抢答器

第一章 设计目的 要求及技术指标

1.1设计目的

1.了解智能抢答器内部电路的工作原理。

2.掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法。 3.掌握智能抢答器的设计方法与电子线路系统的装调技术。 4.把理论用于实践，并提高动手能力。

1.2设计任务

设计一个智能抢答器，要求具有抢答电路，定时电路，报警电路，时序电路。

1.3设计要求及技术指标

1.3.1．设计要求

（1）四组参赛者在进行抢答时，当抢答者按下面前的按钮时，抢答器都能准确地判断出抢先者，并显示相应的组号。

（2）抢答器应具有互锁功能，某组抢答后能自动封锁其它各组进行抢答。 （3）系统应具有一个总复位开关。 （4）安装自己设计的电路 （5）通电调试。

1.3.2．提高部分

1、抢答者犯规或违章（主持人未说‘开始抢答’时，参赛者抢先按钮）时，应自动发出警告信号，以指示灯光闪为标志。

2、抢答器应具有限时功能，抢答时限时为30秒。

第二章 方案选择

2.1总的方案选择

1.方案一：采用门电路构成

此方案主要由与非门构成，常用电路图如下所示：

其基本的电路有抢答器主体电路、各组的抢答灯光显示电路、表示已抢答的抢答音响告知电路等几部分组成：

①抢答器主体电路：抢答器的主体电路，主要是由每个抢答组都具有的的抢答电路组成。它要求本组抢答电路的输出信号，能关闭其他再抢答的可能性。 ②灯光指示电路：当有一个抢答组已抢答时，则该组的抢答灯光显示电路应燃亮，使与会者一目了然地知道本组已抢答。

③裁判控制电路：有时需要设置一个裁判控制电路，以便裁判可以随时取消任何一组的抢答权利，或者控制所有各组能否抢答。

此方案以简单的电路实现了抢答器应具有的功能。但它完全是用与非门构成，在焊接电路时会有较大的困难。

2.方案二：用单片机实现。其常用电路如下：

这个抢答器由单片机以及外围电路组成，由于采用单片机，使得外围电路非常简单，功能并不比一般的抢答器少。但是由于我们没有学过单片机，对它并不熟悉，故不采用。

3.方案三：采用集成芯片构成。

采用集成芯片74LS148, 74LS48, 74LS192，555定时器等构成。其中，74LS148主要用于优先编码器电路中，74LS48用于数码管驱动电路，74LS192用于定时电路，由555定时器和三极管构成报警电路。此方案主要由我们所熟悉的芯片构成且结构简单，焊接时也不会遇到太多的问题。 综合以上方案，我们选择方案三实现抢答的设计。

下面我针对采用集成芯片构成八路智能抢答器电路的制作方案进行说明，通过该电路的说明会让我们更加感到其电路特性，并深刻的体会理论与实践接轨的重要意义。

第三章 抢答器电路设计及原理

3.1抢答器的组成框图

定时抢答器的总体框图如下图所示。他主要由主体电路和扩展电路两部分组成。主体部分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。

抢答按钮 主持人 控制开关 优先编码电路 锁存器 译码电路 显示电路 控制电路 主体电路 秒脉冲产 生电路 定时电路 译码电路 显示电路 扩展电路 定时抢答器的总体框图 图中所示定时抢器的工作过程是：接通电源时，节目支持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定的时间，

当主持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，抢答器处于工作状态，定时器倒计时，当定时时间到，却没有选手抢答时，输入电路，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成下面几个工作：

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，然后有译码显示电路显示编号；

2.制电路要对输入编码电路进行封锁，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，时间器上显示抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止，以便进行下一轮抢答。

3.2单元电路的设计及原理

3.2.1抢答电路

抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的先后，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。这里选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279完成上述功能，其电路图如下图所示：

抢答电路

其工作原理是：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，即抢答器处于等待状态，等待输入端I7~~I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S4）,74LS148的输出Y2Y1Y0=011，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=100，经74LS48译码后，显示器显示出“4”，此外，CTR=1，使74LS148

ST端为高电平，74LS148处于禁止工作的状态，封锁的其他按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的YEX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，有主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，进行下一轮的抢答

