数字电子技术课程设计
智力竞赛抢答器
系 、 部： 指导教师：
专 业： 电子信息工程
班 级：
完成时间： 2011-6-7
设计学生： 陆涛
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 magistrate of 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
引言························································5
第一章概述··················································6
第二章抢答器设计原理········································8
2.1方案论证···············································8
2.2抢答器的设计任务与要求·································9
2.3抢答器的组成···········································9
2.4抢答器的设计原理分析··································10
2.4.1数字抢答器设计整体电路图··························10
2.4.2数字抢答器设计原理································11
第三章单元设计电路·········································12
3.1抢答器电路············································12
3.2计时电路··············································13
3.3报警电路··············································14
3.3.1电路实现功能······································15
3.3.2原理分析··········································15
结语·······················································17
设计体会···················································18
参考文献···················································19
致谢·······················································20
附录·······················································21
引 言
当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，智力竞赛是一种生动活泼的教育方式，通过抢答和必答两种答题方式能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们迅速增加一些科学知识和生活常识。那么也就必然离不开抢答器，而现在的抢答器朝着数字化，智能化的方向发展，这就必然提高了抢答器的成本。鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器必将大有市场本文设计的抢答器，电路简单，成本较低，操作方便，灵敏可靠，具有较高的推广价值。
而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出的问题，各组一般要进行必答和抢答，对必答一般有时间限制，到时有声响提示；对于抢答，要判定哪组先按键，为了公正，这就要有一种逻辑电路抢答器作为裁判员。抢答器在竞赛中有很大用处,它能准确、公正、直观地判断出第1抢答者。通过抢答器的指示灯显示、数码显示和警示蜂鸣等手段指示出第1抢答者。
本文详细介绍了抢答器的设计方案及功能。本文共分为三章，第一章是对抢答器的概述；第二章介绍了抢答器的设计原理；第三章则是对各单元电路的介绍。
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 抢答器设计原理
2.1 方案论证
方案一：
本方案由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和报警电路实现报警功能，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，构成计时电路。可以实现电路的优先级别和自动记时和报警功能。且电路简单成本低，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能，稍加扩展就能达到实用化。
方案二：
本方案由普通的编码和译码电路组成,可以实现多路抢答时.实现某一路的是最先优先级。采用高亮发光二极管来实现指示功能.不具备数码显示功能。
方案三：
该系统采用MCS-51系列单片机AT89S51作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。
方案论证：
方案一有一下几点优势：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60秒内无人抢答表示所有参赛选手参赛队对本题弃权。3、60秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽禁止抢答。且中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能。
方案二不具备方案一上面所阐述的各种优势.而且采用的是比较原始的电路和实施方法,不能突出电子专业的特色。
方案三中由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改性。但是用单片机控制的抢答器性能不稳定。
综合以上分析，故采用方案一来进行电路设计。
2.2 抢答器的设计任务与要求
