智力竞赛抢答器的设计

1、电子信息工程课程设计报告智力竞赛抢答器的设计姓 名：徐洁专 业：电气工程学院电子班 级：电子 102学 号： 3100202238同组人：胡冰、徐顶、刘亮指导教师：高文根起始时间： 2011 年 6 月 13 日 6 月 24 日10 / 20任务书设计题目中文：智力竞赛抢答器英文： : Intellectual Competition Quiz Machine设计功能要求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，

2、扬声器发出声响，同时点亮绿色LED 表示抢答有效，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。如主持人抢答控制开关没有触发出开始抢答信号，有选手提前违规抢答，则扬声器发出声响，同时点亮红色 LED 表示抢答违规，并在LED 数码管上显示违规抢答号码。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。参赛选手在设定的时间内进抢答，抢答有效，如果定时时间已到， 无人抢答， 本次抢答无效， 扬声器发出声响提示， 并禁止抢答，定时显示器自动清零，显示00。5、按电子技术课程设计报告

3、撰写模板提交论文。设计任务内容、1、学习与研究相关的电子技术理论知识，查阅资料，拿出可行的设计方案。2、根据设计方案进行电路设计，完成电路参数计算、元器件选型、绘制电路原理图；电路设计包括：抢答电路设计、定时电路设计、报警电路设计。3、进行电路软件仿真（如： Multisim 11.0、 Proteus、Altium Designer 等） ，制作实物进行调试实验，获得实验数据，验证设计有效性。4、撰写课程设计报告。签名：智力竞赛抢答器的设计摘要日常各类比赛中为了准确、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。本次课程设计通过设计智力竞赛抢答器将理论知

4、识与实践相结合，提高了我们的实际操作和动手能力，更加巩固了所学的理论该抢答器是由 3 个模块电路构成，有抢答电路、定时电路、报警电路，即除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。主持人通过控制开关来控制总电路，若在规定的时间内有人抢答，则 30 秒计时将自动停止。选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，优先抢答的选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。若在规定时间内无人抢答，则系统中的扬声器将发出声响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能，若超过抢答时间则抢答无效。在整个设计过程中，我们都是从各个模块电路做起，参照一些资料书

5、籍上的经典电路，设计好各个电路，再通过仿真软件来测试，最后，做出模块电路的电路板，组装好整个抢答器。 但是， 实物制作中还是出现了一些问题。 实践中需要理论知识的灵活运用，做实物的过程让我们明白了在学习过程中，应活学活用，懂得变通。关键字：抢答器； 555 定时器；译码；报警；目录第一章 设计要求和系统组成1.1 基本要求1.2 系统原理框图第二章 模块电路设计2.1 抢答电路的设计2.2 定时电路的设计2.3 报警电路的设计第三章 实物制作3.1 元器件介绍3.2 电路板的制作与模块电路组装3.3 电路调试结论与展望参考文献附录（元件清单）引言进入 21 世纪越来越来多的电子产品出现在人们的

6、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，其功能在一直趋于完善，不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显

7、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，而且当有更高要求是无法实现， 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，最后完成了智力

8、竞赛抢答器的设计。第1章 设计要求和系统组成1.1基本要求(1)抢答器同时8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S1-S8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DPY_7-SEGb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。(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。(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

9、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。对这些功能要求，我们便开始进行相关的电路设计。由于功能较多，又限于运用模 拟电子技术、数电电子技术的相关知识，不可使用单片机等，因而设计所需芯片较多， 最终我们决定分模块设计电路与制作实物。1.2系统原理工作框图图1-2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，定时器显示设定时间；主持人将开关拨到开始状态，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

10、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"消除"和"开始”状态开关。设计电路图中采用了 74LS148来实现抢答器的选号，数码管显示，采用 了 74LS279芯片实现对号码的优先锁存，采用了 74LS192实现十进制的减法30秒计数， 555芯片构成多谐振荡器通过三极管放大作用，从而用蜂鸣器实现报警信号的输出。第二章模块电路设计2.1 抢答电路的设计1经门T>«®kt打三.U4S。瑞£2 is HUU31mrmnniiwm图2-1如图2-

