安徽工业经济职业技术学院
毕业论文（设计）
题 目： 数字式竞赛抢答器的设计与制作
系 别： 电子信息技术系
专 业： 应用电子技术
学 号： 200751112
学生姓名： 田芹
指导教师： 蒋鸣东
职 称：
二O 一O 年 六 月 日
数字式竞赛抢答器的设计与制作
摘 要：数字式竞赛抢答器是由主体电路与扩展电路组成。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出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，
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以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲所产生的信号在显示器上输出，实现计时功能，构成扩展电路。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。
关键字：抢答电路 定时电路 报警电路 时序控制
引言
目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，通过对数字电路的设计，熟练掌握设计的方法、步骤。
在现在科技进步的世界里,无论工厂、学校和电视台所举办的节目都可能会有各种智力竞赛,当遇到抢答环节时,如果要求主持人自己去用肉眼观察那一个选手抢答的速度最快无疑会对比赛结果造成很大的影响,使比赛失去了公平和公正性,这时候我们想到了抢答记分器是必要设备。我中学参加过各种竞赛,我们经常遇到有抢答的环节，由于条件有限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。所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者。为了使这种不为了使这种不公平不发生，只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。
一．设计任务
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1.任务和要求
（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，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给工作人员，该开关由主持人控制，以便能开始新的一轮的抢答。
（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，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到支持人将系统清除为止。
（4）抢答器具有定时抢答功能，且一次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，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5秒左右。
（5）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。
（6）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，定时器显示器上显示00。
二．实验所需的元器件
（1） 数字试验箱。
（2） 集成电路74LS148 1片，74LS279 1片，74LS48 3片，74LS192 2片，NE555 2片，74LS00 1片，74LS121 1片。
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（3） 电阻510Ω 2只，1kΩ 9只，4.7kΩ 1只，5.1kΩ1只，100kΩ 1只，10kΩ 1只，15kΩ 1只，68kΩ 1只。
（4） 电容0.1uF 1只，10 uF 2只，100 uF 1只。
（5） 三极管3DG12 1只。
（6） 其它：发光二极管2只，共阴极显示器3只。
三．总体的设计思路
（一）任务和要求
（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，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给工作人员，该开关由主持人控制，以便能开始新的一轮的抢答。
（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，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到支持人将系统清除为止。
（4）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动“开始”键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5秒左右。
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（5）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。
（6）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，定时器显示器上显示00。
（二）设计原理与参考电路
（1） 数字抢答器总体方框图
图1 原理方框图
其工作原理为：在接通电源的情况下，要进行抢答之前，主持人要把开关拨到“清零”的状态，这时的抢答器处于禁止工作状态，编号显示器的灯是灭掉的，定时器显示设定时间，主持人宣布开始，并将抢答器开关拨到“开始”状态，抢答器工作。在定时器倒计时，扬声器会给出声音提示。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，定时器会停止、禁止二次抢答、定时器显示剩
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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。
四．各单元设计电路图与原理分析
各单元部分电路设计如下
（1）抢答电路参考电路图
图2 数字抢答器电路
电路选用优先编码器74LS148和锁存器74LS279来完成。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，同时译码器显示电路显示编号，二是禁止其他选手之后按键，其按键操作无效。工作过程：当开关S置于“清除”端时，
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RS触发器的两端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的优先编码工作标志端=0，使之处于工作状态。当开关S置于“开始”时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，1Q=1，74LS148处于禁止工作状态，4Q3Q2Q=101，经译码显示为”5”。此外，1Q=1，使74LS148=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的此时由于仍处于1Q=1，使=1，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。74LS148的功能真值表如下图所示
表1 74LS148的功能真值表
（2）报警电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图所示
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图3 报警电路
其中555构成多谐振荡器，振荡频率f=1.43/(R1+2R2)C1，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。
（3）时序控制电路
时序控制电路时抢答器设计的关键，它主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，扬声器发声提示，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，此次抢答无效。
根据上面的功能要求以及抢答器电路参考电路图，设计的时序控制电路如图所示
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图4 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的输入使能端（即图中的5端），报警电路的工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自于数字抢答器电路图中的74LS279的输出1Q=0，经G3反相，输出A=1,则NE555产生的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，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键时，1Q=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=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，则“定时到信号”为0，=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，集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。
（4）可预置时间的定时电路
由节目支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数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预置时间的电路选手十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路图如图所示
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图5 控制电路
五．方案论证与比较
（1）具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵避免有人在主持人说“开始”前提前抢答违反规则。
（2）具有定时功能，在30秒内无人抢答表示所有参赛选手或参赛队对本题弃权。
（3）30秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。
六．扩展功能
（1）可以设计声控装置，在主持人说话开始时，系统自动完成清零并开始计时的功能。
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（2）在主持人读题的过程中，禁止抢答，可以再主持人控制的开关上另接一个与图2一样的电路，即可实现“违规者可见”的功能，即在主持人读题时如果有人违反比赛规定抢先按动按钮，显示器可以显示是哪个参赛队抢先，便于作出相应的处理。
心得体会
经过这次课程设计，使我更加深刻体会了电路课程中所教软件。
数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能测量正弦信号.方波信号,尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物理量。
总的来说，本次课程设计是很有意义的，是一个很好的考验对课程知识的掌握和应用的机会。
我觉得通过这次课程设计，使我对《数字电子技术》这门课有了进一步了解。把课堂上学到的书本知识灵活的应用到了实际操作当中，这是一个很有意义的进步。
总之，这次做课程设计不仅是对自己的能力的一个考验，更是一个让自己学习新的知识的机会。我在做这次课程设计的过程中也受益匪浅，进一步拓宽了自己的知识面，充实了自己的头脑。
参考文献
（1）《电子技术基础.数字部分（第四版）》 高等教育出版社2003年3月 主编：康光
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（2）《74系列芯片手册》 重庆大学出版社1999年9月 主编：李海
（3）《可编程控制器应用系统设计及通信网络技术》郭宗仁 人民邮电出版社2002
（4）《可编程控制器SH系列用户手册》（第1版）崔浩然 华光电子工业有限公司2006
（5）《SZ/SH系列编程手册[M]》李红华光电子工业有限公司2004
（6）《可编程程序控制器及其应用》李建新 机械工业出版社2000
（7）《可编程控制器基础及编程技巧》陈宇 段鑫 华南理工大学出版社2002
（8）《PLC在工业机械手中的应用研究》邓昌奇 熊德琴 机电工程技术2001
（9）《可编程控制器原理及实用实例》张进秋 陈永利 张中民机械工业出版社1999
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