數(shù)字式競賽搶答器

題目：數(shù)字式競賽搶答器

1.任務(wù)要求

數(shù)字式競賽搶答器廣泛應(yīng)用于各種知識(shí)競

賽活動(dòng)中。它具有數(shù)字顯示搶答者序號(hào)功能

同時(shí)配以聲、光報(bào)警，以響應(yīng)搶先搶答者的

信號(hào)和序號(hào)，對(duì)犯規(guī)搶答者(包括提前和超

前搶答)除聲、光報(bào)警外，還有顯示搶答犯

規(guī)者序號(hào)的功能，同時(shí)還可以設(shè)置記分和

獎(jiǎng)罰記錄等多種功能。

2.性能指標(biāo)要求：

(1)設(shè)計(jì)制作一個(gè)可容納8組參賽的

數(shù)字式搶答器，每組設(shè)置一個(gè)搶答按鈕供

搶答者使用。

(2)根據(jù)數(shù)字式搶答器的功能和使用

步驟，設(shè)計(jì)搶答者的輸入搶答鎖定電路、搶

答者序號(hào)編碼、譯碼和顯示電路。

(3)設(shè)計(jì)定時(shí)電路，聲、光報(bào)警或音

樂片驅(qū)動(dòng)電路。

(4)設(shè)計(jì)控制邏輯電路，起動(dòng)、復(fù)位

電路。

(5)設(shè)計(jì)計(jì)分電路，犯規(guī)電路。

注:搶答器的使用步驟為：

(D電路上電搶答前，由搶答主持人進(jìn)行

系統(tǒng)復(fù)位，確定搶答允許時(shí)間。

(2)搶答主持人發(fā)出搶答命令同時(shí)按下定

時(shí)開關(guān)。

(3)搶答者聽到搶答開始命令后，通過各自

的按鈕開關(guān)輸入搶答信號(hào)。

3.設(shè)計(jì)與測(cè)試

按任務(wù)要求，設(shè)計(jì)電路，計(jì)算參數(shù)，選擇

元器件。根據(jù)所設(shè)計(jì)電路原理圖，選擇所需

元器件連接電路，并按照調(diào)試步驟進(jìn)行調(diào)

試。逐步排除故障最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求

4.成果要求

(1)課程設(shè)計(jì)說明書一本。

要求：內(nèi)容完整，圖表完備，字跡工整,

條理清晰，分析有據(jù)

(2)所用元器件清單

(3)電路實(shí)體和仿真。

要求：電路必須有仿真結(jié)果，該電路實(shí)體必

須是自己安裝調(diào)試通過并達(dá)到性能指標(biāo)要

求的電路實(shí)體。

5.答辯

在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成敘述并回答問題。

目錄

一、課題設(shè)計(jì)任務(wù)書

1.任務(wù)要求

2.性能指標(biāo)要求

3.設(shè)計(jì)與測(cè)試

4.成果要求

5.答辯

二、設(shè)計(jì)方案

1.電路的基本功能及原理方框圖

2.設(shè)計(jì)方案

三.、單元電路設(shè)計(jì)

1.搶答器電路

2.定時(shí)電路

3.顯示電路

4.報(bào)警電路

U!、電路調(diào)試

1.檢測(cè)與查閱器件

2.連接電路

3.電路調(diào)試

五、參考文獻(xiàn)

二設(shè)計(jì)方案選擇

1.電路的基本功能及原理方框圖

(1)搶答器同時(shí)8名選手或8個(gè)代

表隊(duì)比賽，分別用8個(gè)按鈕SI-S8表示。

(2)設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S,

該開關(guān)由主持人控制。

(3)搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手

按動(dòng)按鈕，鎖存相應(yīng)的編號(hào)，揚(yáng)

聲器發(fā)出聲響提示，并在DPY_7-SEG

七段數(shù)碼管上顯示選手號(hào)碼。選

手搶答實(shí)行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選

手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)