1．抢答器同时供4名选手或4个代表队比赛，分别用4个按钮A、B、C、D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。即当选手按动按钮，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主持人将系统清除为止。
4. 抢答器具有定时抢答功能。当主持人启动“开始”键后，定时器进行计时.
5. 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，显示器上显示选手的编号，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，定时抢答器上显示00。
2.3 抢答器的组成
抢答器主要由抢答开关、优先编码电路、锁存电路、抢答号码显示译码电路、控制开关、时序控制电路、警报电路、定时电路、时间显示译码电路组成。
其构成框图如图（1）：
图（１）抢答器组成框图
（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60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60秒则显示装置是一个二位数字显示的计数系统。
2.4 抢答器的设计原理分析
2.4.1
数字抢答器设计整体电路图
图（２）数字抢答器设计整体电路图
2.4.2数字抢答器设计原理
由图（２）原理图可知其工作原理为：接通电源后，主持人宣布"开始"同时按下按键开关S抢答器工作。74LS175的Q1、2Q、3Q、4Q输出高电平,可逆加减计数器74LS192的CLR端输入为低电平，因此计数器开始从00做加法计数,记时器计时、指示灯不亮。选手在60秒内抢答，当有人抢答时，74LS192的非输出端为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。因为74LS175是下降沿触发的，当CLK输入为上升沿的脉冲时输入被锁定，故按下复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，达到了锁定选手编号的功能目标，同时指示灯X1亮，指示灯亮禁止二次抢答。如果在60秒内无人抢答，计数器74LS192的OB、OC端都为高电平，经过与非门U9A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与门U11A输出为低电平使计时器停止工作，此次抢答无效，指示灯X1亮。
当主持人再次按下S后74LS175 CLK端输入为低电平，由于CLR是清零端，且是低电平有效 ，实现清零功能；经过一个非门U8A，可逆加减计数器74LS192的CLR端输入高电平，由于74LS192的CLR为清零端，且高电平有效，使计数器74LS192处于清零状态，此时数码管的显示为0。
40秒提示：计时器到40时，发光指示灯会闪烁一下，扬声器会发出一次声音，这是因为信号延迟造成的：计时器到40前，计数器的十位显示3，此时输入与非门U9A的信号为01，当计数器到40时，输入与非门U9A的信号为10，因为信号的延迟使输入与非门U9A的信号为11，与非门U9A的输出信号为低电平0，这个低电平0与U1A输出的低电平0经过与非门U6A，与非门U6A输出就为高电平1，从而使指示灯X1发光，扬声器发出声音。
第三章 单元设计电路
3.1 抢答器电路
该电路完成两个功能：一是分辨出各选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；同时禁止其他选手抢答，抢答无效。其电路图如图（3）。
图（３）抢答器电路图
其工作原理如下：
电路接通后，按下清零键S后74LS175 CLK端输入为低电平，由于CLR是清零端，且是低电平有效 ，实现清零功能，数码管上显示为0。
再次按下复位按键S，Q1、2Q、3Q、4Q输出高电平。电路进入准备状态。这时，假
设有按键A被按下，4D的输出4Q将由低变成高电平，使4Q输输出为高电平经过或门U3A驱动数码管使数码管上显示为1（选手A的编号），同时使4Q(4Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。因为74LS175是下降沿触发的，当CLK输入为上升沿的脉冲时输入被锁定，故按下除了复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，达到了既定的功能目标。假设有按键B被按下，3D的输出3Q将由低变成高电平，使3Q输输出为高电平经过或门U1A驱动数码管使数码管上显示为2（选手B的编号），同时使3Q(3Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。达到锁存编号2的目的。假设有按键C被按下，2D的输出2Q将由低变成高电平，使2Q输输出为高电平经过或门U1A驱动数码管使数码管上显示3（选手C的编号），同时使2Q(2Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。达到锁存编号3的目的。假设有按键D被按下，1D的输出1Q将由低变成高电平，使1Q输输出为高电平驱动数码管使数码管上显示4（选手D的编号），同时使1Q(1Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。达到锁存编号4的目的。
3.2 计时电路
该电路完成两个功能：一是进行计时，二是设定计时时间为60秒（脉冲信号的频率为1Hz）。
其电路图如图（4）：
图（4）计时电路图
其工作原理如下：
当主持人按下清零按钮S时，经过一个非门U8A，可逆加减计数器74LS192的CLR端输入高电平，由于74LS192的CLR为清零端，且高电平有效，使计数器74LS192处于清零状态，此时数码管上显示为0。
当LOAD置1时，时钟脉冲由UP端接入，且DOWN输入高电平时74LS192处于加法计数状态。再次按下复位开关S是，经过一个非门U8A，可逆加减计数器74LS192的CLR端输入为低电平，因此计数器开始从00做加法计数，频率为1秒。CO是进位端与另一个74LS192的时钟脉冲UP端相连，当计数到十时给另一个74LS192的时钟脉冲UP端一个进位脉冲，进行十位上的计数。当十位上的计数达到6即输出端为0110时（规定时间内无人抢答），OB、OC端都为高电平，经过与非门U9A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与门