11、1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，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"消除"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，74LS148的输出经RS锁存后，七段 显示电路74LS48处于工作状态，经译码显示为选手号码。2.2 定时电路的

12、设计定时电路原理及设计：该部分主要由 555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减 计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管及相关电路组成。由 两片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。555芯片完成产生秒脉冲的功能。工作过程为：抢答开始前，74LS192 的置数端为低电位，处于初始状态，数码管显示为30, 5引脚接高电位。抢答开始后，秒脉冲冲推动右边的芯片开始倒记时，同时右边芯片产生的信号做为左边芯片的CP信号推动左边的芯片倒记时，完成十进制的倒记时功能。当有人抢答后1Q的输出为1,经过非门后变为0,

13、通过与门屏蔽了秒信号，停止记时，完成显示抢答时间的功能。当 记到了 30秒时，左边的芯片产生的定时到信号输出为低电位，也屏蔽了秒信号，使得 数码管显示为00。即在规定时间内无选手抢答。图2-22.3 报警电路的设计UEUt J4图 2-3-1报警电路主要就是由555定时器分别构成一个单稳态触发器，一个多谐振荡器，再 加一个扬声器组成的。由图中可以看到，接上电源后，当信号输入为高电平时，第一个 555连接成的单稳态触发器的输出为低电平，处于稳定状态，这时，右边的多谐振荡器 的复位输入为低电平，所以其输出也为低电平，扬声器不发音。当信号输入为低电平时, 单稳态触发器被触发，处于暂稳态，此时其输出为

14、高电平，输入到多谐振荡器的复位端,多谐振荡器工作，输出为矩形脉冲波形。这样扬声器接收到高低变化的电平就会发出问 歇声响。该报警电路是借鉴于数电实验中双音频报警电路的。用555定时器构成多谐振荡器电路如图所示。电路没有稳态，只有两个暂稳态，也不需要外加触发信号，利用电源Vcc 通过R和R向电容器C充电，使uc逐渐升高,升到2VC/3时,u o跳变到低电平,放电端D 导通,这时，电容器C通过电阻R和D端放电,使uc下降，降到Vc/3时,u o跳变到高电平，D 端截止,电源VCc又通过R和R向电容器C充电。如此循环,振荡不停,电容器C在2d3 和2V/3之间充电和放电，输出连续的矩形脉冲，其波形如图

15、3.3所示。tw0.7(Ri+R2)Ctw= 0.7R2cT= twi+ tw2= 0.7(Ri + 2R)C因此，可以估算出各元件的大致参数。第三章实物制作3.1元器件介绍 74LS148:74LS148为8线3线优先编码器，表3-1为其功能表输A输出ST西瓦瓯瓦瓦菰匕q11冥XX工XK11111u1111 1 1111100XKXXr：00010x x x 京 z 00Q1010K X X K010100i0JI K «011011010K X 01111S0010x 011111010100111111100101111 1 111101表 3-1-1555定时器：图3-1 5

16、55管脚图555定时器主要是通过外接电阻 R和电容器C构成充、放电电路， 并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。 这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施 密特触发器等脉冲波形产生和整形电路。555定时器的原理图和功能表分别如图 7和图8所示。它是由3个阻值为5千欧的 电阻组成的分压器，两个电压比较器 C1和C2,基本RS触发器，放电BJT TD以及缓冲 器G4组成.定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制RS触发器和放电TD的 状态。图中Rd为复位输入端，当Rd为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为 低

