抢答器
一、设计目的
1.掌握四人智力竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。 2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法。
二、设计任务与要求
1 设计任务：
1，四人抢答器，每人一个抢答按钮，并显示抢答者台号。
2，主持人功能：发出抢答指令，系统清零，预置限时时间（30或60秒）。 3，电路具有时间显示功能和限时功能。在限时内，有人抢答，显示电路停止工作。若限时时间到，未有抢答，也停止工作。
4，声响功能：当发出抢答信号或限时时间到，发出持续2～3秒的单音或双音音响以作提示。 2 设计要求：
(1)4名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。
(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。
(3)抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时指示灯提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
(4)抢答器具有定时（60秒）抢答的功能。当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，指示灯亮。参赛选手在设定时间（60秒）内抢答有效，抢答成功，指示灯亮，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
(5)如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。系统指示灯亮，并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答。
三、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计
1、设计方案
抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码。而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。抢答时间设定60秒。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“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。定时器倒计时，指示灯提示。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、指示灯提示。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。
2、系统框图
当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时，并通过译码器在显示器中显示。报警电路给出亮灯提示。当选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状态。最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。如下图所示：
抢答按钮 触发器 锁存电路 译码电路 主持人控制开关 控制电路 报警电路 显示电路 秒脉冲产生电路 定时电路 译码电路 显示电路
3，硬件设计：
优先编码器74LS148：74LS148为8线—3线译码器，它允许多个信号同时有效，但只对一个优先级最高的信号进行编码。
Y0Y1Y297614EXYs15I4I5I6I7S(E)Y2Y1GND1234567816151474LS148131211109(b)VCCYSYEXI3I2I1I0Y0
功能表：
由上图得到：该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端ST非，输出使能端YS和优先编码工作状态标志YEX非。当ST非=0时，编码器工作；而当ST非=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当ST非为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志YEX非为0。表明编码器处于工作状态，否则为1。由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，Y2Y1Y0的非均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由YEX非的状态加以区别，当YEX非＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时Y2Y1Y0的非=111为非编码输出；YEX非＝0时，Y2Y1Y0的非=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。YS只有在ST非为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的ST非连接，以便组成更多输入端的优先编码器。从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，……，0。输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如5为0。且优先级别
比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理。
2,计数器74LS192：
74LS192具有下述功能： ①异步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000
②异步置数：CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0
③保持： CR=0，LD=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原态
④加计数：CR=0, LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数 ⑤减计数：CR=0, LD=1，CPU=1，CPD= CP，Q3Q2Q1Q0按减法规律计数 74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。 CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。 LD为预置输入控制端，异步预置。
CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。 CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出 BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。 3,555定时器基本组成： 1，基本RS触发器
由两个与非门组成，R是专门设置的可从外部进行置0的复位端，当R=0时，使Q=0、Q=1。 2，比较器
C1、C2 是两个电压比较器。比较器有两个输入端，分别标有+号和-号，如果用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，则当U+＞U-时其输出为高电平，U+＜U-时输出为低电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入电阻趋近于无
穷大。 3，分压器
三个阻值均为5kΩ的电阻串联起来构成分压器（555也因此而得名），为比较器C1和C2提供参考电压，C1之+端U+=2VCC/3,C2之-端U-=VCC/3。如果在电压控制端CO另加控制电压，则可改变C1、C2的参考电压。工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01μF的电容接地,以旁路高频干扰。 4，晶体管开关和输出缓冲器
晶体管TD构成开关，其状态受Q端控制，当Q为0时TD截止、为1时TD导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。
综上所述可知，555定时器不仅提供了一个复位电平为2VCC/3、置位电平为VCC/3，且可通过R端直接从外部进行置0的基本RS触发器，而且还给出了一个状态受该触发器Q端控制的晶体管开关，因此使用起来极为灵活。
四，电路设计：
1，抢答电路：该部分电路要完成两个功能：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；二是禁止其他选手按键操作无效。选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，这个电路的工作原理过程：当主持人控制开关S置于\"清零\"端时，RS触发器的R非端均为０，４个触发器输出（Q4—Q1）全部置０，使74LS48的BI的非 ＝０，显示器灯灭；74LS148的选通输入端ST的非=0，使之处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人把开关S置于\"开始\"时，优先编码器和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端的信号输入，当有选手将键按下时（如按下S2），74LS148的输出Y2Y1Y0的非=110，YEX的非=0，经RS锁存后，CTR=1，BI的非=1，74LS279处于工作状态，Q4Q3Q2 =010,74LS48处于工作状态，经74LS148译码后，显示器显示为\"2\"。此外，CTR=1，使74LS148的ST的非为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的YEX的非为高电平， 但由于CTR维持高电平不变，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以及抢答电路的准确性。如有再次抢答需由主持人将Ｓ开关重新
置“除”，电路复位。
2，定时电路：
工作原理：电路如下图所示,主要分为两个部分，一是秒脉冲，由555定时器构成的多谐振荡电路，另一部分是可预置时间的减计数器，对于预置端可以采用十进制8421BCD码设置，当555振荡器发出一个脉冲时，74LS192的CP-端就接受一个信号，在cp脉冲的上升沿预置数就开始自减，当各位减少到0时，BO2就会输出一个负脉冲，cp2-就会开始减少1，然后74LS192二开始再自减1，直到预置数最后变成00，最后在BO2输出一个周期的负脉冲。在时间未到时，BO2一直到是输出正脉冲，除非最后变成00时，才会输出负脉冲，这就可以作为定时到的信号，如果是时间到了，输出是零，时间不到，输出是1。另外，假如有选
手按键的话，则最后不会计数器不会因为自减为00而最后输出负脉冲，而是应为秒脉冲输出与1Q的非相与后当作脉冲输入74LS192的。当没有选手按键时，1Q的非为0，所以cp脉冲就会停止输入，时间就会停止，所显示的时间就是该选手抢答的时间，但此时的定时到信号还是1。
3，报警电路：
报警电路主要由发光二级管管组成。 4，主电路图：
五、心得体会
这一课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。了解了更多电子元件的工作原理，如：74LS48、74ls192等。但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一电子设计软件如：Multisim等，因此使我熟悉了软件的使用，同时在电脑的电子设计和绘图操作上有了进一步提高。加上在设计过程中遇到了一些问题，使得我得查找相关资料，从而增长知识的同时增强解决问题和动手的能力，锻炼我做事细心、用心、耐心的能耐。这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。所以在以后的学习生活中，我会努力学习，培养自己独立思考的能力，积极参加多种设计活动，培养自己的综合能力，从而使得自己成为一个有综合能力的人才而更加适应社会。
六，参考文献
[3]刘修文.实用电子电路设计制作 [M].北京：中国电力出版社，2005
[4]刘福太.电子电路［M］北京：科学出版社,2007.10
[5]崔建明，电工电子技术［M］北京：高等教育出版社，2008.6
[6]阎石.数字电子技术基础（第三版）［Ｍ］. 北京：高等教育出版社，1989 [7]叶挺秀.应用电子学［Ｍ］.杭州：浙江大学出版社，1994
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