项目任务书
题目： 智力竞赛抢答装置的设计与调试
系 部 学科门类 专 业 学 号 姓 名 班 级
2015年12月12日
智力竞赛抢答装置的设计与调试
摘 要
抢答器在现实生活中很常见，主要运用于各类竞赛中。在竞赛中往往分为几组参加，这是针对主持人提出的问题，各组一般要进行抢答，对于抢答，要判定哪组先按键，为了公正，就要有一种逻辑电路抢答器作为裁判员。本文介绍了一种利用数字电路实现的抢答系统，具有很强的实用性。
数字抢答器有主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛组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，以上两部分组成主体电路。抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，若有选手安东强大按钮，编号立即锁存，并数码管上显示选手的编号，同时扬声器给出声音提示；同时封锁输入电路，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。
关键词：抢答器 定时电路 报警电路 数码管显示
目 录
一引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.1 课题来源及意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2 研究现状及趋势„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
二系统设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
2.1 概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.2 方案比较„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.3 方案确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
三电路设计与调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 四总结与展望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8
4.1总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 4.2 展望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8
参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 附录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
一 引言
1.1 课题来源及意义 1.1.1 课题来源
老师命题
1.1.2 研究的意义
在这个竞争激烈的社会中，知识竞赛，评选优胜，选拔人才之类的活动愈加频繁。在
竞赛中，都是多个选手一起参与，如果采用举手回答问题的这个方式来进行竞赛已经不适应社会的需要。并且，在主持人提出的问题的时候，如果让选手用举手等方法来进行抢答，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。而在当今社会里，比赛要追求准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这时候抢答器就派上用场了。现在智力竞赛也越来越被多数人喜爱和娱乐，而且国内外各地电视台、工厂、学校等单位也会常常举办类似的智力竟赛活动，智力竞赛抢答器在娱乐竞赛中发挥了重要的作用。在有些地方举行的各种智力竞赛游戏中我们经常看到有抢答的环节，抢答器也就成了解决公平性问题的重要工具。
1.2 研究现状及趋势
抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块，而专用集成块的购买又很困难。为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器，这种抢答器具有电路简单，元件普通，易于购买等优点，很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。在国内外已经开始了普遍的应用。
由于抢答器使用频率较低，且制作程序复杂，容易让人对其减少兴致。作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。
而且目前多数抢答器存在三个不足之处：第一，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。第二，电路复杂。第三，选手抢按成功，但出现没有抢答被记录的问题。
二 系统设计
2.1 概述
2.1.1 抢答器的系统原理
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，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, 当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示零。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。
图1 数字抢答器框图
2.1.2 单元电路各部分介绍
（1）抢答电路
该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。 （2）定时电路
节目主持人通过按复位键来进行抢答倒计时。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。 （3）报警电路
当抢答者按下抢答器抢答成功之后，报警器开始发出警报。 （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。
2.2 方案比较
方案1：采用CD4511芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽然比较简便，但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。
方案2：采用JK 触发器和译码器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实现锁存功能时可以简单的实现。
2.3 方案确定
经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案2。然后利用软件proteus 来进行仿真调试，再进行逐步改进。
三 电路设计与调试
(1) 抢答器电路
工作过程：开关S 置于" 清除" 端时，RS 触发器的 端均为０，４个触发器输出置０，使74LS148的 ＝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，当有选手将键按下时（如按下S4），74LS148的输出 经RS 锁存后，1Q=1,74LS48处于工作状态，４Q ３Q ２Q=100,经译码显示为"4" 。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 此时由于仍为１Ｑ＝１，使ST ＝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为8线－3线优先编码器.
22
图２ 数字抢答器电路
(2) 定时电路
由节目主持人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用十进制同步加减计数器74LS192进行设计。
（3）报警电路
Key = Space
图3 定时电路
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。
图4 报警电路
(4) 零点锁存电路
（5）整体电路及软件仿真的效果图
图6 仿真效果图
（6）元器件清单
1. 集成电路： 74LS148 1片 74LS373 1片 74LS48 2片
74LS192 1片 NE555 1片 74LS00 2片
74LS121 2片 74LS21 1片 74LS32 1片 74LS08 1片
2. 电 阻： 100K Ω 2只 40Ω 2只 15kΩ l 只 68kΩ l 只 3. 电 容： 10UF 3只 10nf 1只
4. 其 它： 共阴极显示器 2只 双刀单闸开关 1只 PBNO 开关 4只
buzzer 蜂鸣器2只
（7）调试结果分析
1. 置数：通过单刀双掷开关将74ls192的load 输入端先置为高电平，使74ls192实现置数功能，将其置为1001，再通过开关，将load 输入端先置为低电平，使其开始倒计
2. 当主持人按下开始按钮时, 蜂鸣器响，选手开始抢答, 并且倒计时开始倒计, 当有任何一个选手按下按钮时LS148被锁存, 蜂鸣器响，其他选手按下无效, 同时倒计时制止, 数码管显示剩余时间和选手对应的号码, 倒计时数码管显示为0，蜂鸣器响，禁止选手抢答。主持人再置为开始状态, 其他选手才可以继续抢答, 倒计时从新倒计, 进入下一个抢答状态.
