八位多路抢答器

题目: 多路抢答器的设计与实现
初始条件：
本设计主要选用集成计数器、寄存器、脉冲发生器和必要的门电路等来实现。

要求用蜂鸣器和光电二极管作声光报警器件。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：1周。

2、技术要求：
1）同时供8名选手参赛，其编号分别是1到8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应；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。

2）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，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。

此外，要封锁输入电路，禁止其它选手抢答。

优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

3）抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定(如30秒)。

当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即进行减法计时，并用显示器进行显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5秒左右。

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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

5）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统进行短暂的报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示00。

目录
摘要 (1)
Abstract (2)
1引言 (3)
1.1 多路抢答器简介 (3)
1.2 多路抢答器工作原理 (3)
1.3 课程设计的目的 (4)
2设计方案 (5)
方案选择 (5)
2.1抢答电路设计 (6)
2.2计时电路设计 (7)
2.3报警电路设计 (8)
2.4时序控制电路设计 (9)
3单元电路仿真 (10)
3.1抢答电路 (10)
3.2计时电路 (11)
3.3报警电路 (13)
4总结 (14)
4.1课程设计中遇到的困难和不足 (14)
4.2课程设计的收获 (14)
5参考文献 (16)
附录 (17)
抢答器整体电路图 (17)
整体电路图................................................................................................................... 错误!未定义书签。

主要芯片及其功能 (18)
74LS148 (18)
74LS279 (19)
74LS48 (20)
74LS192 (21)
555 (22)
74LS283 (23)
实验用元件清单 (24)
摘要
本文主要介绍了八路抢答器电路的设计、原理、组成及功能，电路采用常用集成电路进行设计。

该抢答器电路除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。

主持人预设时间，系统将完成自动倒计时。

若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止，蜂鸣器发出声音；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，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。

该抢答器主要运用到了编码器，译码器和锁存器：它采用74LS148来实现抢答器的选号，采用74LS279芯片实现对号码的锁存，采用74LS192实现十进制的减法计数，采用555芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时功能。

也讲述了课程设计的整个过程以及自己通过设计所得收获。

关键词: 抢答器，编码，译码，定时，报警。

Abstract
This article mainly introduced the eight-way responder circuit design, the principle, comp osition and function of circuit adopts common integrated circuit design. The buzzer circuit in a ddition to the basic vies to answer first function, also has the timing, timing and alarm functio n. Host the preset time, the system will complete automatic countdown. If within the stipulate d time someone vies to answer first, the timing will automatically stop, buzzer sound; If withi n the prescribed time, no contest, the system of the buzzer will send ring, prompt host this vie s to answer first is invalid, realize the alarm function, if more than time vies to answer first, vi es to answer first is invalid. The buzzer is mainly applied to the encoder, decoder and latch: it USES74ls148to achieve responder pick, the number is realized by using74ls279chip latche s, decimal subtraction is realized by using74ls192counter, using555chip to produce second pulse signal to realize the countdown function. Also tells the story of the whole process of cou rse design, as well as their income gains by design.
Keywords: buzzer，code，decoding，timing，alarm.
1引言
1.1 多路抢答器简介
抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，那么也就必然离不开多路抢答器。

多路抢答器会通过参赛者所在位置的指示灯显示或数字的显示、语音提醒、图片显示、警示显示等显示方法筛选出第一个抢答的参赛者，但是一般抢答器的工作都只是甄别出第一个抢答成功的参赛者，之后抢答者抢答无效，显示管显示抢答者编号。

课程设计中多路抢答器电路由抢答电路、报警电路、控制电路和定时电路几个部分构成。

伴随着电视智力竞赛遍地开花，在日常答题的过程中一般要分为抢答以及必答两种形式。

参与者被要求做一些准备，但有时间限制，抢答器会发出警告。

也就是说参赛者，谁第一个按下按钮，便获得答题权，但问题是很难确定到底是哪一个根据选手第一，所以利用抢答器来完成该功能。

现在的信息技术发展革命，用人自身感觉器官既无法得到准确的数据，同时对很多无法用器官感测的事物不得不望而止步，而多路智力抢答器就是一种代替人的感觉器官来获取信息、数据的媒介。

