数字电路四路抢答器设计(论文)

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摘要

抢答器很广泛的用于电视台、商业机构及学校，为竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程上丰富了人们的业余生活。本文介绍一种数字式抢答器，能使四个队同时参加抢答,赛场中设有1个裁判台，4个参赛台，分别为A号、B号、C号、D号参赛台.抢答操作方便，在很多的场所都可以使用，并且给人的视觉效果非常好。

数字抢答器由抢答电路,定时电路,报警电路,时序电路组成。优先编码电路,锁存器,译码电路将参赛选手的输入信号在显示器上输，通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能,用控制电路和报警电路实现报警功能。以上几部分组成主体电路，从而构成数字抢答器。

关键字:抢答电路定时电路报警电路

Abstract

Answer a wide range of devices for television stations, businesses and schooLS, for the contest added a provocative, entertaining, to some extent, the rich people's spare time. This paper presents a digital Answer, and can participate Answer four teams at the same time, in court with a magistrateof Taiwan, Taiwan's four entries, namely, A, B number, C No., D No. entries Taiwan. Answer operation convenient, in many places are available, and it gives very good visual effects.

Answer by Answer browser digital circuits, timing circuits, alarm circuits, timing circuit. Priority encoder circuit, latch, decoder circuit will be participants in the display of the input signal is lost, through the timing circuit and decoding circuit to generate puLSe signaLS in the display output timing function, with control circuitry and alarm circuit alarm function. Above the main circuit composed of several parts, which pose a number of Answer devices.

Keyword: Answer circuits timing circuits alarm circuits

目录

第一章、概述 (4)

第二章、方案选择 (6)

一、设计目的 (6)

二、设计任务与要求 (6)

(一) 设计任务 (6)

（二）设计要求 (6)

三、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计 (7)

（一）设计方案 (7)

（二）系统框图 (7)

第三章、元器件功能原理介绍 (9)

一、设计中用到的元器件明细表 (9)

二、元器件介绍 (10)

（一）七段数码管 (10)

（二） 74LS48功能介绍 (11)

（三）74LS175 说明 (14)

（四）计数器74LS192 (16)

（五）NE555 (17)

（六）74LS121 (19)

第四章、单元电路设计及元器件选择 (20)

一、抢答电路 (20)

二、定时电路 (22)

三、报警电路 (24)

四、时序控制电路 (25)

五.数字译码管的显示电路 (27)

第五章、关键电路波形图 (29)

一、555定时器产生CP脉冲波形图 (29)

二、计时电路低位片4个输出的波形图 (29)

第六章、四路抢答器总电路图 (30)

致谢、 (31)

参考文献 (32)

第一章概述

用户单位举办知识竞赛的需求一般会通过小组必答题、个人必答题、抢答题、风险题、限时快速答题、现场观众题、附加题等多种题型来举办知识竞赛，其中抢答题是各企事业单位举行知识竞赛的必备题型，也是最重要的题型，其抢答过程也是竞赛的最重要过程。为了体现竞赛的公平公正，市场上出现了通过仪器来辅助监控、协助完成知识竞赛的抢答题环节，后来人们就习惯称这种设备为抢答器。

它广泛用于电视台、商业机构及学校，为竞赛增添了刺激性、娱乐性，在一定程度上丰富了人们的业余生活。但市面上所售抢答器价格一般较贵且多为小规模集成电路构成,其性能单一，工作起来不够理想。因此，提高抢答器的性能，使其具有更强的功能,使用可靠方便已为抢答器发展的一个方向。随着集成技术和计算机技术的发展，单片机作为其中一个分支亦于20 世纪80 年代以来获得了飞速发展，各种新品不断涌现，使单片机的应用更加深入，灵活性也大大增强。使得抢答器具有结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点。

实现抢答器功能的方式有多种，传统的抢答器一般采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路，功能单一。近年来随着科技的飞速发展，单片机、CPLD、PLC的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。于是出现了电子抢答器和电脑抢答器之分。

电子抢答器是一个硬件设备，也就是采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路实现的。这种传统的仪器设备，主要包括抢答器、抢答按扭、组别显示屏、计时显示屏、记分控制仪、记分显示屏等设备。其一般具有抢答、试题计时（含必答题、见风险题等其他非抢答题型）、各组各选手记分等功能。功能实现比较单一，而且使用电子抢答器进行抢答的违例判断，还是靠主持人进行操作，有很大的人为因素。

电脑抢答器是是由抢答主机、抢答按钮和一套知识竞赛软件组成的且需要借助电脑、投影机等多媒体设备辅助完成的更先进的知识竞赛成套设备。它的核心是软件程序，这个程序可以有无限的变化，实现用户的各种竞赛要求，硬件设备对它来说只是一个附属。其功能包括抢答功能、试题计时功能（包含必答题、风险题等其他非抢答题型）、各组各选手记分功能外，还增加如自动出题系统、自动记分排名系统、现场企业宣传、领导讲话等多个环节。它有比较完善的知识竞赛计分计时抢答系统，运用互动式多媒体技术，通过投影仪大屏幕或电视在现场播放，给观众强烈的视听感受，凝