3. 当无选手按按钮是, 倒计时继续直到倒计时为零, 此时零点到的信号将LS148锁存, 选手再按下按钮无效, 同样只有当主持人清零后再置为开始状态, 其他选手才可以继续抢答。
4. 锁存的实现:LS373的有信号输入时，通过74LS21将信号反馈回74LS373的使能端EI, 此时LS373被高电平锁住，停止工作，禁止其它选手抢答，同时将低电平信号反馈回74ls192的倒计时输入端，使其停止工作，保持剩余抢答时间。当倒计时为0时，通过74LS32将信号反馈回74LS148的使能端EI ，此时LS148被锁在低电平，停止工作，禁止有选手超时抢答，同时将低电平信号反馈回74ls192的倒计时输入端，使其停止工作，停止倒计时。主持人通过单刀双掷开关对LS373和LS148的使能端的控制来清除锁存信号, 并使得抢答器重新工作。
时。
四 总结与展望
4.1总结
通过两个多星期的课程设计，完成设计要求。设计进行地比较成功，对常用的芯片无论是从功能上，还是构造上都在了更深的了解，更重要的是锻炼了我们的动手能力，平时看书都能看得明白，但是到了仿真的时候还是会出现很多的问题，有时候一个小失误致使整个电路工作状态出现错误，但是还是能过一次次的调试，一次次地去修改最后得出了成品。
4.2 展望
通过实践也掌握了书本以外的电子技术知识，进一步了解有关集成电路的功能和使用方法。熟悉数字电路系统的计算机仿真设计方法及调试技术，培养了专心致志的工作学习习惯，懂得了相互之间的理解与体谅，也学了一个新的软件，可谓获益匪浅。
本文对数字电子逻辑原理只做了简单的论述，对其原理其技术应用上远远不够。然而数字逻辑原理在数字技术领域上是非常重要的，所以对此技术还需深入研究。数字技术是当前发展最快的学科之一，相应地，数字逻辑电路的设计方法在不断地演变和发展。所以，还需要我们不断的学习和探索。在今后的学习中，我会抓住每一个与这些问题有关的学习机会，继续深入的研究探讨，拓展自己的视野。
参考文献
[1] 王毓银, 数字电路逻辑设计. 北京：高等教育出版社，2005.
[2] 阎石，数字电子技术基础(第五版)[M ].北京：清华大学出版社，2006. [3] 康华光, 电子技术基础. 北京：高等教育出版社, 2000.
附 录
整体电路
项目任务书
题目： 智力竞赛抢答装置的设计与调试
系 部 学科门类 专 业 学 号 姓 名 班 级
2015年12月12日
智力竞赛抢答装置的设计与调试
摘 要
抢答器在现实生活中很常见，主要运用于各类竞赛中。在竞赛中往往分为几组参加，这是针对主持人提出的问题，各组一般要进行抢答，对于抢答，要判定哪组先按键，为了公正，就要有一种逻辑电路抢答器作为裁判员。本文介绍了一种利用数字电路实现的抢答系统，具有很强的实用性。
数字抢答器有主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛组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，以上两部分组成主体电路。抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，若有选手安东强大按钮，编号立即锁存，并数码管上显示选手的编号，同时扬声器给出声音提示；同时封锁输入电路，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。
关键词：抢答器 定时电路 报警电路 数码管显示
目 录
一引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.1 课题来源及意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2 研究现状及趋势„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
二系统设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
2.1 概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.2 方案比较„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.3 方案确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
三电路设计与调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 四总结与展望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8
4.1总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 4.2 展望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8
参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 附录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
一 引言
1.1 课题来源及意义 1.1.1 课题来源
老师命题
1.1.2 研究的意义
在这个竞争激烈的社会中，知识竞赛，评选优胜，选拔人才之类的活动愈加频繁。在
竞赛中，都是多个选手一起参与，如果采用举手回答问题的这个方式来进行竞赛已经不适应社会的需要。并且，在主持人提出的问题的时候，如果让选手用举手等方法来进行抢答，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。而在当今社会里，比赛要追求准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这时候抢答器就派上用场了。现在智力竞赛也越来越被多数人喜爱和娱乐，而且国内外各地电视台、工厂、学校等单位也会常常举办类似的智力竟赛活动，智力竞赛抢答器在娱乐竞赛中发挥了重要的作用。在有些地方举行的各种智力竞赛游戏中我们经常看到有抢答的环节，抢答器也就成了解决公平性问题的重要工具。
1.2 研究现状及趋势
抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块，而专用集成块的购买又很困难。为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器，这种抢答器具有电路简单，元件普通，易于购买等优点，很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。在国内外已经开始了普遍的应用。
由于抢答器使用频率较低，且制作程序复杂，容易让人对其减少兴致。作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。
而且目前多数抢答器存在三个不足之处：第一，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。第二，电路复杂。第三，选手抢按成功，但出现没有抢答被记录的问题。
二 系统设计
2.1 概述
2.1.1 抢答器的系统原理
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，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, 当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示零。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。
图1 数字抢答器框图
2.1.2 单元电路各部分介绍
（1）抢答电路
该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。 （2）定时电路
节目主持人通过按复位键来进行抢答倒计时。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。 （3）报警电路
当抢答者按下抢答器抢答成功之后，报警器开始发出警报。 （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。
2.2 方案比较
方案1：采用CD4511芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽然比较简便，但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。
方案2：采用JK 触发器和译码器来完成抢答部分。虽然元件较多，但在实现锁存功能时可以简单的实现。
2.3 方案确定
经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案2。然后利用软件proteus 来进行仿真调试，再进行逐步改进。
三 电路设计与调试
(1) 抢答器电路
工作过程：开关S 置于" 清除" 端时，RS 触发器的 端均为０，４个触发器输出置０，使74LS148的 ＝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，当有选手将键按下时（如按下S4），74LS148的输出 经RS 锁存后，1Q=1,74LS48处于工作状态，４Q ３Q ２Q=100,经译码显示为"4" 。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 此时由于仍为１Ｑ＝１，使ST ＝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为8线－3线优先编码器.
