八路抢答器的设计与制作.doc1

毕业论文

论文题目：八路抢答器的设计与制作

系部：电子信息工程学院

专业名称：应用电子

班级：114033 学号： 01 姓名：高敏

指导教师：王琰

完成时间： 2014 年 5 月 10 日

目录

一、前言 (4)

（一）设计的目的与意义 (4)

（二）设计的背景 (4)

（三）设计的内容 (4)

（四）设计的主要问题 (5)

二、设计方案 (5)

（一）方案一（采用数字电路） (5)

（二）方案二（采用单片机） (6)

（三）方案三（采用PLC） (7)

三、方案选择 (7)

四、设计任务及系统功能简介 (8)

（一）设计任务 (8)

（二）基本功能 (9)

（三）扩展功能 (9)

五、实现的原理与电路 (9)

（一）数字抢答器总体方框图 (9)

（二）单元电路设计 (10)

六、总体方案选择的论证 (17)

七、在设计过程中发现的问题和所做的改进 (17)

八、组装与调试 (19)

（一）使用的主要仪器、仪表 (19)

（二）电路调试 (19)

九、所用元器件列表 (21)

十、改进设想及建议 (22)

总结 (22)

致谢 (24)

参考文献 (25)

附录 (26)

八路抢答器的设计与制作

摘要：本文主要对八路抢答器功能、电路组成及设计思路进行了介绍，并采用74系列的集成电路设计，利用物理学对其进行相应的改造。使该抢答器不仅具有抢答功能，还具有定时、计时和报警功能。对于抢答的时间我们可以通过时间预设开关进行预设完成自动倒计时。这期间若在规定的时间内有人抢答的话，则计时将会自动停止；若在规定的时间内无人抢答的话，则系统中的蜂鸣器将发响，那么本轮的抢答无效，就实现了报警功能；这就是八路抢答器的工作原理。

关键词：八路抢答器；抢答电路；定时电路；报警电路；时序控制

Eight-way Responder design and production Abstract:This paper describes the eight Responder function circuits and design idea s, and use 74 series of integrated circuit design. Not only has the Responder Responde r function, but also has a timer, chronograph and alarm functions. Answer time we ca n switch the default preset done automatically by the time the countdown. Then if so meone answer within a specified time, then the timer will automatically stop; If no an swer within the specified time, then the system will be sent loud buzzer, then round th e answer is invalid, to achieve the alarm function.

Key words: eight Responder; Responder circuit; timing circuit; alarm circuit; timing control

一、前言

（一）设计的目的与意义

通过这次的设计,我对抢答器的基本组成原理和功能有了进一步的了解，也初步掌握了如何进行调整和测试抢答器的方法，提升了自己的知识面和动手能力。同时通过本次的设计，更加巩固了自己的理论知识，达到了理论与实践的统一。

（二）设计的背景

随着时代的进步和科技的发展，

抢答器，顾明思义。在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机或数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。

随着科技的不断发展，现在的抢答器有着数字化，智能化的方向发展，这就必然提高了抢答器的成本。鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器必将大有市场。

（三）设计的内容

本系统的抢答器采用了模块化的设计，被广泛应用在抢答竞赛中。抢答未开始时，把所有参赛的选手分成多组，每组都有一个抢答的按钮。对于每个选手的抢答和回答时间我们可以进行设置，包括复位键、开始和结束。例如我们可以设置抢答时间为10s，作答时间为20s。上述时间的话可以通过按增键或减键进行修改，改过只要按下确定就可以了。抢答开始时，只要一按下开始键，这时选手便可以开始进行抢答，如何知道哪位选手优先抢答及抢答的时间，则可以通过在数码显示屏上看到，当时间快到最后（5s）时，扬声器自动产生提示。相反，若没有按下开始键就开始抢答，则视为犯规，数码显示屏上显示选手号，扬声器会持续发生提示，只有按下结束键时，扬声器才会停止，此时下一轮抢答才可以开

始。数字电路设计的抢答器电路连接简单，性能高，抗干扰能力强。因此这次的设计，对我来说很有意义。

（四）设计的主要问题

抢答器是一种应用非常广泛的设备，在任何竞赛中，它都是必不可少的。无论任何设备都有其优点和缺点，抢答器也不例外。它的频率较低，可靠性低，制作也较复杂。一个单位用到抢答器的话往往是在单位进行知识等各项竞赛时，但一般用到的次数会比较少，每年就那么几次。而且抢答器的长期存放也会导致电子元器件的损坏，则需要再次购置新的，比较麻烦。目前大多数的抢答器都存在缺点，主要有以下：第一，连接线太多较复杂。现场每个选手都会站在不同的位置，每个位置与控制台之间是要通过线连接着的。选手多，线多，可想而知，这不仅影响了现场的美观，也影响了抢答器的可靠性，甚至影响了人员的走动，增加了安装的难度。第二，电路复杂。号码处理、计时、数据运算等功能需要通过简单的逻辑电路完成，而选手号码的识别、译码、计分显示则是通过数字集成电路完成。当识别选手抢按号码时，会导致选手易出现抢按成功的现象。这是由于采用简单的逻辑电路扫描技术，其电路的延迟时间较大。