3.2.2．定时电路

由节目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数器进行预置，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，并将时间显示在共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG 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，且倒计时时间到时，BO2输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。

原理及设计：该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路（555定时器功能如表2所示）、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。具体电路如图3所示。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74192的预置数控制端实现预置数．设计的定时电路如下：

定时电路

3.2.3报警电路

由555定时器和三极管构成的报警电路如下所示：

其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）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。

3.2.4 时序电路

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抢答器电路图，设计的时序控制电路如下所示：

时序电路

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 。

3.2.5电路设计说明

主持人控制开关从\"清除\"位置拨到\"开始\"位置时，来自于抢答器电路中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A＝1，则时钟信号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。当定时时间到时，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 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。

第四章 智能抢答器最终结果

4..1智能抢答器原理总图

4.1.1 PROTEUS主体电路仿真图

4.1.2 protel原理图

4.1.3 PCB图

顶层线

底层线

4.1.4 3D图

第五章 部分器件功能介绍

（1） 74LS279RS锁存器

当R=1，S=0时，输出为；当R=1S=1时，锁存器具有保持功能，将输出一直保持为1，达到锁存的目的。

表1 74LS279 锁存器功能表

S1输入 S2 R 输出 Q 1 1 0 没改变 0 0 0 1 0 X 1 X 0 1 1 1 0 1 1 1

图5 74LS279锁存器引脚图

（2） 74LS148优先编码器

在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上编码信号。不过在设计优先编码器时，已经将所有的输入信号按优先顺序排了队。在同时存在两个或两个以

上输入信号时，优先编码器只按优先级高的输入信号编码，优先级低的信号则不起作用。74LS148是一个八线-三线优先级编码器。

如图所示的是八线-三线编码器74LS148的惯用符号及管脚图引脚图。

74LS148优先编码器为16脚的集成芯片，除电源脚VCC(16)和GND(8)外，其余输入、输出脚的作用和脚号如图中所标。其中I0—I7为输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端。

由74148真值表可列输出逻辑方程为： A2 = (I4+I5+I6+I7)IE

A1 = (I2I4I5+I3I4I5+I6+7)·IE A0 = (I1I2I4I6+I3I4I6+I5I6+I7)·IE 使能输出端OE的逻辑方程为：

OE =I0·I1·I2·I3·I4·I5·67·IE

当使能输入IE=1时，低电平有效。禁止编码、输出(反码)： A2,A1,A0为全1。(如表5.1.2第一行所示。)

当使能输入IE=0时，允许编码，在I0～I7输入中，输入I7优先级最高，其余依次为：I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0等级排列。

OE为使能输出端，它只在允许编码(IE=0)， 而本片又没有编码输入时为0。如表5.1.2中第二行所示)。 扩展片优先编码输出端GS的逻辑方程为： GS = (I0+I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7)·IE

GS为片优先编码输出端，它在允许编码(IE=0)，且有编码输入信号时为0(如表5.1.2中第三至第十行)；若允许编码而无编码输入信号时为1(如表5.1.2第二行)；在不允许编码(IE=1)时，它也为1(如表5.1.2第一行)。 GS = 0表示“电路工作，而且有编码输入” 74LS148优先编码器真值表：

用两片74LS148优先编码器扩展为十六线-四线优先编码器的连线图 ：

（3） 74LS192计数器

74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。(bcd,二进制)，下面我们介绍74LS192引脚图,74LS192功能表等资料。

◆ 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。

《74LS192引脚图》 74LS192功能表：

（4） 74LS48译码器

74LS48译码器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，下面我就给大家介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料。

<74LS48引脚图>

74LS48引脚功能表—七段译码驱动器功能表 十进制数 输入 或功能 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 H H H x H x H x H x H x H x H x H x H x H x H x H x 输出 BI/RBO a b 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 c d e 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 备注 f g 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 LT RBI D C B A 0 0 0 0 H 0 0 0 1 H 0 0 1 0 H 0 0 1 1 H 0 1 0 0 H 0 1 0 1 H 0 1 1 0 H 0 1 1 1 H 1 0 0 0 H 1 0 0 1 H 1 0 1 0 H 1 0 1 1 H 1 1 0 0 H