U11A输出为低电平使计时器停止工作，此次抢答无效。当有人抢答时
3.3 报警电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图4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。
报警电路图如图（５）：
图（5）报警电路图
3.3.1电路实现功能
此抢答电路模块是由单稳态触发电路来实现报警电路的控制信号,用555定时器构成多谐振荡器,再用一个三极管(3DG12)组成一个放大电路，以此来驱动喇叭工作。先做整点报时电路,只要定时信号到来, 555单稳态电路触发,555多谐振荡电路产生振荡信号输入3DG12
基极,在发射极得到的放大信号推动喇叭工作；其他的时间控制报警电路处于稳态,不会报警。
3.3.2原理分析
接通电源Vcc后，电容C2通过R1,R2进行充电，当电容电压大于等于的电源电压时，555定时器组成的多谐振荡器电路进入一个暂稳态。随着电容C2的放电，电容两端的电压随之下降。当电容电压下降到小于等于的时候电路又返回到前一个暂稳态。因此，电容C2上的电压将在和的电源电压之间来回充电和放电，从而时电路产生了震荡，输出矩形脉冲信号。该脉冲信号经过1千欧的限流电阻（防止电流过大损坏喇叭）通过三极管放大推动扬声器发出声响。
R5为发射极电阻，C1是发射极电阻旁路电容器，提供交流信号的通道，减小信号放大过程中的损耗，使交流信号不因R4存在而降低放大功能。
结 语
本文主要论述了应用数字电子逻辑原理等来实现优先抢答锁存，显示抢答选手号码，抢答计时，抢答报警，计时器到40时会有提示等功能的。
由于各方面条件的限制，只能通过翻阅大量图书和资料来完成论文和充实自己的知识面，所以本文的设计不是很成熟，还有很多的不足之处。本文对数字电子逻辑原理之做了简单的论述，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。
由于自己水平有限，本文的论述不够全面，存在着很多的问题，但时间有限不能逐一探讨。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。
设计体会 作为一个电信专业的学生，我深知课程设计的重要性。这次课程设计我从刚开始的什么都不懂不会，到现在的基本了解了一个电路元件是如何构成的，
完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了数电的知识及相关专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。实践是检验真理的唯一标准。理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。这将有助于我今后更加明确学习的方向，可认识到自己的不足，确定自己的目标，从而更加努力的学习。只有这样我们才能真正的去掌握它，真正的去运用它。。
虽然只是初步学会了数字抢答器的设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，因为我有学到了课本以外的很多知识，还锻炼了自己的动手能力。
作为一个电信专业的学生，我深刻体会到课程设计的重要性。我以后会更加注重这方面能力的培养，在学习好理论知识的同时加强时间能力。 经过这次课程设计的学习，我确实学习了很多知识，真正的感受到了理论联系实际的重要性，以及这之间莫大区别，到最后看着自己的结果心里还是感到很欣慰的。
首先摆在我们面前的是要先弄懂所要设计电路的原理，于是最开始我们在拿到题目之后就查找了大量的相关的资料，再加上平时理论课的学习以及充分利用了网络资源和在图书馆借了相关的书籍资料，在仔细分析了这个题目所要达到的目的之后，我们初步确定了原理图。接下来的是单元电路的设计，以及进一步的分析其原理，实现哪些功能需要哪些电路，在此之间我们用到了以前没有用到过的芯片，但最终我们还是弄清楚了其原理。经过几天的与大家的一起讨论，做种确定好了符合要求的电路。看似很复杂的电路就这样被我们攻克了。
这次让我真正的知道实践的重要性。
参考文献
[1] 邓木生，电子技能训练[M]，机械工业出版社，2006年版；
[2] 任为民，电子技术基础课程设计[M]，中央广播电视大学出版社，2006年版；
[3] 任为民，数字电子电路学习和实验指导[M]，机械工业出版社，2006年版；
[4] 杨志中，数字电子技术[M]，高等教育出版社，2003年版；
[5] 王有春，电脑电子报抢答器专刊[J]，四川: 科学技术出版社，2002年版；
[6] 张志锐，数字电路设计与实用电路[M]，广州：华南理工大学出版社，1989年版；
[7] 朱承高，数字电子技术手册[M]，北京：高等教育出版社，1990年版；
[8] 王新贤，集成电路速查手册[M]， 湖南，国防科技大学出版社，1999年版；
[9] 谢自美，电子线路设计、实验、测试 [M]，华中理工出版社，2000年版；
[10] 刘征宇，韦立华，最新74系列IC特性手册 [M]，福建科学技术出版，2002年版；
致 谢 经过近数周的努力,在老师和同学的帮助下,我基本上完成了设计任务。通过这次课程设计, 使我认识到了自学的重要性、以及学以致用的道理，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
通过这次设计，我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新嘛，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
另外，我更明白了无论做什么事都应该脚踏实地、一步一个脚印地去做。不要一味地去追求结果，应该注重在整个过程中的学习。由于能力和时间上的问题，我的论文存在着很多的不足之处，在以后的时间里我会更深入的去学习和探索。
本次论文的顺利完成，我最要感谢的是我的指导老师——王老师，从刚开始的选题到论文的完成，他给了我很大的帮助，在此我要向王老师诚恳的说一声谢谢您！
附录
【附录A】：元件清单
【附录B】：PCB图
数字电子技术课程设计