二、设计方案

（一）方案一（采用数字电路）

1、原理方框图

定时抢答器的总体框图如图1所示，抢答器主要有两部分组成，主体电路和扩展电路。抢答器基本的抢答功能则是由主体电路完成的，从图中我们可以看出，当我们按下抢答开关时，这时优先编码电路能显示选手的编号，同时锁存电路对输入信号进行封锁，禁止其他选手抢答。而定时抢答的功能则是通过扩展电路完成的。

图1

由上图可知抢答器的整个工作过程，有两种状态，非工作状态和工作状态。当抢答器处于禁止工作状态时，只要当电源接通的时候，将抢答器的开关置于“清除”位置。此时编号显示器不能工作，处于灭灯的状态，只能从定时显示器上显示设定的时间。当抢答器处于工作状态下的时候，，将抢答器的开关置于“开始”位置，这时抢答开始。同时也要把控制开关置于“开始”位置，此时扬声器工作，给出声响提示，而定时器正在进行倒计时中，当规定抢答定时的时间到的时候，如果没有人进行抢答的话，系统将自动报警，则输入信号被锁存电路封锁，禁止超时后抢答。但是如果要是在定时时间内进行抢答的话，抢答器要完成以下四项工作：

1.抢答者的编号会通过优先编码电路立刻分辨出，并通过锁存器进行锁存，然后抢答者的编号会从译码显示电路中显示；

2.需要注意的是当扬声器发出短暂声响提示时；

3.为了避免他人再次进行抢答，输入编码电路通过时序控制电路进行封锁；

4.剩余的抢答时间可从时间显示器上显示，这时定时器停止工作则需要控制电路来完成，直至将系统清零为止。当作答时间结束后，拨动控制开关到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

（二）方案二（采用单片机）

1、原理方框图

此电路完成的功能如图2所示，当按下开始按钮时，电路开始工作，此时进入抢答状态，然后通过扫描式的输入，把相应的信号送往单片机，再通过单片机输出到显示输出电路中。此时当我们按下相应的抢答按钮时，经过单片机的控制选择，相应的号码会在八段显示器上显示出来，并进行锁存，同时禁止其他按钮的输入。

图2

（三）方案三（采用PLC）

1.原理方框图

此电路的功能如图3所示，接通电源，按下启动开关，设定一个时间T0，如果某组抢先按下抢答按钮，则驱动音效电路①发出声响，指示灯L1亮，并且在8段数码管显示器上显示出抢答成功的组号，此时电路实现互锁，其他组再按下抢答按钮为无效；

如果在时间T0内，无人应答，则驱动音效电路②发出声响，指示灯L2亮，表示抢答者均放弃该题；

在抢答成功后，主持人打开限时开关SW2，启动计时器，在设定的时间T1内回答有效，当达到设定时间T1时，驱动音效电路③，指示灯L3亮，表示答题时间到。

图3

三、方案选择

通过上表可以看出，数字电路的制作难度较低，比较容易实现。并且价格低，电路原理也比较简单，所以我选择采用数字电路来完成设计。

四、设计任务及系统功能简介

（一）设计任务

1.设计一个可以同时供8名选手或8个代表队比赛的抢答器，他们的选号分别是S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7。

2.设置一个控制开关，该开关可以用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答器的开始。

3.抢答器具有数据锁存和显示功能。当抢答开始时，即选手按动按钮，编号则立即被锁存器锁存，并在LED数码管上显示出来，同时扬声器发出报警声响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手进行抢答。直到主持人将系统清零，否则优先抢答的选手编号将会一直保持下去。

4. 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编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

5.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。

6.抢答器具有定时30S抢答的功能，抢答的时间由主持人设定。当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，并且时间将会从显示器上显示出来。当抢答时间到，蜂鸣器鸣叫发出报警信号，输入电路被封锁，此时禁止选手超时抢答，视为无效。

（二）基本功能

（1）设计一个可以同时供8名选手或8个代表队比赛的抢答器，他们的选号分别是S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7。

（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）抢答器具有数据锁存和显示功能。当抢答开始时，即选手按动按钮，编号则立即被锁存器锁存，并在LED数码管上显示出来，同时扬声器发出报警声响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手进行抢答。直到主持人将系统清零，否则优先抢答的选手编号将会一直保持下去。

（三）扩展功能

（1）抢答器具有定时30S抢答的功能，抢答的时间由主持人设定。当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，并且时间将会从显示器上显示出来。当抢答时间到，蜂鸣器鸣叫发出报警信号，输入电路被封锁，此时禁止选手超时抢答，视为无效。