17、电平。由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2和比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。 由表二可知：当VI1>2/3Vcc, VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器 C2输出高电平， 基本RS触发器被置0,放电三极管TD导通，输出端Vo为低电平.。当VI1<2/3Vcc, VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出高电平，比较器 C2输出低电平， 基本RS触发器被置1,放电三极管TD截止，输出端Vo为高电平。当VI1<2/3Vcc, VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=1, S=1,触发器状态不变，电路 亦保持原状态不变。图3-1-1 5

18、55定时器原理图1&12/20THTRKOUT DX>§UtonXX娉5D娉出DLHHHL 接通L 接通原状态原状态：H 的表 3-1-2 555定时器功能表图中的L为低电平，H为高电平0 N. FE Packages74LS192图3-1-2是74LS192的管脚图GNdLL TOMER B OUTPUT resetR口 CHARGETHRESHOD5 COWHOL VOLTAGE图 3-1-223 / 20保持:MR=0,PL =1CR=CP=1,QQQQ保持原态加计数:CR=0,PL =1CR=CP CP=1, QQQQ按加法规律计数减计数:CR=0,PL=1CR

19、=1, CP= CP, QQQQ按减法规律计数74LS48744S74Lsaa0CE LTBI/RBO RBI ; 口 At GNDt1S1514131211109Vccf吕b)cJdJGD-七段译料器驱动骷七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下:灭灯输入BI/RBO(b)图3-1-3 74LS192 管脚图74LS192具有下述功能:异步清零：MR=1 QQQQ=0000 。（此功能可实现计数器的清零）异步置数：MR=0 PL =0, QQQQ=DD2DDUBI/R

20、BO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当 BI/RBO作输入使用且BI =0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入ag均为0,所以字形熄灭。试灯输入LT当LT= 0时，BI/RBO是输出端，且RBO= 1,此时无论其它输入端是什么状态，所 有各段输出ag均为1,显示字形8。该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。 动态灭零输入RBI当LT = 1, RBI = 0且输入代码 DCBA=0000时，各段出ag均为低电平，与BCD码相应的 字形0熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出 端，且 RBO=0。动态灭零输出RBOBI

21、/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT= 1且RBI=0,输入代码DCBA=0000 时，RBO=0若LT=0或者LT= 1且RBI=1,则RBO=1该端主要用于显示多位数字时， 多个译码器之间的连接。对输入代码0000,译码条件是：LT和RBI同时等于1,而对其它输入代码则仅要 求LT=1,这时候，译码器各段ag输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显 示字形的要求。74LS48的功能表如下：表 3-1-3十进数或功能输入BI/RBO输出LTRBID C B Aabcdefg0HH0 0 0 0H1111110r1Hx0 0 0 1H01100002Hx0 0 1 0H110

22、1101 J3Hx0 0 1 1H11110014Hx0 1 0 0H0110011 J5Hx0 1 0 1H1011011 16Hx0 1 1 0H00111117Hx0 1 1 1H11100008Hx1 0 0 0H11111119Hx1 0 0 1H111001110Hx1 0 1 0H000110-111Hx1 0 1 1H001100112Hx1 1 0 0H010001113Hx1 1 0 1H100101114Hx1 1 1 0H000111115Hx1 1 1 1H0000000BIxxx x x xL0000000RBIHL0 0 0 0L0000000LTLxx x x

23、xH11111113.2 电路板的制作与模块电路组装根据设计好的原理图，通过 Altium Designer软件使用做好PCBffl,布线要清晰分 明，全部覆铜，印制出电路板，按照原理图及 PCB图开始焊接元器件，按电路图连接电 路。先在电路板上插好各种器件，在插器件的时候，要注意器件的活口方向，同时要保 证各管脚与插座接触良好，管脚不能弯曲或折断。指示灯的正、负极不能接反。在通电 以前先用万用表检查各器件的电源接线是否正确。在焊接过程中要十分的细致，注意元器件的分布，了解及区分各个引脚的作用及连 线位置，防止虚焊。在焊接芯片时，切不可将不同的引脚连到一起，防止烧坏芯片及电 路板。在将各个模块