智力竞赛抢答器
系 、 部： 指导教师：
专 业： 电子信息工程
班 级：
完成时间： 2011-6-7
设计学生： 陆涛
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 magistrate of 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
引言························································5
第一章概述··················································6
第二章抢答器设计原理········································8
2.1方案论证···············································8
2.2抢答器的设计任务与要求·································9
2.3抢答器的组成···········································9
2.4抢答器的设计原理分析··································10
2.4.1数字抢答器设计整体电路图··························10
2.4.2数字抢答器设计原理································11
第三章单元设计电路·········································12
3.1抢答器电路············································12
3.2计时电路··············································13
3.3报警电路··············································14
3.3.1电路实现功能······································15
3.3.2原理分析··········································15
结语·······················································17
设计体会···················································18
参考文献···················································19
致谢·······················································20
附录·······················································21
引 言
当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，智力竞赛是一种生动活泼的教育方式，通过抢答和必答两种答题方式能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们迅速增加一些科学知识和生活常识。那么也就必然离不开抢答器，而现在的抢答器朝着数字化，智能化的方向发展，这就必然提高了抢答器的成本。鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器必将大有市场本文设计的抢答器，电路简单，成本较低，操作方便，灵敏可靠，具有较高的推广价值。
而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出的问题，各组一般要进行必答和抢答，对必答一般有时间限制，到时有声响提示；对于抢答，要判定哪组先按键，为了公正，这就要有一种逻辑电路抢答器作为裁判员。抢答器在竞赛中有很大用处,它能准确、公正、直观地判断出第1抢答者。通过抢答器的指示灯显示、数码显示和警示蜂鸣等手段指示出第1抢答者。
本文详细介绍了抢答器的设计方案及功能。本文共分为三章，第一章是对抢答器的概述；第二章介绍了抢答器的设计原理；第三章则是对各单元电路的介绍。
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 抢答器设计原理
2.1 方案论证
方案一：
本方案由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和报警电路实现报警功能，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，构成计时电路。可以实现电路的优先级别和自动记时和报警功能。且电路简单成本低，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能，稍加扩展就能达到实用化。
方案二：
本方案由普通的编码和译码电路组成,可以实现多路抢答时.实现某一路的是最先优先级。采用高亮发光二极管来实现指示功能.不具备数码显示功能。
方案三：
该系统采用MCS-51系列单片机AT89S51作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。
方案论证：
方案一有一下几点优势：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60秒内无人抢答表示所有参赛选手参赛队对本题弃权。3、60秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽禁止抢答。且中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能。
方案二不具备方案一上面所阐述的各种优势.而且采用的是比较原始的电路和实施方法,不能突出电子专业的特色。
方案三中由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改性。但是用单片机控制的抢答器性能不稳定。
综合以上分析，故采用方案一来进行电路设计。
2.2 抢答器的设计任务与要求