清除為止。

(4)搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶

答的時(shí)間由主持人設(shè)定(如30秒)。

當(dāng)主持人啟動(dòng)〃開始〃鍵后，定時(shí)器進(jìn)行減

計(jì)時(shí)。

(5)參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，

搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯

示器上顯示選手的編號(hào)和搶答的時(shí)間，并

保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。

(6)如果定時(shí)時(shí)間已到，無人搶答,

本次搶答無效，系統(tǒng)報(bào)警并禁止搶答，

定時(shí)顯示器上顯示00o

圖1原理

方框圖

其工作原理為：接通電源后，主持人將開

關(guān)撥到〃清零〃狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài),

編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間；主

持人將開關(guān)置;開始〃狀態(tài)，宣布〃開始〃搶

答器工作。定時(shí)器倒計(jì)時(shí)，揚(yáng)聲器給出聲響

提示。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完

成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示、揚(yáng)聲

器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時(shí)器停止、禁

止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。如果再

次搶答必須由主持人再次操作〃清除〃和〃開

始〃狀態(tài)開關(guān)。

2.設(shè)計(jì)方案

電路

原理圖如圖2所示:

圖2方

案電路原理圖

當(dāng)電路接上電源后，整個(gè)電路都處于工作狀

態(tài)。當(dāng)主持人開關(guān)打開時(shí)，電路處于清零狀

態(tài)。此時(shí)，各個(gè)觸發(fā)器的Q端輸出都為1,

假設(shè)芯片編碼器74LS148處于工作狀態(tài)，此

時(shí)，輸入的都是高電平，而兩輸出使能端

EO和GS的輸出狀態(tài)分別為0和1,EO的

輸出控制一個(gè)與非門，此時(shí)這個(gè)與非門被封

鎖。GS的輸出信號(hào)送到各觸發(fā)器的JK端,

此時(shí)都為高電平。也就是說，只要有觸發(fā)信

號(hào)來并且R端為1時(shí)，各觸發(fā)器就會(huì)被觸發(fā)

翻轉(zhuǎn)。當(dāng)主持人開關(guān)合上，指示燈亮，此時(shí)

電路處于搶答狀態(tài)，當(dāng)六位選手中有其中一

個(gè)把開關(guān)合上，其相應(yīng)的觸發(fā)器CP端就相

當(dāng)于有一個(gè)下降沿到來，觸發(fā)器被觸發(fā)翻

轉(zhuǎn)。其Q端輸出為0,信號(hào)輸入到優(yōu)先編碼

器74LS148中，經(jīng)編碼輸送到74LS48七段

譯碼驅(qū)動(dòng)器，最后在顯示器上顯示選手的代

號(hào)。在此時(shí),74LS148的兩個(gè)輸出使能端EO

和GS分別輸出為1和Oo這樣與非門打開,

并輸出為低電平。由555連接成的單穩(wěn)態(tài)

觸發(fā)器受到觸發(fā)，輸出為高電平，這樣就打

開了由555連接成的多諧振蕩電路，喇叭

發(fā)出搶答成功的聲響。同樣地，只要在單穩(wěn)

態(tài)和多諧振蕩電路中選擇合適電阻和電容,

就可以控制喇叭發(fā)聲的時(shí)間頻率。而此時(shí)因

為GS輸出為0,各觸發(fā)器的.TK端也就為

0,就算此時(shí)其它選手再把開關(guān)合上，其對(duì)

應(yīng)的觸發(fā)器也不會(huì)再觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，仍然會(huì)保持

原來的狀態(tài)。當(dāng)主持人把開關(guān)斷開時(shí)，電路

又被清零。

三、單元電路設(shè)計(jì)

