八路抢答器及倒计时

绪论

进入21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是必要设备。过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，也使比赛更突显其公平公正的原则。

今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是酒无法实现，例如参赛人数的增加。随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。

一、设计的目的及任务

1、设计的目的

多功能抢答器在当今社会有着广泛的应用有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，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；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。

2、设计的任务及要求

（1）抢答器同时供8名选手比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。

（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）抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

二、电路设计总方案及原理框图

电路总体框图如下所示:

图1 数字抢答器系统框图

如图所示电路包括主体电路和扩展电路两部分。其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。图1所示电路的工作过程是：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（9s），当主持人将控制开关置于“开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：

（1）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；

（2）扬声器发出短暂声响；

（3）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；

（4）控制电路要使定时器停止工作，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。[2]

三、各单元电路的工作原理

1、抢答器电路

抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的的先后，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74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如图3-1所示：

图3.2.1 抢答电路

其工作原理是：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（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I

7、I

6

、I

5

、I

4

、I

3

、I

2

、I

1

、I

输入信号，当

有选手将键按下时（如按下S

5），74LS148的输出Y

2

Y

1

Y

=010，Y

EX

=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Y

EX 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。[1]

2、定时电路

74LS48的7，6，2，3引脚接受来自74LS192的输出信号并把它译码显示

在数码管上。74LS192的9，10，11，15引脚完成时间设定功能，本设计要求定时9秒， 555芯片完成产生秒脉冲的功能。工作过程为：抢答开始前，74LS192的置数端为低电位，处于初始状态，数码管显示为9，5引脚接高电位。抢答开始后，秒脉冲冲推动右边的芯片开始倒记时，同时右边芯片产生的信号做为左边芯片的CP信号推动左边的芯片倒记时，完成十进制的倒记时功能。当有人抢答后1Q的输出为1，经过非门后变为0，通过与门屏蔽了秒信号，停止记时，完成显示抢答时间的功能。当记到了9秒时，左边的芯片产生的定时到信号输出为低电位，也屏蔽了秒信号，使得数码管显示为0。[1]

图3.2

3、报警电路

由555定时器和三极管构成的报警电路如图3.3所示：

图3. 3 报警电路其中555构成多谐振荡器，振荡频率为：

f 0=1/(R

1

+2R

2

)*C*ln2=1.43/(R

1

+2R

2

)*C

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，电路停振不再工作。[1]

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入正常抢答工作状态，

（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 3.2.1和图 3.2.2，设计的时序控制电路如图3.2.4所示：

钟信号74LS 00D

图3.2.4(A) 抢答与定时电路的时序控制电路

图3.2.4(B) 报警电路的时序控制电路

图中，门G 1的作用是控制时钟信号CP 的放行与禁止，门G 2的作用是控制

74LS148的输入使能端ST 。图3-4（a ）的工作原理是：主持人控制开关从“清

零”位置拨到“开始”位置时，来自于图3-1中的74LS279的输出CTR=0，经G 3

反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP 能够加到74LS192的CP D 时钟输入

端，定时电路进行递减计时，在定时时间未到时，来自于图3-2的74LS192的借

位输出端BO 2=1，门G 2的输出ST=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G 3反相，A=0，封

锁CP 信号，定时器处于保持状态，门G 2的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状

态，从而实现功能②的要求；当定时时间到时，来自于图3-2的74LS192的借位

输出端BO 2=0，门G 2的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢

答，门G 1同时处于关门状态，封锁CP 信号，使定时电路为00状态，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。[2]

四、电路仿真

在proteus软件中进行电路仿真如下图

五、电路的安装及调试

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。

六、结论

通过这次的课程设计，我学会了很多知识实习将理论与实践有机地结合，巩固了理论知识的掌握程度，为今后的发展提供了一次良好的学习环境。调试工作是个精细工作。在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的等因此排查过程需要特别有耐心，通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后检查出问题所在。当最后解决问题时，电路的正确是非常振奋，也很有成就感和满足感。

总之，在设计过程中学到了许多。作为现代的大学生，如果仅停留在以往的层次上，是远远跟不上时代的步伐，也无法使自己立足在竞争如此激烈的社会里，通过此次实习，看到了自己的水平和差距，学要在今后的学习中又进一步的提高。参考文献：

[1] 《数字电子技术基本教程》阎石主编。- 清华大学出版社，2007.8

[2] 《数字电路与课程设计》吕思忠、施齐云主编。-哈尔滨工程大学出

社，2001。