13 14 15 BI RBI LT H x H x H x x x H L L x 1 1 0 1 H 1 1 1 0 H 1 1 1 1 H x x x x L 0 0 0 0 L x x x x H 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 2 3 4 （5） 数码显示器 发光二极管显示器．８段发光二极管数码显示器 B7FF电路如图７

二极管数码显示器

（6） 555 定时器

555定时器功能表 ui1 × ui2 × uO 0 1 1 0 0 、

0 1 1 1 1 T的工作状态 导通 截止 截止 导通 导通

(7) 74LS20

74LS20引脚图

74ls20芯片的功能很简单，就是包含两个4输入与非门，内含两组4与非门 第一组：1,2,4,5输入6输出。 第2组：9,10,12,13输入8输出。 (8) 74LS04

74LS04引脚图

(9)74LS121单稳态触发器

74LS121芯片是一种常用的单稳态触发器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统之中，74LS121的输入采用了施密特触发输入结构，所以74LS121的抗干扰能力比较强.

74LS121管脚图和逻辑符号如下：

管脚功能描述: 管脚3（A1）、4（A2）是负边沿触发的输入端；

管脚5（B）是同相施密特触发器的输入端，对于慢变化的边沿也有效； 管脚10（Cext）和管脚11（Rext/Cext）接外部电容（Cx），电容范围在10pF～10µF之间；

管脚9（Rint）一般与管脚14（VCC，接＋5V）相连接；如果管脚11为外部定时电阻端时，应该将管脚9开路，把外接电阻（Rx）接在管脚11和管脚14之间，电阻的范围在2～40kΩ之间。 其他管脚：管脚7（GND）、管脚2、8、13为空脚。

第六章 电路安装与调试

6.1安装要求

第一：合理安排集成块和元器件的位置，为了美观大方要求各元件尽可能的保持在同一条直线上；

第二： 合理布局，分级装调。智能抢答器是一个小型电路系统，安装前要对整机线路进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布线， 且每一级的地线尽量接在一起，连线尽可能短，否则很容易产生自激。

第三： 要特别注意：安装前应检查元器件的质量，安装是特别要注意抢答块、定时块、电解电容等主要器件的引脚和极性，不能接错。从输入级开始向后级安装 。

6.2安装调试

6.2.1 安装调试

根据需求选择电路的设计单元进行组合，完成系统的原理图设计与PCB设计，对制作好的PCB板，按照装配图或原理图进行器件装配，装配好之后进行电路的调试。一般调试步骤如下：

⑴ 通电前检查：首先仔细检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。

⑵ 通电检查：接入电路所要求的电源电压，通电调试。观察电路中各部分器件有无异常现象，如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。

⑶ 单元电路调试：调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的整机联调创造条件。通过调试掌握必要的数据、波形、现象，然后对电路进行分析、判断，排除故障，完成调试要求。 ⑷ 整机联调：整机联调时主要观察动态结果，检查电路的性能和参数，分析测量的数据和波形是否符合设计要求，对发现的故障和问题及时采取处理措施。

（5）、通电准备打开电源之前，先按照系统原理图检查制作好的电路板的通断情况，并取下PCB上的集成块，然后接通电源，用万用表检查板上的各点的电源电压值，完好之后再关掉电源，插上集成块。 6..2.2 单元电路检测 一 、抢答电路

把主持人的控制开关设置为“清除”位置，用万用表检查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。然后把主持人的控制开关拨到“开始”位置，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，给8路抢答端口即输入端I7„I0给上低电平的输入信号，如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=1，74LS279处于工作状态，

4Q3Q2Q=101，YEX=0，经RS锁存器后，出“5”。此外，CTR=1，使74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。 二、 定时电路

用示波器检查555的输出波形是否为1Hz的方波信号，如不是对555的外围电路进行调整达到要求为止。给74LS192的数据输入端设定一次抢答的时间，如35秒（00110101）的八位数据。观察显示器的显示时间是否进行减一的计数。有问题按原理进行修改。

时序控制及报警电路

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。 三、整机调试

1、开始时，主持人将控制开关接地，抢答电路部分锁存器74LS279的状态输出全为0，74LS48的灭灯输入与锁存器74LS279的Q1相接，故抢答电路无显示（清除）；与此同时，在计时电路部分，减法计数器74LS192的预置数端为0，将事先的预置数送入减法计数器中。当主持人按键弹起时，计数器开始计数工作，抢答开始。

