1、 1 编号： 摘 要 抢答器作为一种工具，已经广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。本设计以八路智力竞赛抢答器为基本概念，从实际应用出发 , 用数字、模拟电子器件设计具有扩充功能的抢答器。该设计数字抢答器就是利用数字电子技术实现的。主要为了实现抢答、显示功能。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。当有选手按下按钮时，优先锁存，其他选手在按时无响应，直到主持人按下清零按钮之后，才能开始下一轮的抢答。比较实用。 该数字抢答器可以广泛应用于各种竞赛，确保竞赛的 准确，公平。该数字抢答器虽然可以用单片机程序来完成，但繁琐和代价高。而用集成电路设计制作抢答器：方便，价格便宜，还易于
2、扩展。 关键字： 编码 ； 译码 ； 抢答器 2 目 录 引言 . 1 1. 设计要求与概述 . 2 1.1 设计要求 . 2 1.2 系统概述 . 2 2. 设计方案分析与论证 . 3 2.1 设计方案分析 . 3 2.2 设计方案论 证与选择 . 3 3. 电路原理图设计 . 4 3.1 编码电路设计 . 4 3.2 锁存电路设计 . 5 3.2.1 RS 触发器功能 . 5 3.3 译码电路设计 . 6 3.4 电路设计综述 . 7 4. 智能抢答器实物制作 . 8 4.1 PCB 设计 . 8 4.2 抢答器实物焊接与调试 . 8 4.2.1 实物焊接 . 9 4.2.2 实物调试和检
3、查遇到问题解决过程 . 9 5. 测试结果分析与设计体会 . 9 5.1 测试结果与分析 . 9 5.2 设计体会与实验总结 . 9 参考文献 . 10 谢 辞 . 11 附 录 . 12 元器件清单 . 12 3 1 第 1 页 共 13 页引言 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
4、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，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，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，而且当有更高要求时无法实现，例如参赛人数的增加。随着数字电路的发展
5、，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。而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的 74LS 系列集成电路芯片、 CD 系列集成电路芯片和 555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计， 最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。 2 第 2 页 共 13 页1. 设计要求与概述 1.1 设计要求 1设计一个智力竞赛抢答器，可同时供 8名选手或 8个代表队参加比赛， 8个抢答按钮分别用编号 S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8来表示。 2设置一个控制开关
6、S，由节目主持人控制系统的清零和抢答的开始。 3抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在 LED 数码管上显示相应编号。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选 手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。 1.2 系统概述 总的电路设计框图如 图 1-1： 图 1-1 抢答器设计框图 如设计框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， 该选手对应 LED 灯点亮 ，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。 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，
7、选手不能进行抢答，当主持人将控制开关置于 “开始”时，抢答器处于工作状态。当选手在按动抢答键时，电路要完成以下功能： （ 1）抢答器 同时供 8 名选手或 8 个代表队比赛，用八个排在一排的开关 ， 将按下开关，表明选手抢答。 （ 2）设置一个系统清除 和 抢答控制的开关，该开关由主持人控制，按下开关，为接地端，清零处理。 （ 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，同时 相应的发光二极管灯亮。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。 3 第 3 页 共 13 页2. 设计方案分析与论证 2.1 设计方案分析 方案一： 原理：在选手抢答前，
8、 “清除 /起始” 开关 S 使基本 RS 触发器输出端 Q 为 0，使集成 8 线 -3线优先编码 器禁止；当主持人按下“清除 /起始”开关 S时，基本 RS触发器输出端 Q为 1，与优先扩展输出端 Yex 共同作用，使集成 8 线 -3线优先编码器选通输入端ST为 0，允许编码，等待数据输入。此时优先按动序号的组号立即通过编码器按 8421BCD码输出，经 RS 锁存器 74LS279 将该数码锁存到 LED 显示器上。与此同时， Yex（引脚为14）由 1翻转为 0，与非门 G1 输出为 1，选通输入端 ST 为 1，编码器被禁止。 方案二： 在方案一的基础上采用了 74LS148 优先
9、编码器来实现抢答器的选号，采用了 74LS279芯片实现对号码的锁存 。 2.2 设计方案论证与选择 方案一中，主要多了一个基本 RS触发器，以及相对的 74LS148 引脚与 74LS279 之间连线的相应改变，这又涉及到之后的提高方案中的连线的改变。它有自身的优点，即基本 RS 触发器又相当一锁存器（ 74LS279），它可以对主持人的指令进行进一步的锁存，这样就可以增强它的抗干扰能力，但其线路过于复杂，另外此次实验所用的电路板对电路设计的大小要求很高，而且在布局和焊接上要越精练越好，所以它不是首选方案。而由于方案二已能满足基本设计和提高设计的要求，而且它的原理更简单易懂，直观明了，元件更