聚竞赛现场气氛。可以显示参赛队、显示题目、显示排行榜、显示竞赛单位的各种图文资料，尤其如果用户有图片题和视频音频题。电脑抢答器提供了三种抢答方式判断，利用电脑控制，进行违例判别。杜绝了人为因素的干扰，消除了抢答争议，充分体现了公正公平原则。

运用计算机，实现知识竞赛多媒体演示，具有结构简单、功能强大、可靠性好、实用性强的特点是今后抢答器发展的一个大方向。

第二章方案选择

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

(一) 设计任务

设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1秒。选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。

（二）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，同时扬声器给出音响提示，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（9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，扬声器响，音响持续1秒。参赛选手在设定时间（9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，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。系统扬声器报警（音响持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。

6、可用石英晶体振荡器或者555定时器产生频率为1H z的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。

三、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计

（一）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，同时用LED数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用LED数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。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9秒，报警响声持续1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，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“清除”和“开始”状态开关。

（二）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。报警电路给出声音提示。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。

.

如图

（1）抢答开关──由四个开关组成，四名参赛选手各控制一个，拨动开关使相应的控制端的信号为高电平或低电平。

（2）优先编码电路──立即分辨出抢答选手的编号，并进行编码。

（3）锁存电路──锁存抢答选手的编号，并封锁其他开关的信号，保证抢答有效。

（4）抢答号码显示译码电路──将抢答者的编号用数码管给显示出来，以便更直观看到结果。

（5）控制开关──比赛开始之前供主持人使用，它能保证比赛前触发器统一清零，避免电路的误操作和抢答过程的不公平。

（6）时序控制电路──是抢答器的核心，当有选手抢答时，时序控制电路将抢答信号传递给优先编码电路和锁存电路。

（7）警报电路──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。

（8）定时电路──对抢答者回答问题时间进行控制的电路，规定9秒，超过60秒则抢答无效。

（9）时间显示译码电路──将定时时间用数码管给显示出来，如9秒则显示装置是一个二位数字显示的计数系统。

第三章元器件功能原理介绍一、设计中用到的元器件明细表

二、元器件介绍

（一）七段数码管

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

每条信号上都安排两个灯，这两个灯可以是并联也可以是串联，为了减小限流电阻上的损耗功率，同时也考虑到是逻辑芯片高电平输出有4V左右，而发光二极管的驱动电平为1道2V，我们采用了并联方式。如图所示信号灯模型：

图3.2.1

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

（1）静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

（2）动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起。

另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制。所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

图3.2.2

（二） 74LS48功能介绍

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

74LS48的输入端是四位二进制信号(8421BCD码)，a、b、c、d、e、f、g是七段译码器的输出驱动信号，高电平有效。可直接驱动共阴极七段数码管，是使能端，起辅助控制作用。

1、使能端的作用

LT是试灯输入端，当 LT=0， BI=1时，不管其它输入是什么状态，a~g

七段全亮；

BI静态灭灯输入，当 BI=0，不论其它输入状态如何，a~g均为0，显示管熄灭；

RBI动态灭零输入，当 LT=1， RBI=0时，如果 A3A2A1A0（ABCD）=0000时，a~g 均为各段熄灭；

RBO动态灭零输出，它与灭灯输入BI 共用一个引出端。当在动态灭零时输出才为0。片间与 RBI配合，可用于熄灭多位数字前后所不需要显示的零。

2、74LS48状态表

十进制输入I/RE 输出

或功能LT RBI DC a b c d e f g

0 H H 00 H 1 1 1 1 1 1 0

1 H X 00 H 0 1 1 0 0 0 0

2 H X 00 H 1 1 0 1 1 0 1

3 H X 00 H 1 1 1 1 0 0 1

4 H X 01 H 0 1 1 0 0 1 1

5 H X 01 H 1 0 1 1 0 1 1

6 H X 01 H 0 0 1 1 1 1 1

7 H X 01 H 1 1 1 0 0 0 0

8 H X 10 H 1 1 1 1 1 1 1

9 H X 10 H 1 1 1 0 0 1 1

3、引脚图

74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。

由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能：

①7段译码功能（LT=1，RBI=1）

在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平，见表1中1～16行。

②消隐功能（BI=0）

此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表1倒数第3行，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。

③灯测试功能（LT = 0）

此时BI/RBO端作为输出端，端输入低电平信号时，表1最后一行，与及DCBA 输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。

④动态灭零功能（LT=1，RBI=1）

此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，表1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA≠0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。