1．抢答器同时供4名选手或4个代表队比赛，分别用4个按钮A、B、C、D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。即当选手按动按钮，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主持人将系统清除为止。
4. 抢答器具有定时抢答功能。当主持人启动“开始”键后，定时器进行计时.
5. 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，显示器上显示选手的编号，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，定时抢答器上显示00。
2.3 抢答器的组成
抢答器主要由抢答开关、优先编码电路、锁存电路、抢答号码显示译码电路、控制开关、时序控制电路、警报电路、定时电路、时间显示译码电路组成。
其构成框图如图（1）：
图（１）抢答器组成框图
（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60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60秒则显示装置是一个二位数字显示的计数系统。
2.4 抢答器的设计原理分析
2.4.1
数字抢答器设计整体电路图
图（２）数字抢答器设计整体电路图
2.4.2数字抢答器设计原理
由图（２）原理图可知其工作原理为：接通电源后，主持人宣布"开始"同时按下按键开关S抢答器工作。74LS175的Q1、2Q、3Q、4Q输出高电平,可逆加减计数器74LS192的CLR端输入为低电平，因此计数器开始从00做加法计数,记时器计时、指示灯不亮。选手在60秒内抢答，当有人抢答时，74LS192的非输出端为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。因为74LS175是下降沿触发的，当CLK输入为上升沿的脉冲时输入被锁定，故按下复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，达到了锁定选手编号的功能目标，同时指示灯X1亮，指示灯亮禁止二次抢答。如果在60秒内无人抢答，计数器74LS192的OB、OC端都为高电平，经过与非门U9A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与门U11A输出为低电平使计时器停止工作，此次抢答无效，指示灯X1亮。
当主持人再次按下S后74LS175 CLK端输入为低电平，由于CLR是清零端，且是低电平有效 ，实现清零功能；经过一个非门U8A，可逆加减计数器74LS192的CLR端输入高电平，由于74LS192的CLR为清零端，且高电平有效，使计数器74LS192处于清零状态，此时数码管的显示为0。
40秒提示：计时器到40时，发光指示灯会闪烁一下，扬声器会发出一次声音，这是因为信号延迟造成的：计时器到40前，计数器的十位显示3，此时输入与非门U9A的信号为01，当计数器到40时，输入与非门U9A的信号为10，因为信号的延迟使输入与非门U9A的信号为11，与非门U9A的输出信号为低电平0，这个低电平0与U1A输出的低电平0经过与非门U6A，与非门U6A输出就为高电平1，从而使指示灯X1发光，扬声器发出声音。
第三章 单元设计电路
3.1 抢答器电路
该电路完成两个功能：一是分辨出各选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；同时禁止其他选手抢答，抢答无效。其电路图如图（3）。
图（３）抢答器电路图
其工作原理如下：
电路接通后，按下清零键S后74LS175 CLK端输入为低电平，由于CLR是清零端，且是低电平有效 ，实现清零功能，数码管上显示为0。
再次按下复位按键S，Q1、2Q、3Q、4Q输出高电平。电路进入准备状态。这时，假
设有按键A被按下，4D的输出4Q将由低变成高电平，使4Q输输出为高电平经过或门U3A驱动数码管使数码管上显示为1（选手A的编号），同时使4Q(4Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。因为74LS175是下降沿触发的，当CLK输入为上升沿的脉冲时输入被锁定，故按下除了复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，达到了既定的功能目标。假设有按键B被按下，3D的输出3Q将由低变成高电平，使3Q输输出为高电平经过或门U1A驱动数码管使数码管上显示为2（选手B的编号），同时使3Q(3Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。达到锁存编号2的目的。假设有按键C被按下，2D的输出2Q将由低变成高电平，使2Q输输出为高电平经过或门U1A驱动数码管使数码管上显示3（选手C的编号），同时使2Q(2Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。达到锁存编号3的目的。假设有按键D被按下，1D的输出1Q将由低变成高电平，使1Q输输出为高电平驱动数码管使数码管上显示4（选手D的编号），同时使1Q(1Q非)输出为低电平经过与门U4A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与非门U2A形成一个上升沿脉冲作为74LS175 CLK的输入脉冲。达到锁存编号4的目的。
3.2 计时电路
该电路完成两个功能：一是进行计时，二是设定计时时间为60秒（脉冲信号的频率为1Hz）。
其电路图如图（4）：
图（4）计时电路图
其工作原理如下：
当主持人按下清零按钮S时，经过一个非门U8A，可逆加减计数器74LS192的CLR端输入高电平，由于74LS192的CLR为清零端，且高电平有效，使计数器74LS192处于清零状态，此时数码管上显示为0。
当LOAD置1时，时钟脉冲由UP端接入，且DOWN输入高电平时74LS192处于加法计数状态。再次按下复位开关S是，经过一个非门U8A，可逆加减计数器74LS192的CLR端输入为低电平，因此计数器开始从00做加法计数，频率为1秒。CO是进位端与另一个74LS192的时钟脉冲UP端相连，当计数到十时给另一个74LS192的时钟脉冲UP端一个进位脉冲，进行十位上的计数。当十位上的计数达到6即输出端为0110时（规定时间内无人抢答），OB、OC端都为高电平，经过与非门U9A输出为低电平，这个低电平与时钟脉冲经过与门
