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具有定时功能的八路数显抢答器的设计 摘要 本文介绍了一种用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能。 关键词 八路, 抢答器, 设计,定时，计时，报警 Abstract In this paper, the electric circuit and designing thought of an answering racer based on the common-used series of 74 IC with 8-wire is introduced, and its function is also described. The answering race’s function includes timing, counting, and alarming, besides the basic function of an answering racer. The host sets the provided time for the answering race through the time-setting switch, after this the system will count down the time automatically. If anybody answer the question on time, the counting of time will stop; If nobody answer the question on time, the alarm will give out some sound, helping the host know the race in this turn is of no use, so the function of alarming is achieved. Keywords 8-wire, answering racer, design, timing, counting, alarming 一、引言 工厂、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。在我校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。为解决这个问题，我们小组准备就本次大赛的机会制作一个低成本但又能满足学校需要的八路数显抢答器。 二、设计任务及系统功能简介 1.基本功能 （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，该开关由主持人控制。 （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，扬声器发出声响提示，并在DPY_7-SEG七段数码管上显示选手号码。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。 2.扩展功能 （1） 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。 （2） 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。在这段（3） 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，定时显示器上显示00。 三、实现的原理与电路 1．数字抢答器总体方框图 如图1所示为总体方框图。其工作原理为接通电源后，主持人将开关拨到“清零“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，扬声器给出声响提示。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，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。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。 总体框图 图1 2．单元电路设计 1 抢答器电路 设计电路如图2所示。电路选用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS297 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，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程开关S置于“清除“端时，RS触发器的 R、S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（图中5号端）＝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，CTR1,RBO图中4端 1,七段显示电路74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q101,经译码显示为“5”。此外，CTR＝１，使74LS148 优先编码工作标志端（图中5号端）＝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CTR＝１，使优先编码工作标志端（图中5号端）＝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，表1为其功能表。 