（2）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编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。

（3）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。

五、实现的原理与电路

（一）数字抢答器总体方框图

如图1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，当我们把开关置于“开始”时，则抢答器处于工作状态。定时器倒计时，扬声器给出声响提示；当我们把开关置于“清零”时，抢答器处于禁止状态，此时编号显示器灭灯，定时器显示设定时间。选手必须在定时时间内完成抢答，优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示是抢答器的整个过程所需。当选手抢答完之后，定时器停止工作显示剩余时间，此时禁止二次抢答。要想进行二次抢答需要再次操作控制。

图4 设计框图

（二）单元电路设计

1.抢答器电路

设计电路如图5所示，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操作无效。选用优先编码器工74LS148和RS锁存器可以完成上述功能。所组成的电路图如下所示，其电路的工作原理过程：当开关S置于"清除"端时，RS触发器的 R非端都为0，4个触发器输出也全部置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，此时锁存电路不工作。当开关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，当有选手将键按下时（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（图中5号端）＝１，所以74LS148仍处于禁止状态，封锁了其他按键的输入。这保证了抢答者的优先性，不会出现二次按键时输入信号。如进行再次抢答的话需将开关重新置于“清除”端，进行下一轮抢答。

图5

74LS148为8线－3线优先编码器，表1为其功能表。

表1 74LS148的功能真值表

2.定时电路

我们可以根据抢答器的难易程度，来设定某一次抢答的时间。 定时电路主要由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6所示。其中，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，要想设定一次抢答的时间的话，我们可以根据抢答题的难易程度，通过预置时间电路对计数器进行预置，由秒脉冲电路提供计数器的时钟脉冲。当按键弹起后，此时计数器开始进行减法计数工作，这时我们可以在共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG 上看到时间，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，2BO 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。下面结合图6具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。结合图6，图中电容C 的放电时间和充电时间分别为：

221In C R t ??=C R ?≈27.0，C R R In C R R t ?+≈??+=)(7.02)(21212 于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为：

C

R R t t f ?+≈

+=

)2(43

.112121，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R1=15K ，R2=68K ，C=10uF ，代入到上式中即得Z H f 1≈，即秒脉冲。

图6

图7 可预置时间的定时电路

表2 555定时器功能表

图8标准秒脉冲产生电路

3.报警电路

如图9所示的报警电路，它是由555定时器和三极管组成的。图中NE555

f＝1.43／［（R1＋2R2）C］为其振荡频率，多谐振荡器的构成多谐振荡器，

输出信号则是经过三极管推动扬声器。其中PR—时序控制电路输出的控制信号，当PR为“1”（即高电平）时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。

图9 报警电路

4.时序控制电路

时序控制电路，抢答器设计的关键，主要有以下三项功能：

（1）控制开关拨到"开始"位置时，抢答开始，抢答电路和定时电路进入工作状态。

（2）当在抢答的过程中无人抢答时，扬声器会自动报警，即抢答无效。

（3）当在抢答的过程中有人抢答时，按下抢答按键，这时扬声器发出提示，即抢答电路和定时电路停止工作状态。

根据上面的功能要求以及图5，设计的时序控制电路如图10所示。图中，与门G1 主要是用来控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2主要是控制74LS148的输入使能端（即图五中的5端）。图10的工作原理是：控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图5中的74LS279的输出 1Q,即CTR=0，经G3反相，输出为1，则NE555产生的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端（图中用CLCK表示接入到74LS192CPD端的信号），定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则"定时到信号"为 1，门G2的输出 =0，使 74LS148处于正常工作状态，从而实现功能（1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答按键时，CTR＝1，经G3反相，输出为0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能（2）的要求。当定时时间到时，则"定时到信号"为0，/ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关门状态，封锁时钟CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能（3）的要求。此时抢答结束。

图10

用于控制报警电路及发声的时间（其功能表见表3），主要是通过集成单稳态触发器74LS121实现的,具体原理如下： 它是由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制电路构成。单稳态触发器74121通过信号/Ys 、BO2、S 控制报警与否和报警时间，脉冲时钟则是由555时钟电路产生。在规定的时间有人抢答时，/Ys 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w t =4.3秒；如果在规定时间内无人抢答，BO2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w t