22
图２ 数字抢答器电路
(2) 定时电路
由节目主持人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用十进制同步加减计数器74LS192进行设计。
（3）报警电路
Key = Space
图3 定时电路
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。
图4 报警电路
(4) 零点锁存电路
（5）整体电路及软件仿真的效果图
图6 仿真效果图
（6）元器件清单
1. 集成电路： 74LS148 1片 74LS373 1片 74LS48 2片
74LS192 1片 NE555 1片 74LS00 2片
74LS121 2片 74LS21 1片 74LS32 1片 74LS08 1片
2. 电 阻： 100K Ω 2只 40Ω 2只 15kΩ l 只 68kΩ l 只 3. 电 容： 10UF 3只 10nf 1只
4. 其 它： 共阴极显示器 2只 双刀单闸开关 1只 PBNO 开关 4只
buzzer 蜂鸣器2只
（7）调试结果分析
1. 置数：通过单刀双掷开关将74ls192的load 输入端先置为高电平，使74ls192实现置数功能，将其置为1001，再通过开关，将load 输入端先置为低电平，使其开始倒计
2. 当主持人按下开始按钮时, 蜂鸣器响，选手开始抢答, 并且倒计时开始倒计, 当有任何一个选手按下按钮时LS148被锁存, 蜂鸣器响，其他选手按下无效, 同时倒计时制止, 数码管显示剩余时间和选手对应的号码, 倒计时数码管显示为0，蜂鸣器响，禁止选手抢答。主持人再置为开始状态, 其他选手才可以继续抢答, 倒计时从新倒计, 进入下一个抢答状态.
3. 当无选手按按钮是, 倒计时继续直到倒计时为零, 此时零点到的信号将LS148锁存, 选手再按下按钮无效, 同样只有当主持人清零后再置为开始状态, 其他选手才可以继续抢答。
4. 锁存的实现:LS373的有信号输入时，通过74LS21将信号反馈回74LS373的使能端EI, 此时LS373被高电平锁住，停止工作，禁止其它选手抢答，同时将低电平信号反馈回74ls192的倒计时输入端，使其停止工作，保持剩余抢答时间。当倒计时为0时，通过74LS32将信号反馈回74LS148的使能端EI ，此时LS148被锁在低电平，停止工作，禁止有选手超时抢答，同时将低电平信号反馈回74ls192的倒计时输入端，使其停止工作，停止倒计时。主持人通过单刀双掷开关对LS373和LS148的使能端的控制来清除锁存信号, 并使得抢答器重新工作。
时。
四 总结与展望
4.1总结
通过两个多星期的课程设计，完成设计要求。设计进行地比较成功，对常用的芯片无论是从功能上，还是构造上都在了更深的了解，更重要的是锻炼了我们的动手能力，平时看书都能看得明白，但是到了仿真的时候还是会出现很多的问题，有时候一个小失误致使整个电路工作状态出现错误，但是还是能过一次次的调试，一次次地去修改最后得出了成品。
4.2 展望
通过实践也掌握了书本以外的电子技术知识，进一步了解有关集成电路的功能和使用方法。熟悉数字电路系统的计算机仿真设计方法及调试技术，培养了专心致志的工作学习习惯，懂得了相互之间的理解与体谅，也学了一个新的软件，可谓获益匪浅。
本文对数字电子逻辑原理只做了简单的论述，对其原理其技术应用上远远不够。然而数字逻辑原理在数字技术领域上是非常重要的，所以对此技术还需深入研究。数字技术是当前发展最快的学科之一，相应地，数字逻辑电路的设计方法在不断地演变和发展。所以，还需要我们不断的学习和探索。在今后的学习中，我会抓住每一个与这些问题有关的学习机会，继续深入的研究探讨，拓展自己的视野。
参考文献
[1] 王毓银, 数字电路逻辑设计. 北京：高等教育出版社，2005.
[2] 阎石，数字电子技术基础(第五版)[M ].北京：清华大学出版社，2006. [3] 康华光, 电子技术基础. 北京：高等教育出版社, 2000.
附 录
整体电路