表一 2 定时电路 原理及设计该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、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，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， 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。下面结合图4具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。结合图4，图中电容C的放电时间和充电时间分别为 ， 于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为 ，结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为R115K，R268K，C10uF，代入到上式中即得 ，即秒脉冲。 本抢答器通过十分巧妙的设计仅用两块数字芯片便实现了数显抢答的功能，与其他抢答器电路相比较有分辨时间极短、结构简单、成本低、制作方便等优点，并且还有防作弊功能。 其原理见附图。 Ｓ１～Ｓ９为９个抢答按键，ＣＤ４５１１是ＢＣＤ码７段译码器，ＣＤ４０６８是八输入与非门，ＶＤ１～ＶＤ１１起对轻触按键进行ＢＣＤ编码的作用。初始状态下，ＣＤ４５１１驱动ＬＥＤ数码管显示０，即Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ这六个笔画为１，Ｇ笔画为０。现将Ｇ笔画信号用三极管反相，把０对应的笔画信号变为全是１，然后将这些笔画信号送给八输入与非门ＣＤ４０６８。根据与非门的逻辑关系可知ＣＤ４０６８输出为０，这样７段译码器ＣＤ４５１１就处在了译码状态。因为除０外的其他数字对应的笔画信号不全为１，不能使ＣＤ４０６８输出１，也不能使７段译码器ＣＤ４５１１处于译码状态。所以当有按键按下时，ＣＤ４０６８就输出锁存信号０，致使７段译码器ＣＤ４５１１把所键入的数字锁存显示。这样后按下的键就不起作用了。数码管上就只显示最先按下的键号。起到了抢答的作用。 Ｒ１和Ｃ１组成积分电路对锁存信号做非常短暂的延时，其作用是让数字电路有足够的响应时间，使之锁存稳定，不致于显示乱码。Ｃ２的作用是将直流触发变为脉冲触发，使音乐电路每抢答一次只响一次。Ｓ１０为复位键。该键可在主持人喊“开始”前按下。若Ｓ１０键按下后不显示为０，则说明有人在作弊，所显示的是哪个数字就是哪个人在作弊。 目录及设计电路板要求 一）电路板要求P1 二） 电路分析P2 三） 原理图P3 四） PCB板图P4 五） 3D实物图P5 设计电路板要求如下 a、走线宽度要求线路中12V电源线宽度设置为20mil，VCC以及GND设置为25mil，其他导线设置为15mil。 b、过孔类型电源/接地线的过孔参数为孔径Hole Size为20mil，走线宽度为50mil。 一般信号线的过孔参数为孔径Hole Size为20mil，走线宽度为40mil。 c、布线拐角模式设置拐角模式为45度角模式。 d、布线原则以总长度最短作为布线原则。 e、布线层的确定设置为双面板，将顶层设置为垂直方向布线，将底层设置为水平方向布线。 f、安全距离允许值设置安全距离为10mil。 电路分析 电路分析八路抢答器功能在电路中S1S8为八路抢答的8个按钮，哪个按钮先按下，对应的发光二极管就会亮，同时喇叭就会响，参照对应的器件就能实现抢答的功能。以S1为例说明，5V电源就加在U4的D1输入端上，通过R9接地形成一个通路，使D1接受到高电平，使得Q1端输出高电平，Q1和地之间形成通路，这样发光二极管D1就会变亮，同时Q1的反相端将输出低电平，这个信号通过与非门U3，使U3输出高电平，该高电平通过R17给三极管Q1提供基极电流，使得三极管导通，这样就使二极管D9阳极接成高电位使其导通，给喇叭提供工作电流，这时喇叭发出响声，说明有人抢答，根据发光管就可以决定谁抢答。 S1被按下时，不会出现两个或两个以上的发光二极管发光使得工作人员无法判断的这种情况。当S1按下后，与非门U3输出高电平，该高电平通过非门U2A将该高电平转换成低电平输入给与非门U1A，该低电平信号和方波发生器产生的信号一起通过与非门U1A输出高电平，该高电平输送给两个触发器的CLK端，使得CLK端接受到高电平，从而使钳制触发器的输出端，这样当其他按钮按下的时候其输出将不会变化，这样就作到了抢答唯一的要求。每完成一次抢答，在开始下一次抢答之前，都应该按下复位开关S9使两个触发器的输入端全部清零，为下一次抢答做好准备。 以上是八路抢答器的原理分析，是八路抢答器的优点。根据不同的需要可以增减相应的器件实现多路抢答。 原理图 PCB板图 3D实物图 目录] 首页封面1 目录2 一、初步设想 3 二、设计思路 3 三、各组成部分电路及其工作原理 5 1、秒脉冲产生电路 5 2、定时器电路 7 3、抢答电路 8 4、控制电路 10 5、报警电路 10 6、译码显示电路 11 三、整体组合 13 四、自我总结 14 参考文献15 [原文] 一、初步设想 设计这个电路要求适应以下的情况 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S1S8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，且一次抢答的时间设定为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，声响持续的时间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，定时显示器上显示00。 二、设计思路 第一种方案 基于这个设计的上述要求，根据功能要求，我们须设计有抢答电路、译码显示电路、主持人控制电路、定时电路、脉冲产生电路、报警电路。