24、电路板做好后，要分别调试好，发现板子上的有些引脚焊接的有问 题，又再次焊接修改了下，查错并纠正。根据总原理图，将各个模块板子用线连接起来， 保证每根线都连接到位，从而组装好整个实物。3.3 电路调试首先按照抢答器的功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障。若某些功 能不能实现，就要设法查找并排出故障，排出故障可按照信息流程的正向（由输入到输 出）查找，也可以按信息流程逆向（右输出到输入）查找。显示电路的调试显示电路主要是由一块74148和一块7448芯片以一个七段LEDR码显示器组成的。 在调试时，可以在编码器的各输入端接上开关，当接上电源后，用各开关打开或断开来 判断七段LED数码显示

25、器是否显示正常。（2）锁存电路的调试在调试锁存电路时，我彳门可以在各触发器的 Q端接各接上一个发光二极管，接上电 源。主持人开关打开，任意按下一路抢答开关，看其对应的发光二极管是否亮，然后再 按其它开关，这时其它的二极管应该不发亮才算正常。清零电路调试清零是由主才e人控制的.这个电路比较简单，只有一个指示灯，当主持人开关断开时，指示灯通过接地连接到各触发器的清零端，这时七段LED数码显示器应显示为0,如果不为零则电路不正常。报警电路调试调试本电路时，可以借助示波器来进行。把由 555组成的单稳触发器和多谐振荡器 的信号输出端分别接到示波器的两个通道上，接上电源，由示波器的波形来判断报警电 路是

26、否工作正常。可。对于每个模块电路都调试完成后，组装成抢答器，在根据功能要求进行最后调试即结论与展望本次电子课程设计让我们能够自己学会去运用所学的理论知识，让我们充分认识到学习那些曾经认为枯燥理论的重要性， 通过动手实践提高了我对这个专业的兴趣和热爱，以后会巩固好理论知识，与实践相结合，提高我的综合能力。在设计原理图时，我通过书籍、网络资源等去了解一些芯片的功用及原理构成，如74LS148,74LS279Dl亨，对555定时器有了更进一步的了解。设计思路是整个设计的灵魂，能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。因而，我们先确立了一个基本设计方案，及如何做好设计的方法。只有对课题的充分理解，对各种

27、器件的熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。翻阅各种资料，上网查询填补所需知识的空白是必要的。我发觉自己对于基本元器件的属性及使用方面知识的匮乏，例如继电器作为触发开关时允许通过的电压等，应在以后的学习中不断积累，对于元件参数的计算公式不够熟练，估算时缺乏更全面的考虑。报警电路设计时，对于扬声器和蜂鸣器正常工作的频率估算，需要先估算电阻的大小从而设置好参数，不然可能不会发出正常的声响。PCB布局时不够清晰紧凑，焊接技术不够导致了电路不稳定，因而在调试和排查出现了许多问题。焊接制作必须精益求精，一丝不苟，一点的差错都可能导致实验结果错误，因

28、此必须准确无误还要工整，这样才能在调试中能比较轻松进行，也是整个电路可看性更好。调试工作是个精细工作。在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心， 通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。在制作报警电路这个模块时，之前采用的是只用一个555 定时器构成多谐振荡器，输出矩形脉冲到扬声器从而发出声响。但是由于在仿真时刚开始用的是蜂鸣器，工作频率太大，因而没有调试出来。通过进一步的计算才发现是工作频率的原因，改成扬声器才能正常工作。而我们也借鉴数电实验中双音频电路来实现报警电路。理论对于完成设计十分重要，只有将其与实践相结合，才可能做好整个设计Proteus 和 Multisim 11.0 仿真软件在整个设计过程帮助我们检查了电路的一些问题，并给予了验证。起初对这类软件只是有些了解，经过为期两周的课程设计，现在可以自己进行一些验证仿真实验了。 整个设计实现了从单一的理论学习到解决实际问