各种知识竞赛、文体娱乐活动等抢答活动中，多路智力抢答器能直观、公正、准确地判断出是哪一位抢答者。

1.2 多路抢答器工作原理
本设计可实现八路倒计时抢答功能，实现方法较为巧妙，同时在没有用可编程芯片的情况下总体电路较为简洁。

设计主要由以下四大板块构成：抢答电路、计时电路、报警电路、控制电路。

各个板块间互有反馈，很好的实现了该设计应该实现的功能，也在基本抢答电路的基础上扩展了很多功能，可以适应基本要求。

工作时由裁判按下开始按钮表示抢答开始，第一位抢答者在规定时间内按下抢答按钮获得抢答器，显示器显示出其编号，以及按下按钮时刻，报警电路报警，若达到规定时间却没有抢答者抢答，报警电路也会报警。

1.3 课程设计的目的
正是因为多路抢答器在现代社会中的运用已经遍布各个领域，也正是因为其应用的范围越来越广使得我们对抢答器的功能实现等有了更高的要求。

通过数字电子电路的课程设计,应用我们已学的计数器、寄存器、脉冲发生器和必要的门电路等方面的知识，并自己查阅相关书籍进行设计，了解如何连接电路以达到要求。

也让我们能够通过这样一个课程设计对仿真软件有进一步的了解，学会熟练的使用仿真软件和对仿真图进行进一步地修改。

通过本次课程设计让我们更深一层地掌握电子系统的一般设计方法，真正接触数字电子电路和我们的专业，初步掌握数字电路抢答器的调整及测试方法，也能够培养综合我们应用所学知识来指导实践的能力。

通过这样的课程设计也能锻炼我们独立思考的能力和动手实践的能力。

2设计方案
方案选择
方案一：总体电路实现可以用图1的框图来实现。

图1 总体电路实现框图
方案二：考虑到编码器的编码是0-7，故而决定在锁存器后加上一个恒加一的加法器，使选手编号对应1-8.此外增加报警电路使操作和声音信号互相反馈并对应起来。

加法器
报警电路
2.1抢答电路设计
根据课程设计要求，需要实现的课程设计要求有能够抢答，便可以设计出入图2基本原理原理的抢答电路。

分析其工作原理：当主持人控制开关处于“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BI=0，显示器灭灯；74LS148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，4Q3Q2Q=101，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。

(为了使选手编号对应1—8，故而在锁存器后添加了一个加法器打到抢答编码恒加一的目的)
图2 抢答部分电路设计
2.2计时电路设计
计时电路应由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。

两块74LS192实现减法计数，通过译码电路显示在数码管上，其时钟信号由脉冲电路提供，74192的预置数端实现预置数，由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时器进行预置，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，并将所剩时间显示在显示管上，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已到，输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警。

可以得到如图3所示的计时电路原理图。

图3 计时电路原理图
2.3报警电路设计
报警电路用555定时器和三极管构成，报警电路原理图如图4，其中555定时器构成多谐振荡器，其输出信号经三极管输出推动扬声器，PR为控制信号，PR为高电平时，多谐振荡器工作，而PR为低电平时，电路报警。

图4 报警电路原理图
2.4时序控制电路设计
时序控制电路是抢答器设计的关键，在抢答器工作过程中，它需要完成以下功能：主持人将控制开关拨到开始时，抢答电路和计时电路均进入工作状态；当参赛选手按下抢答按钮时，扬声器发声，抢答电路与定时电路均停止工作；当裁判设的抢答时间已到而无人抢答时，报警电路短暂报警并锁存抢答电路和计时电路。

根据功能要求以及抢答电路，可以设计如图5所示的时序控制电路。

图5 时序控制电路
3单元电路仿真
3.1抢答电路
该部分电路仿真如图6，该电路完成如下功能：一是准确地分辨出按键选手对应按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码器显示电路显示出该选手的编号；二是其他选手按键操作无效。