结合图5所示报警电路，分析w t 计算如下：2ln 23C R t w =。取2C ＝100uF,

3R =51K,。有2ln 6C R t w =＝4.3秒。

图11

表3 74121功能表

六、总体方案选择的论证

74系列芯片实现原理图：（详见图4）

选用74系列芯片实现的理由：

第一，它的价格便宜，成本较低，能满足学校场合需要；

第二，它在〈〈数字电路与逻辑设计〉〉中被提及，将知识与实践密切的相结合了起来，对我们以后巩固所学知识有很大的作用。

第三，用了如NE555标准秒脉冲电路等成型电路，使总体方案易于实现。

第四，设计难度较低，因为所用芯片已经在〈〈数字电路与逻辑设计〉〉课程中学过。

七、在设计过程中发现的问题和所做的改进

1. 选手号码的显示问题：在设计过程中，我们发现按下抢答按钮后，我们希望其在七段数码显示管上显示的选手号码是1到8，这样符合我们一般的思维，而按照我们一开始所做的设计，数码管只能显示0到7，我们在认真研究体设计方案和7448译码器的功能表（见表四）后，发现解决此问题只须将显示0改为显示8，而其他的显示则不改变。由表四可以看出，有两种方案可供选择：一是将7448的A3端置1，其他位置0；二是将图2中的4端置1，其他位不管。

但是在计时未到时，4端始终为低电平，所以如果采用方案二的话，我们的整设计就将全部打乱，故方案二不可取。我们采用了方案一。我们通过观察表四

看出，只有在字形（见表四）为0时，/A2/A1/A0=1,其他均为0。于是我们就将A2、A1、A0三端先接入非门7404，然后将他们接入与门7408，7408的输出接7446的A3端，这样就实现了显示8的功能，其他的数码的显示并无影响。

2.在计时结束时让选手号码显示牌显示0而不是8的问题。承1中所述，我们实现了选手号码显示8的问题，但随之而来的是当计时结束时因为A2、A1、A0均为零，导致我们在做出1中所述改动后，选手号码显示牌上显示的为8而不是我们要求的0。此时我们仍然是通过研究我们的总体电路图来解决这个问题的。我们知道，只有在字形（见表四）为0时，/A2?/A1?/A0=1，其他时候其值均为0。当计时时间到时，定时到信号输出为0，若将定时到时间信号与/A1、/A2、/A0一起接入与门，然后再接入到A3端的话，那么在定时到时，A3、A2、A1、A0均为0，经7448译码输出即为0。

3.主持人按下抢答按键时选手号码牌显示为7而不是我们要求的0的问题。在电路焊接过程中，我们在主持人的按键选择上选择了点触式开关，因为未对这种开关做细致的分析，我们发现每次主持人按下抢答按键选手号码显示牌上总是为7。经过我们的认真分析，我们找到了原因，是我们的开关选择出了问题。点触式开关在按下后马上又弹起，此即问题的所在。于是我们很快将其更换为单刀双置开关，问题得到了解决。

4.显示电路显示不稳定的问题。在完成电路的焊接，进入调试阶段时，我们的抢答器显示电路出现了不稳定的问题。主要表现在当我们在完成一轮抢答后对计时时间进行重新设定时，显示部分会出现乱码的现象。开始我们以为是芯片出了问题，于是对芯片进行了逐个排查，确定芯片没有损坏后，我们开始检查导线的焊接情况。我们利用万用表对接线处逐个进行了排查，最后发现某芯片的一个引脚处的导线松了。我们对导线进行了重新焊接，过后系统恢复了稳定。

表4 7448译码器的功能表

八、组装与调试

（一）使用的主要仪器、仪表 ①多路直流稳压电源YB1719； ②数字万用表MY61； ③数字示波器TDS1012； ④函数发生器EE1411； （二）电路调试

1.单元电路检测 （1）抢答电路

把控制开关置于 “清除”端时，用万用表检查可知，R 端为RS 触发器的低电平，输出端（4Q-1Q ）全部为低电平。当显示器灭灯时，74LS48的4端/BI/RBO=0； 5端/ST=0即74LS148的选通输入端，74LS148处于工作状态，此时锁存电路处于非工作状态。当把控制开关置于“开始”端时，优先编码电路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，给8路抢答端口即输入端7I …0I 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5S ），74LS148的输出2Y 1Y 0Y =010，EX Y =0，经RS 锁存器后，74279的输出1Q,即CTR=1，/BI/RBO =1，74LS279处于工作状态，输出端4Q3Q2Q=101，EX Y =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）定时电路

定时电路可以通过用示波器来进行检查，观察1Hz 的方波信号即是否为555的输出波形，如不是其输出波形，则对其外围电路进行调整。对74LS192的数据输入端设定一次抢答的时间为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。如果出现问题的话，需要根据其原理进行修改。

（3）时序控制及报警电路

①当控制开关置于“开始”端时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状

态。

②当设定的抢答时间到仍然无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时

电路停止工作。

③当选手按动抢答按键时，抢答开始，此时扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。

2.整机电路调试

（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，优先编码器/Yex 输出为1，计数器BO2输出为1，74148的5端，即CTR BO ST *2=＝0, 而CP BO CTR CLCK *2*=优先编码器和计数器都正常工作；

（3）当在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CP BO CTR CLCK *2*==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w t =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