2.在没有人按键且抢答时间没到时，优先编码器/YEX输出为1 计数器BO2输出为1，ST数器都正常工作；

3、当在规定时间有人按下抢答按键时，/YEX输出为“0”， CTR=1 /ST=1，优先编码器停止工作，此后选手的抢答无效，电路将按键者的编号显示在LED上；同时，CTR=1，计数部分的计数脉冲CLCKCTR*BO2*CPBO2*CTR＝0, CLCKCTR*BO2*CP优先编码器和计

=0，计数

器停止工作，此时的倒计时时间记录并显示在LED上； /YEX由1跳变到0，74121有状态2，即/Q输出暂态低电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为tw=4.3秒。 如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态2，/Q输出暂态

tw低电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为此后的抢答按键无效。 6.3通电观察

=4.3 秒；ST=1，抢答电路停止工作，

把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无冒烟，是否有异味， 手摸器件是否发烫，电源是否有短路现象等。如果出现异常，应立即断电源，待排除故障后才能再通电。然后测量各路总电源电压和各器件的引脚的电源电压，以保证元器件正常工作。 6.4 调试中注意事项

调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。为了保证调试的效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点： 1） 正确使用测量仪器的接地端 2） 正确选择测量点。 a) 电路的测试

经测试，所设计的抢答器完全符合计要求，现将测试结果记录如下:

1.参赛者在进行抢答时，当抢答者按下抢答按钮时，抢答器都能准确地判断出抢先者，并以光为标志（光亮时间设定为9秒后自动熄灭）。

2. 抢答器具有互锁功能，某组抢答后能自动封锁其它各组进行抢答。 3.抢答者犯规或违章（主持人未说‘开始抢答’时，参赛者抢先按钮）时，应自动发出警告信号，以指示灯光闪为标志。

4.系统具有一个总复位开关。当一轮抢答结束后,只有在主持人按下复位开关才可以进行下一轮抢答.

第七章 结束语

7.１心得体会

这次的数电设计，把以前我们所学的模电知识，数电知识有机的结合了起来，组成了一个完整的系统。通过这次的锻炼，我们不仅动手能力得到了加强，更重要的是学到了很多新的技能知识 ，像怎样

把一个复杂的问题分解出一个个小模块，使复杂电路变为简单的实验电路。通过我们所学的知识一步一步解决出来，同时我们还学到了怎么样选择电路，如果一个电路没有选择好即使你做出来事物后，输出来的效果也不是很理想的。所以在选择电路方面是要发点精力的。还有我学到了做好事物以后怎么样去检查电路的错误，怎么样解决电路的错误，使自己所做的东西达到预定的效果。

这次我们也充分利用了网络的优势，找了很多参考资料。参考了他人的制作方案和经验，再根据自己的理解和认识设计出了电路图。可以说网络的存在也是我们成功的关键。

7.2 设计总结

１，确定实现功能的总方案

２，把电路分成几个部分，再分别确定 ３，查找资料，了解所需元件的功能

4，确定电路买好元件后，对电路进行安装，调试，记录结果

第八章 附录

8.1元件清单 电子元件清单 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

名 称 抢答器PCB板 共阴极显示器 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 瓷片电容 发光二极管 三极管 74LS148 开关 74LS121 74LS48 74LS279 74LS192 74LS00 NE555 细直导线 型 号/规 格 XDA6 510 1K 4.7K 5.1K 100K 10 15K 68K 0.1uf 10uf 100uf 4.7uF 1uF 100uF 4148 3DG12 50厘米 数 量 1 3 2 9 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 8 1 1 8 1 3 1 2 1 1 1 备 注 张 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 只 条

8.2参考文献

[１]、谢自美 《电子线路设计.实验. 测试》 华中科技大学出版社 [２]、刘书明、冯小平《数据采集系统芯片AduC812原理与应用》 [３]、康华光 《数字电子技术》 高等教育出版社

［4］、 陈汝全主编： 《第二版—电子技术常用器件应用手册》，北京。机械工业出版社。2000.10