具体工作过程为：接通电源后，当裁判按下“开始”按钮，八位参赛选手按动抢答键时，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。

当裁判将按钮拨到“清除”状态时，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯。

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，输出端全部为低电平。

于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148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，74LS148输出对应编号，经RS锁存器和74LS48译码后，显示器显示出选手编号，与此同时，74LS148处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。

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，主持人操作控制开关S2，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。

图6抢答电路仿真
3.2计时电路
计时电路的功能是设定答题时间30秒，可以通过不同的预置数端组合组合出不同的答题时间，由裁判控制抢答时间限制，按减数方式计时，每隔1秒，定时器减1，计时电路仿真图如图7所示。

因为在一般的抢答比赛中都是设置的整十秒数答题时间，所以我在设计中给出了10s-70s的整十计时数，不对开关作用时是30s，该电路选用有预置数功能的十进制同步加/减可逆计数器74LS192进行设计，两块74LS192实现减法计数，通过译码芯片4511显示到数码管上，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供，其中秒脉冲电路如图8所示。

工作过程为：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00时，输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时之后选手再作抢答无效，显示电路不会显示编号。

图7 计时电路仿真图
图8 秒脉冲电路
3.3报警电路
报警电路的功能是如果定时抢答时间已到，即倒计时对应的显示器上显示时间为00，却没有选手抢答时，本次抢答无效，报警器发出声响报警，或者裁判发出“开始”指令后有抢答者在规定时间内抢答也会产生报警,结合两种报警情况可以用与非门来实现，其中需要特别注意的是蜂鸣器默认电压报警电路参数是9V，应该将其修改为比电源电压5V低的参数，比如2V，仿真所得图如图9所示。

图9报警电路
4总结
4.1课程设计中遇到的困难和不足
一方面，在实际焊接电路的时候由于粗心，一根线的胶皮融化，导致正负极短路，期间检查了很久才找到问题所在。

另一方面自己对Multisim仿真软件的使用还不是很多，所以需要花比计划中更长的时间来学习和了解，最起初甚至不知道该如何寻找所需要的元件，也不清楚所需元件在哪里，也暴露出英语水平的缺陷，比如蜂鸣器该在哪里，显示器该从哪里找到，所以仿真中花了很多的时间。

起初电路中有选手抢答便停止计时功能没法实现，原因就是自己没有把其CP的部分一直接入高电平，就是这个一个简单的错误，却检查了很久，所以自己的这种所有功能电路一起实现的方法在元器件很多的情况下是很不可取的，在以后的课程设计中自己也会选择将电路分解来实现。

还有便是实际操作实物电路时为了节省芯片，在此次课程设计中，使用3输入与门和非门自己拼凑出了或门，节约了一种芯片的同时也化简了电路，使我收获很大。

4.2课程设计的收获
做了一周左右的课程设计已经结束，在这段时间的学习、设计、仿真、焊接、写报告过程中我感触颇深。

使我对抽象的理论有了具体的认识。

首先，通过这次课程设计，我了解了仿真软件的各项常用功能；我掌握了常用元件的识别和测试，以及如何提高电路的性能的方法的学习和实践等等。

其次，这次课程设计提高了我的动手操作能力，在实验过程中，让自己看到自己的不足，又用理论指导实践，实践检验理论。

实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于似懂非懂的状态，最后自己又仔仔细细地查看了相关知识，虽然这些花了很多时间使得课程设计的周期被无形中拉长了，但是收获不小。

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。

刚开始拿到这个课设题目，只是觉得题目很熟悉，在数电实验中做过，但是电路需要实现的功能明显比实验中的难了许多，但心想虽然功能多了，但是基本原理不变，然后查了资料结合基本原理，渐
渐有了头绪，确定了基本的设计方案，虽然比较繁琐复杂，但是经过不断地网上查阅，思路越来越加清晰，在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。

我深刻的体会到需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，花了很久连出的电路却实现不了自己想要的功能，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。

