时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态，扬声器发出开始抢答信号当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器自动报警，表示此次抢答无效。 3.1.2 整体电路调试（1）开始时，主持人将控制开关接地，抢答电路部分锁存器74LS279的状态输出全为0，74LS48的灭灯输入与锁存器74LS279的Q1相接，故抢答电路无显示（清除）；与此同时，在计时电路部分，减法计数器74LS192的预置数端为0，将事先的预置数送入减法计数器中。当主持人按键弹起时，计数器开始计数工作，抢答开始。（2）在没有人按键且抢答时间没到时，计数器BO2输出为1，74148的5端，即0, 而优先编码器和计数器都正常工作；（3）当在
15、规定时间有人按下抢答按键时，/YEX输出为“0”， CTR=1，/ST=1，优先编码器停止工作，此后选手的抢答无效，电路将按键者的编号显示在LED上；同时，CTR=1，计数部分的计数脉冲=0，计数器停止工作，此时的倒计时时间记录并显示在LED上；74148的/Ys端由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=4.3秒。 （4）如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态2， Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为=4.3 秒；ST=1，抢答电路停止工作，此后的抢答按键无效。3.2 仿真本次实习仿真采用Multisim 13.0
16、软件图10 数字智力竞赛抢答器整体效果图整机电路仿真如图10所示，此刻显示为剩余22秒时，2号选手抢答并显示已抢答，74LS148锁存，报警器亮灯并发出声响，在其之后其他选手抢答无效本次共演示三组：（1）提前抢答犯规，提前抢答犯规，在主持人Z开始后抢答无效。（2）主持人开始后抢答，如图10，锁存2（表示2号选手抢答）。（3）主持人开始后无人抢答或超时，扬声器发出声响，绿灯亮4 心得体会这次的实习，虽然在这个过程中有许多的问题出现，但是有老师们的指导以及和同学之间的交流，我们解决了一些问题。经过这次实习，使得我们在平时学到的数电知识得到了综合的运用，并且将理论知识运用到实践设计中，使自己对理论知
17、识有了更为透彻的认识了解。我深刻体会到自己动手实际操作不仅提高了自己动手能力，还使得自己对已经学过的几种常用集成芯片有了新的更深入的认识和了解，让自己在以后的学习中能将理论上的电路与实际进行最接近的认识和学习。在实习过程中，我真正体会到同学们相互讨论、共同学习、共同进步的学习气氛。实习就是把我们在课堂上所学的理论知识,运用到实际生活中去,使自己所学的理论知识有用武之地。只学不实践,那么所学的就等于零。理论应该与实践相结合。另一方面,实践可为以后找工作打基础。在做事时我们要真心真意的去完成手里的每一件事，不能敷衍了事，那是欺骗别人，也是欺骗自己。多付出一份努力就一定会有多一份的收获，只有真正的付
18、出了、努力了、拼搏了，不管结果是否如人意，我们都会无怨无悔，活着只为对得起自己，无愧于心就好。遇到问题时不要急躁，不要慌张，始终相信会有办法解决的，只要自己肯思考，总有好的方法去解决问题。但是很感谢指导老师们，给我们解答疑惑，也很高兴和同学们一起讨论问题。总体感觉还是比较的兴奋，很有成就感，对比实习之前的想法，现在觉得当初好搞笑，迷茫与懵懂，纠结与困惑，这是每个设计者开始就有的共同问题。正因为自己实际动手操作，才发现原来一切都是可以简单化的。参考文献1、童诗白主编，模拟电子技术基础M（第三版），北京，高教出版社2、阎石主编，数字电子技术基础M（第四版/第五版），北京，高教出版社3、金唯香、谢玉
19、梅主编，电子测试技术M，湖南，湖南大学出版社4、陈大钦主编,电子技术基础实验电子电路实验.设计.仿真M，华科出版社5、高吉祥主编,电子技术基础实验与课程设计M，国防科技大学出版社附录A 整体电路图附录B 元件清单序号编号名称数量备注174LS192十进制可逆计数器5片工作电压5V2NE555单稳态触发器2片工作电压5V374LS48七路显示译码器1片工作电压5V474LS148优先编码器1片工作电压5V574LS279触发器1片工作电压5V674LS121非重触发单稳态触发器1片工作电压5V774S00与非门1片工作电压5V874S11与门(三输入)1片工作电压5V974S05反向器1片工作电压5V109013三极管1个11R3、R4510电阻3只12R268k电阻2只13R115k电阻2只14R6100k电阻1只15R51k电阻2只16R710k电阻10只17C10.1uF2只18C10uF1只19C2100uF1只20Speaker蜂鸣器1只8，6V21SW弹片开关9只22LED发光二极管2只23DPY_7-SEG共阴极七段数码显示管3片第 21 页 共 21 页