U11A输出为低电平使计时器停止工作，此次抢答无效。当有人抢答时
3.3 报警电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图4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。
报警电路图如图（５）：
图（5）报警电路图
3.3.1电路实现功能
此抢答电路模块是由单稳态触发电路来实现报警电路的控制信号,用555定时器构成多谐振荡器,再用一个三极管(3DG12)组成一个放大电路，以此来驱动喇叭工作。先做整点报时电路,只要定时信号到来, 555单稳态电路触发,555多谐振荡电路产生振荡信号输入3DG12
基极,在发射极得到的放大信号推动喇叭工作；其他的时间控制报警电路处于稳态,不会报警。
3.3.2原理分析
接通电源Vcc后，电容C2通过R1,R2进行充电，当电容电压大于等于的电源电压时，555定时器组成的多谐振荡器电路进入一个暂稳态。随着电容C2的放电，电容两端的电压随之下降。当电容电压下降到小于等于的时候电路又返回到前一个暂稳态。因此，电容C2上的电压将在和的电源电压之间来回充电和放电，从而时电路产生了震荡，输出矩形脉冲信号。该脉冲信号经过1千欧的限流电阻（防止电流过大损坏喇叭）通过三极管放大推动扬声器发出声响。
R5为发射极电阻，C1是发射极电阻旁路电容器，提供交流信号的通道，减小信号放大过程中的损耗，使交流信号不因R4存在而降低放大功能。
结 语
本文主要论述了应用数字电子逻辑原理等来实现优先抢答锁存，显示抢答选手号码，抢答计时，抢答报警，计时器到40时会有提示等功能的。
由于各方面条件的限制，只能通过翻阅大量图书和资料来完成论文和充实自己的知识面，所以本文的设计不是很成熟，还有很多的不足之处。本文对数字电子逻辑原理之做了简单的论述，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。
由于自己水平有限，本文的论述不够全面，存在着很多的问题，但时间有限不能逐一探讨。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。
设计体会 作为一个电信专业的学生，我深知课程设计的重要性。这次课程设计我从刚开始的什么都不懂不会，到现在的基本了解了一个电路元件是如何构成的，
完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了数电的知识及相关专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。实践是检验真理的唯一标准。理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。这将有助于我今后更加明确学习的方向，可认识到自己的不足，确定自己的目标，从而更加努力的学习。只有这样我们才能真正的去掌握它，真正的去运用它。。
虽然只是初步学会了数字抢答器的设计，离真正掌握还有一定距离，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，因为我有学到了课本以外的很多知识，还锻炼了自己的动手能力。
作为一个电信专业的学生，我深刻体会到课程设计的重要性。我以后会更加注重这方面能力的培养，在学习好理论知识的同时加强时间能力。 经过这次课程设计的学习，我确实学习了很多知识，真正的感受到了理论联系实际的重要性，以及这之间莫大区别，到最后看着自己的结果心里还是感到很欣慰的。
首先摆在我们面前的是要先弄懂所要设计电路的原理，于是最开始我们在拿到题目之后就查找了大量的相关的资料，再加上平时理论课的学习以及充分利用了网络资源和在图书馆借了相关的书籍资料，在仔细分析了这个题目所要达到的目的之后，我们初步确定了原理图。接下来的是单元电路的设计，以及进一步的分析其原理，实现哪些功能需要哪些电路，在此之间我们用到了以前没有用到过的芯片，但最终我们还是弄清楚了其原理。经过几天的与大家的一起讨论，做种确定好了符合要求的电路。看似很复杂的电路就这样被我们攻克了。
这次让我真正的知道实践的重要性。
参考文献
[1] 邓木生，电子技能训练[M]，机械工业出版社，2006年版；
[2] 任为民，电子技术基础课程设计[M]，中央广播电视大学出版社，2006年版；
[3] 任为民，数字电子电路学习和实验指导[M]，机械工业出版社，2006年版；
[4] 杨志中，数字电子技术[M]，高等教育出版社，2003年版；
[5] 王有春，电脑电子报抢答器专刊[J]，四川: 科学技术出版社，2002年版；
[6] 张志锐，数字电路设计与实用电路[M]，广州：华南理工大学出版社，1989年版；
[7] 朱承高，数字电子技术手册[M]，北京：高等教育出版社，1990年版；
[8] 王新贤，集成电路速查手册[M]， 湖南，国防科技大学出版社，1999年版；
[9] 谢自美，电子线路设计、实验、测试 [M]，华中理工出版社，2000年版；
[10] 刘征宇，韦立华，最新74系列IC特性手册 [M]，福建科学技术出版，2002年版；
致 谢 经过近数周的努力,在老师和同学的帮助下,我基本上完成了设计任务。通过这次课程设计, 使我认识到了自学的重要性、以及学以致用的道理，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
通过这次设计，我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新嘛，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
另外，我更明白了无论做什么事都应该脚踏实地、一步一个脚印地去做。不要一味地去追求结果，应该注重在整个过程中的学习。由于能力和时间上的问题，我的论文存在着很多的不足之处，在以后的时间里我会更深入的去学习和探索。
本次论文的顺利完成，我最要感谢的是我的指导老师——王老师，从刚开始的选题到论文的完成，他给了我很大的帮助，在此我要向王老师诚恳的说一声谢谢您！
附录
【附录A】：元件清单
【附录B】：PCB图