八路智能抢答器

机械与电气工程学院《数字电子技术》课程设计报告姓名：学号：班级：指导教师：课题名称 8路智力竞赛抢答器的设计1 设计任务与要求1. 1.1 基本功能（1）设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，其编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，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）给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。

（3）抢答器具有数据锁存和显示功能。

抢答开始，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示选手的编号，同时扬声器发出音响提示此外．要封锁输人电路，禁止其他选手抢答，并将优先抢答选手的编号—直保持到主持人将系统清零为止。

2. 1.2 扩展功能（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间长度可以由主持人设定（如30 s）。

当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂的音响，音响持续时间为0.5 s左右。

（2）参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效；有效抢答结束定时器停止工作．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清零为止。

（3）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后做无效抢答，时间显示器上显示00。

2 设计原理定时抢答器的总体框图如图1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。

图1 定时器总体框图图1所示的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“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间；当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器发出音响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时开始。

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，禁止选手在超时后抢答。

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：（1）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，然后由译码电路显示编号；扬声器发出短暂音响，提醒节目主持人注意。

（2）控制电路要对输人编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答。

（3）控制电路要使定时器停止工作，时间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。

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—轮抢答。

3设计分析3. 3.1 抢答电路抢答电路的功能有两个：—是能分辨选手按键的先后，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。

选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如图2所示。

图2 抢答器电路其工作原理是：当主持人的控制开关处于“清除”位置时，RS 触发器的R 端为低电平，输出端（4Q ～1Q ）全部为低电平，于是74LS48的RBI ＝0，显示器灭灯；74LS48的选通输入端ST ＝0， 74LS48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时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端7I 、··· 、0I 输人信号。

当有选手将键按下时（如按下S5，74LS148的输出012Y Y Y ＝000，EX Y ＝0，经RS 锁存器后，CTR ＝1，B ＝1，74LS279处于工作状态； 4Q3Q2Q ＝101，经74LS48译码，显示器显示“5”。

此外，CTR ＝1，使74LS148的ST 端为高电平．74LSl48处于禁止工作状态，封锁了其他按键的输人。

当选手按下的键松开后，74LS148的EX Y 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，其他按键的输入信号不会被接收。

这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。

当优先抢答者回答完问题后，由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。

4. 3.2 定时电路节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间长度，通过预置时间电路对计数器进行预置。

现选用十进制同步加／减计数器74LS192进行设计，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供，具体电路如图3所示。

电路工作原理请同学们根据数字电路课程所学内容自行分析。

图3 可预置时间的定时电路5. 3.3 报警电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图4所示。

其中555定时器构成多谐振荡器，振荡频率为C R R R R f C 121210)43.12ln )2(12(+≈+= 其输出信号经三极管推动扬声器。

PR 为控制信号，当PR 为高电平时，多谐振荡器工作；反之，电路停振。

图4 报警电路6. 3.4 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人正常工作状态。

（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工作。

根据上面的功能要求以及图2和图3，设计的时序控制电路如图5所示。

报警电路的时序控制电路图5 时序控制电路图中，门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端ST。

图2-15（a）的工作原理是：主持人将控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时．来自于图2-12中的74LS279的输出CTR＝0，经G3反相，A＝l，则从555输出瑞来的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输人端，定时电路进行递减计时；同BO＝1，门G2的输出ST 时，在定时时间未到时，来自图2-13中74LS192的借位输出端2＝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键时，CTR＝1，经G3反相，A＝0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出ST＝1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能（2）的要求。

当定BO＝0，ST＝1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手时时间到时，来自74LS192的2进行抢答。

同时，门G1处于关门状态，封锁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。

74LS121用于控制报警电路及发声的时间。

4总体设计图5产品实物图6电路的实验与调试7. 6.1焊接通过实验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊接工艺的重要性：各个芯片的引脚功能不能混淆，必须了解各个芯片的使用方法，内部结构以及使用时的注意事项，该接电源的一定要接电源，该接地的一定要接地，且不能有悬空。