10、少， 连线更方便，焊接更可靠，且比较容易实现，所以最终选用了方案二 。 方案二总体仿真如 图 2-1： 图 2-1 抢答器仿真图 4 第 4 页 共 13 页按下仿真开关后，可以按动按钮进行抢答，当某一选手按下抢答键后，需要主持人按键确认之后才能保存结果，支持人再次按下按键则可将抢答器重置。 3. 电路原理图设计 抢 答电路的功能有 三 个：一是能分辨出选手按键的的先后 ；二是 锁存优先抢答者的编号，供译码显示电 路 用 ，并 使其他选手的按键操作无效 ；三是要将成功抢答的选手所对应的 LED 灯点亮。 3.1 编码电路设计 编码电路需要将按下抢 答按钮的选手所对应的编号转换成二进制数码，所以
11、本部分电路 选用 8 线 -3线 优先编码 器 74LS148（ 引脚图如图 3-1 所示，其真值表如表 3-1所示）。该芯片的功能为将 8 条数据线（ 0 7）进行 3 线 (4-2-1)二进制（八进制）优先编码，即对最高位数据线进行译码。 利用选通端（ EI）和输出选通端（ EO）可进行八进制扩展。 图 3-1 74LS148 引脚图 表 3-1 74LS148 功能表 输入 输出 _ST _0IN _1IN _2IN _3IN _4IN _5IN _6IN _7IN _2Y _1Y _0Y _EXY _SY 1 X X X X X X X X 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1
12、1 1 1 1 1 1 1 0 0 X X X X X X X 0 0 0 0 0 1 0 X X X X X X 0 1 0 0 1 0 1 0 X X X X X 0 1 1 0 1 0 0 1 0 X X X X 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 X X X 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 X X 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 5 第 5 页 共 13 页3.2 锁存电路设计 抢答成功的选手编号经由 74LS148 芯片编码为二进制数码后，需要锁
13、定该选手以避免其他选手的干扰，所以本电路选用 RS 锁存器 74LS279（ 引脚图如图 3-2所示，其真值表如表 3-2 所示）芯片对 抢答成功的选手所对应二进制数码进行锁存。 图 3-2 74LS279 引脚图 表 3-2 74LS279 真值表 输入 输出 (Q) _1S _2S _R L L L H L X H H X L H H H H L L H H H No Change 3.2.1 RS 触发器功能 74LS279 则由四个基本 RS触发器（ 逻辑图、逻辑符号和波形图如图 3-3 所示 ） 构成，而基本 RS触发器功能则如下文所示： 1. 保持状态。当输入端接入 =1 的电平时
14、，如果基本 SR 触发器现态 =1、 =0，则触发器次态 =1、 =0；若基本 SR 触发器的现态 =0、 =1，则触发器次态 =0、 =1。即 =1 时，触发器保持原状态不变。 2. 置 0 状态。当 =1， =0 时，如果基本 SR 触发器现态为 =1、 =0，因 =0，会使 =1，而 =1与 =1 共同作用使端翻转为 0；如果基本 SR 触发器现态为 =0、 =1，同理会使 =0， =1。只要输入信号 =1、 =0，无论基本 SR触发器的输出现态如何，均会使输出次态置为 0态。 3. 置 1 状态。当 =0、 =1 时，如果触发器现态为 =0、 =1，因 =0，会使 G1 的输出端次态翻
15、转为 1，而 =1和 =1 共同使 G2的输出端 =0；同理当 =1、 =0，也会使触发器的次态输出为=1、 =0；只要 =0、 =1，无论触发器现态如何，均会将触发器置 1。 6 第 6 页 共 13 页4. 不定状态。当 =0 时，无论触发器的原状态如何，均会使 =1。当脉冲去掉后，和同时恢复高电平后，触发器的新状态要看 G1 和 G2 两个门翻转速度快慢，所以称 =0 是不定状态，在实际电路中要避免此状态出现。基本 RS 触发器的。 （ a）逻辑图 (b) 逻辑符号 (c) 波形图 图 3-3 基本 SR 触发器 3.3 译码电路设计 本电路最后一个 功能则是将抢答成功选手的二进制数码进
16、行译码以点亮 LED 灯来最终实现抢答器的效果，所以选用 3 线 -8 线译码器 74LS138（ 74LS138 引脚图如图 3-4所示，其真值表如表 3-3所示）来 完成上述功能。 图 3-4 74LS138 引脚图 & & Q Q G1 G2 R S S R R S Q Q R S Q 置 0 置 1 保持 7 第 7 页 共 13 页表 3-3 74LS138 功能表 输入 输出 1S_2_1 SS2A1A0A_0Y_1Y_2Y_3Y_4Y_5Y_6Y_7Y0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 X 1 X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1
17、 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 3.4 电路设计综述 本 电路主要完成的功能是实现 8路选手抢答并进行锁存，同时有相应 的 显示。 本电路的原理图如图 3-5所示， 工作过程：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
18、，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 I7、 I6、 I5、 I4、 I3、 I2、 I1、 I0 输入信号，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，此时 74LS279 处于工作状态， 4Q3Q2Q=101，经 74LS138 译码后， 5号 LED灯点亮 。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 YEX 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。