各个电路都有其自己的功能 1、 控制电路必须做到主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，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，扬声器给出声响提示。 2、 抢答电路必须做到选手在定时时间内抢答时，实现优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。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。下面是数字抢答器的方框图。 3、 定时电路必须做到能够倒计时，从30到00，当有人抢答时，停止工作；计市时到0时，发出信号使抢答器停止工作，并使警报电路发出警报信号。 4、 警报电路的作用在于收到信号后发出警报。 5、 译码显示电路的任务是“翻译”二进制编码并在数码管上显示。 6、 报警电路用于报警，当遇到报警信号时，发出警报。 各个部分分工合作，要互相配合，每一个部分都对其他部分产生影响缺一不可，在设计电路时应注意对其他电路的影响，要符合其他电路的要求。 [参考资料] 1、中规模集成电路（脉冲与数字逻辑电路教案），高立，. 2003年3月24 日。 2．电子技术基础（数字部分）第四版，康华光，高等教育出版社。 3、74芯片功能表，http// 4、7448功能表，http// lesson/char4/j2.htm 全文大小68608byte 该八路抢答器用于8人及8人以下的抢答比赛中，本抢答器实用可靠，采用数码显示器显示抢答编号，具有数码锁存,优先抢答及规定时间内抢答有效的功能。将抢答中先按下按钮的编号用锁存器锁存，其它按钮无效，然后送入专用频道数显译码电路，直接驱动数码管显示抢答编码。二、电路各功能模块分析（1）输入电路利用8个常开接钮开关S1～S8和8只电阻R1～R8,组成抢答器的输入电路。S1～S8为自复式常开按钮开关，分别作为8位抢答按钮，与它相连的8只电阻为下拉电阻，以保证按钮未按下时，锁存器的输入端为低电平。2 定时电路由555定时器，三极管T1、T2，非极性电容C3，C4，二极管D，时间继电器KT，电阻R13～R16组成。当电路接通（S0按下），三极管T1经R16分压后导通，555定时器二脚电位拉低，3脚输出高电平，开始定时（设定为30S）三极管T2导通，继电器KT线圈得电，其常开开关闭合电路自锁。3 8线一8线锁存优先编码器由带公共时钟和复位端的编码器74LS273组成。编码器的逻辑功能就是把输入的每一个高、低电平信号编成一个对应的二进制代码。优先编码器中，允许同时输入两个以上的编码信号。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，当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。4 译码显示电路由专用频道数显译码器CH233，电阻R10，数码显示管LT5547组成。译码器的逻辑功能是将每一个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号，是编码器的反操作。数码管可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动 抢答器的毕业设计要求 1.1 基本功能 1．1．1 设计一个智能竞赛抢答器，可同时供8个选手或 8个代表队参加比赛，他们的编号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8。 1．1．2 给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零S9和抢答的开始S10。 1．1．3 抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答开关按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示选手的编号。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 扩展功能 1．2．1 抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间长短由主持人设定，当主持人启动“开始”开关后，定时开始绿灯亮红灯灭允许作答，定时结束绿灯灭红灯亮不得做作答。 1.3 设计要求及目的 1．3．1 设计一个可供8人进行的抢答器。 1．3．2 系统设置复位按钮，按动后，重新开始抢答。 1．3．3 抢答器开始时数码管显示序号0，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。抢答后显示优先抢答者序号，并且不出现其他抢答者的序号。 1．3．4 抢答器具有定时抢答功能。 1．3．5 主持人按下复位开关，使得抢答器再次进入禁止状态，选手编号的LED数字显示器灯熄灭，电路进入原来的初始状态，准备进入下一轮的抢答。 抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装置,从原理上讲,它是一种典型的数字电路,其中包括了组合逻辑电路和时序电路。 从有利于学习的角度考虑，这里主要介绍以中小规模集成电路和ＰＬＤ器件设计抢答器的方法。 1 抢答器的基本组成及工作原理 1.1 抢答器的组成 抢答器的一般构成框图如图1.1所示。它主要由开关阵列电路、触发锁存电路、编码器、7段显示器几部分组成。下面逐一给予介绍。 图1.1 抢答器的组成框图 （１）开关阵列电路 该电路由多路开关所组成，每一竞赛者与一组开关相对应。开关应为常开型，当按下开关时，开关闭合；当松开开关时，开关自动弹出断开。 （２）触发锁存电路 当某一开关首先按下时，触发锁存电路被触发，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。 （３）编码器 编码器的作用是将某一开关信息转化为相应的8421BCD码，以提供数字显示电路所需要的编码输入。 （４）７段显示译码器 译码驱动电路将编码器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。 （５）数码显示器 数码管通常有发光二极管（LED）数码管和液晶（LCD）数码管。本设计提供的为LED数码管。 1.2 抢答器的工作原理 1开关阵列电路 图1.2所示为８路开关阵列电路，从图上可以看出其结构非常简单。电路中，Ｒ1～Ｒ8为上拉和限流电阻。当任一开关按下时，相应的输出为低电平，否则为高电平。 图1.2 开关阵列电路 2触发锁存电路 图1.3所示为８路触发锁存电路。图中，74HC373为8D锁存器，一开始，当所有开关均未按下时，锁存器输出全为高电平，经８输入与非门和非门后的反馈信号仍为高电平，该信号作为锁存器使能端控制信号，使锁存器处于等待接收触发输入状态；当任一开关按下时，输出信号中必有一路为低电平，则反馈信号变为低电平，锁存器刚刚接收到的开关被锁存，这时其它开关信息的输入将被封锁。由此可见，触发锁存电路具有时序电路的特征，是实现抢答器功能的关键。 也可以采用ＪＫ触发器来实现触发锁存电路的功能，具体实现方法请自己考虑。 图1.3 触发锁存电路 图1.4 编码器 3编码器 如图1.4所示，74HC147H为１０－４线优先（高位优先）编码器，当任意输入为低电平时，输出为相应的输入编号的8421码（BCD码）的反码。 4译码驱动及显示单元 编码器实现了对开关信号的编码并以ＢＣＤ码的形式输出。为了将编码显示出来，需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流。一般这种译码通常称为７段译码显示驱动器。常用的７段译码显示驱动器有ＣＤ４５１１等。 数码显示器件中的液晶数码管价格较高，驱动较复杂，并且仅能工作于有外界光线的场合，所以使用较少。大多情况下使用的是ＬＥＤ数码管。平时使用较多的ＬＥＤ数码有单字和双字之分。 ＬＥＤ数码管尺寸有大有小，一般小的数码管每个数字笔画为一个发光二极管，而尺寸较大的数码管一个笔画可能是多个发光二极管串接而成的，这时一般无法直接用译码驱动器直接驱动（其输出高电平一般为３Ｖ左右）。 5解锁电路 当触发锁存电路被触发锁存后，若要进行一下轮的重新抢答，则需将锁存器解锁。可将使能端强迫置１或置０（根据具体情况而定），使锁存顺处于等待歉收状态即可。具体实现方法请读者考虑。 2 抢答器的设计与制作 例试用中小规模集成电路设计并制作一抢答器，指标要求如下 1８路开关输入； 2稳定显示与输入开关编号相对应的数字１～８； 3输出具有唯一性和时序第一特征。 设计与制作步骤如下 1根据要求，选择抢答器电路设计方案，如图ＸＸＸ所示。 2电路设计及元器件选择 ① 开关阵列电路选择图ＸＲＸＸ所示的８路开关阵列电路，由于本电路均采用ＣＭＯＳ集成电路组成，故上拉电阻Ｒ1～Ｒ8可取１ＭΩ。 ② 触发锁存电路选择图ＸＸＸ所示８路触发锁存电路。电路中，选８Ｄ锁存器为７４ＨＣ３７３，８输入与非门为７４ＨＣ３０。 也可以选用４片双ＪＫ触发器来实现触发锁存电路的功能，具体实现方法请读者考虑。 ③ 编码器选图ＸＸＸ所示７４ＨＣ１４７１０－４线优先（高位优先）编码器。当任意输入应接高电平。 ④ 译码驱动及显示单元电路选择ＣＤ４５１１作为显示译码电路。选择ＬＥＤ数码管作为显示单元电路。 ⑤ 解锁电路选择７４ＨＣ３２或门构成解锁电路。将解锁开关信号与锁存器反馈信号相或后再加到锁存器的使能输入端，当解锁开关信号为１时，可将使能端强迫置１，使锁存器重新处于等待接收状态。 ⑥ 抢答器总体电路根据上述设计，可画出抢答器总体电路。 3根据上述设计思路，可画出实际电路图（或直接画仿真电路图，自行画出）。 4电路仿真调试 在完成电路的初步设计后，再对电路进行仿真仿真调试，目的是为了观察和测量电路的性能指标并调整部分元器件参数，从而达到各项指标的要求。 5ＰＣＢ图设计与生成 ⑦ 由仿真电路直接生成网络表； ⑧ 调用Ｐｒｏｔｅｌ－ＰＣＢ，并进行元器件合理布局； ⑨ 调用网络表，并自动布线； ⑩ ＰＣＢ图的人工调整及打印输出。 ＰＣＢ板一般由生产厂商根据图纸进行生产，电路设计者无须介入。 6电路焊接与装配 ⑪ 元器件老化与抽样检测； ⑫ 元器件预处理； ⑬ 基于ＰＣＢ板的元器件焊接与电路装配。 7实际电路测试与改进 选择测量仪表与仪器，对电路进行实际测量与调试，调整电路参数，并解决存在的问题或电路故障等。 3 抢答器的设计与制作任务书 课题１ 试用中小规模集成电路设计并制作一抢答器 要求如下 （１） 设计指标 ① １６路开关输入； ② 稳定显示与输入开关编号相对应的数字０１～１６； ③ 输出具有唯一性和时序第一的特征。 （２） 设计要求 ① 画出电路原理图（或仿真电路图）； ② 元器件及参数选择； ③ 电路仿真与调试； ④ ＰＣＢ文件生成与打印输出。 （３）制作要求 自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。 （４）编写设计报告 写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。 （５）答辩 在规定的时间内，完成叙述并回答提问。 课题２ 试用ＣＰＬＤ器件设计并制作一抢答器 要求如下 （１） 设计指标 ① ８路开关输入； ② 稳定显示与输入开关编号相对应的数字１～８； ③ 输出具有唯一性和时序第一的特征。 （２） 设计要求 ① 画出电路原理图（或或仿真电路图）； ② 元器件及参数选择； ③ 电路仿真与调试； ④ ＰＣＢ文件生成与打印输出。 （３） 制作要求 自行装配和调试，并能发现问题和解决问题。 （４） 编写设计报告 写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。 （５） 答辩 在规定的时间内，完成叙述并回答提问。