因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。

在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接以及电路的细节设计上，最后还是在通过多次对电路的改进，上机仿真，终于得以设计出可以在计算机上可以实现设计要求的功能的电路。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有光具备理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正得到合理正确的结果，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟就是体现我们克服困难的能力的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次课程设计终于完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，自己都一个一个地去寻找答案。

另外就是十分感谢学校给我们提供的课程设计，使我能够在学习中体验到实际设计的感觉，虽然有很多困难，但比起自己的收获，哪些困难就不算什么了。

课程设计能够帮助我们理解理论与实际之间的异同，更好地掌握课程中抽象的概念逻辑。

课程设计的结束并不是专业知识的结束，我们要从中有所收获，将其应用到未来的学习生活中。

5参考文献
[1]谢自美.《电子线路设计.实验.测试》第三版.武汉.华中科技大学出版社.2006年8月.
[2] 梁宗善主编.《新型集成电路的应用―电子技术基础课程设计》.武汉.华中科技大学出版社.
[3]孙梅生等编著.《电子技术基础课程设计》.高等教育出版社.
[4] 阎石.《数字电子技术基础》.高等教育出版社.2011年
[5]钱培怡.《电子电路实验及课程设计》.西安.西安电子科技大学出版社.1992年.
附录
抢答器整体电路图
体电路仿真图见图10所示，接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（如：30s），具体时间根据不同的预置数端的组合而不同。

当主持人将控制开关置于“开始”时，抢答器处于工作状态，八位参赛选手可以开始抢答，同时定时器开始倒计时。

当选手在规定时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；蜂鸣器发出短暂声响；控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答，此时其他选手抢答无效；控制电路要使定时器停止工作，即计时电路的两个数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。

图10整体电路仿真
主要芯片及其功能
74LS148
74LS148是8线－3线优先编码器，该编码器由8个信号输入端，3个二进制输出端，并且输入输出均为低电平有效，EI为输入使能端，低电平有效，所以，当EI为低电平时，编码器处于工作状态，EO为输出使能端，只有在EI=0，且所有输入都为1时，输出为0。

将8条数据线（0－7）进行3线(4-2-1)二进制（八进制）优先编码，即对最高位数据线进行译码。

利用选通端（EI）和输出选通端（EO）可进行八进制扩展。

其引脚图如图11所示，功能表如图表1所示。

从其功能表中可以得出，74ls148输入端优先级别的次序依次为I7，I6，…，I0。

当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端没有低电平输入时，输出端才输出相应该输入端的代码。

例如：I5=0且I6=I7=1(I6、I7优先级别高于I5)则此时输出代码010(为(5)10=(101)2的反码)这就是优先编码器的工作原理。

图11 74LS148引脚图
表1 74LS148功能表
74LS279
74LS279是由4个R-S锁存器组成，且均为与非门构成的RS锁存器。

其中1S和3S有两个输入端，S1和S2均为相与的关系，本设计中需要注意的是S和R不能同时为高电平，否则输出不确定。

其引脚图如图12所示，真值表如表2所示。

图12 74LS279引脚图
表2 74LS279真值表
74LS48
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中，其引脚图如图13所示。

引脚功能表如表3所示。

图13 74LS48引脚图
表3 74LS48功能表
74LS192
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,其引脚图如图14所示，其功能表如表4所示。

图14 74LS192引脚图
表4 74LS192功能表
555
555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

55的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k 电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555.
管脚如下：
1地 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值） 7放电 8电源电压Vcc
图15 555芯片引脚图
74LS283
全加器可完成两个 4 位二进制字的加法。

每一位都有和（∑）的输出，第四位为总进位（C4）。

本加法器可对内部 4 位，进行全超前进位，在 10ns（典型）之内产生进位项。

这种能力给系统设计者在经济性上提供局部的超前性能，且减少执行行波进位的封装数。

全加器的逻辑（包括进位）都采用原码形式。

不需要逻辑或电平转换就可完成循环进位。

图16 74LS283引脚图
表5 74LS283功能表
实验用元件清单
实验中使用了电源、开关、74系列芯片、电阻、电容等，实验所用元件如表5所示。