同时在电路板上要预先确定电源的正负端，便于区分及焊接。

正确焊接各芯片个管脚连接必须查阅各种资料并记录，以确保在焊接过程和调试过程中芯片不被烧坏，同时确保整个电路的正确性。

在焊接完后每块芯片都用万用表检测，看是否有短接等，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路。

8. 6.2调试中出现的问题及解决方法（1）抢答器数码显示管显示不清楚问题在完成电路的焊接进入调试阶段时发现抢答器数码管显示选手编号不清楚，甚至出现乱码。

主要表现在单选手按下抢答键后数码管显示的不是选手当前号码。

因此对电路进行细致检查，首先检查数码管看是否是关节焊接错误，后又检查电路各个芯片管脚接错均未发现问题，最后发现有两条线路在接触处粘在一起，导致乱码。

修改方法：用焊笔焊开彼此，在使用万用表检测，此时电路显示正常。

（2）数码管不能正常倒计时在进入定时电路调试时，发现数码管不能正常倒计时，出现乱码。

通过检查发现有块芯片会发热，原来是调转插，同时也发现是由于在焊接时焊线有些地方出现部分短接。

修改发法：重新调整芯片方向，再重新焊过有问题线路，数码管能正常工作了。

（3）蜂鸣器失灵问题通过对比同学的设计，发现缺少了一个电阻。

修改方法：添加一个电阻，再测试是否能工作。

7设计体验与收获9.7.1设计体验一个星期的数字电子技术课程设计结束了，刚刚拿到设计题目是可谓是一片茫然，对于这个设计根本无从下手。

经过两天不停的查找资料，设计终于出现了雏形。

在把各个分电路组装成整体电路的过程中我遇到了前所未有的困难，首先是组装成整体电路后计时电路和报警电路都不工作，但是在经过我多次的调试后总算是能够工作了，可是这时却又发现当选手按下按钮后，定时电路仍在工作，只得再次调试。

前面的问题在我与同学的探讨中得到了解决，但是事实上我的这个电路还有一个最大的问题，就是抢答时间完了以后选手按下按钮抢答电路还能工作，而且时间到时报警电路不发出声音报警。

经过多方面的解决，然后对照电路图进行修改，把电路板上焊接的元器件进行修改和调整完成了抢答部分电路。

虽然我没有完成所有电路的焊接，但对电路的运行和每个局部所拥有的功能还是很了解的。

在焊接之前，需要布线。

布线这个过程非常考我们的智慧，常常有时意见发生分歧，不过最后也能很好地解决。

焊接过程中，由于初次焊接，很是心浮气躁，握着电烙铁，手就一直抖，很久才适应，而且对很多芯片的具体功能和各引脚的作用不清楚，因此焊接难度进一步加大，常常不小心焊到旁边的线路，这时需要小心吸出，因为电路板质量不是那么好。

焊好一条线路之后，必须用万用表检测，以确保电路的畅通。

在焊接时，必须全神贯注，一丝不苟，因为一点的差错都可能导致实验结果错误，所以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。

通过这次设计，我的理论知识掌握的更加扎实，动手能力也明显有所提高。

同时通过网上搜索各种书籍的查阅以及老师的多次指导，我学会了许多课堂上没有接触过的知识，也认识到理论联系实践的重要性。

在制作中遇到了许多问题，我同我组的组员们经过讨论也找到了解决的办法。

而且通过对此课程设计，我也巩固了以前在课堂上学习到的知识，明白了学以致用的道理。

在整个的设计过程中，我主要突出了抢答器设计的基本电路的组成单元以及这些单元是如何实现抢答功能的。

结合本设计的内容，指定了各单元电路的设计方法和意义，以及如何进行抢答控制。

在此次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上的理论性的东西与实际运用中的还有一定的出入，所以有些问题不但要深入的理解，还要不断地更正以前的定向思维。

通过课程设计掌握了mutisim仿真软件和protel软件的基本操作，对数字电路系统设计有了深入的认识，激发了我们的专业兴趣，积累了实践经验，为将来的继续学习和工作打下了基础。