1.搶答器電路

74LS279

主

特

人10￡

制

控6

開MI15

關(guān)3

都IHY2Y0YEXYS

除

工__74L5148____

17BEMD12H10

N

圖3搶答

器電路

如圖3所示,電路選用優(yōu)先編

碼器74LS148和鎖存器74LS297來完成。

該電路主要完成兩個(gè)功能：一是分辨出選

手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào),

同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào)（顯示電路采用

七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管）；二是禁止其他選手

按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：開關(guān)S

置于〃清除〃端時(shí)，RS觸發(fā)器的R、S端均為

0,4個(gè)觸發(fā)器輸出置0,使74LS148的優(yōu)先

編碼工作標(biāo)志端（圖中5號(hào)端）=0,使之

處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S置于"開始〃時(shí)，搶

答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將搶答

按鍵按下時(shí)（如按下S5）,74LS148的輸出

經(jīng)RS鎖存后（如圖4）,CTR=1,RBO（圖中4

端）=1,七段顯示電路74LS48處于工作狀態(tài),

4Q3Q2Q=101,經(jīng)譯碼顯示為“5"。

圖4鎖存電路

此外，CTR=1,使74LS148優(yōu)先編碼工作

標(biāo)志端（圖中5號(hào)端）=1,處于禁止?fàn)顟B(tài)，

封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時(shí),

74LS148的此時(shí)由于仍為CTR=1,使優(yōu)先

編碼工作標(biāo)志端（圖中5號(hào)端）=1,所以

74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會(huì)出二次

按鍵時(shí)輸入信號(hào)，保證了搶答者的優(yōu)先性。

如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置

“清除”然后再進(jìn)行下一輪搶答。74LS148

為8線一3線優(yōu)先編碼器，表一為其功能

表。

輸入輸出

ST叫電颯幽幽幽石匕元YEX

1XXXXXX11111

011111111110

0XXXXXX00001

0XXxxx000101

0XXxx0101001

0XXx01101101

0XX011110001

0X0111110101

U01111111UU1

011111111101

表一

2.定時(shí)電路

原理及設(shè)計(jì)：該部分主要由555定時(shí)器秒脈

沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器

74LS192減法計(jì)數(shù)電路、74LS48譯碼電路和

2個(gè)7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。具體電路

如圖5所示。兩塊74LS192實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù),

通過譯碼電路74LS48顯示到數(shù)碼管上，其

時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供。74192的預(yù)

置數(shù)控制端實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù),由節(jié)目主持人根

據(jù)搶答題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時(shí)

間，通過預(yù)置時(shí)間電路對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置,

計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵

彈起后，計(jì)數(shù)器開始減法計(jì)數(shù)工作，并將

時(shí)間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管

DPY_7-SEG上，當(dāng)有人搶答時(shí),停止計(jì)數(shù)

并顯示此時(shí)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間；如果沒有人搶答,

且倒計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)，輸出低電平到時(shí)序控

制電路，控制報(bào)警電路報(bào)警，同時(shí)以后選

手搶答無效。下面結(jié)合圖4具體講一下標(biāo)準(zhǔn)

秒脈沖產(chǎn)生電路的原理。圖中電容C的放電

時(shí)間和充電時(shí)間分別為于是從NE555的3端

輸出的脈沖的頻率為結(jié)合我們的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)

及考慮到元器件的成本,我們選擇的電阻

值為R1=15K,R2=68K,C=10uF,代入到上式

中即得，即秒脈沖。

圖5可預(yù)置時(shí)間的定時(shí)電路

3.顯示電路

顯示電路（圖6）主要是由一個(gè)優(yōu)先編

碼器74148,一個(gè)七段LED譯碼驅(qū)動(dòng)器7448

和一個(gè)七段LED數(shù)碼顯示器組成.優(yōu)先編

碼器74148的功能表在圖5中已經(jīng)列出.七

段LED譯碼驅(qū)動(dòng)器7448的功能表如圖所

示.在顯示電路中,74148的0和7輸入是懸

空的，只從1?6輸入端輸入信號(hào)，只要有一

個(gè)信號(hào)輸入，就會(huì)輸出其相應(yīng)的二進(jìn)碼，這

個(gè)二進(jìn)碼送到7448中.在7448中,D端是

接地的，只從CBA三端輸入，再譯碼輸出,

最后在七段LED顯示器中顯示出來.

1El

E0

-D

2

3C

4

574148B7448

6

7A

6

GS

圖6顯示電路

卜進(jìn)制歸入W驪出字

或功兼LTSB!DCBARfVab?dr?/g形

rt

0HWLLLLHHHHHHHLu

?

1HKLLLHHLHH1LLL.

2H?cLLHLHHHLHMLH

3HKLLHHXHHHH(.LH3

4KKLHLLKLHHLLHHM

SItKLHLHHH1.HHLHHS

6HKLHHLKLLHHHHHb

1HKLHHHHH11ML1.LL1

8HxHLLLHHHHHHHHB

9HXHLLHHHHHHLHH9

10HKHLHLHLLLHHLHc

11H<HLHHHLLHHLLH3

12HxHHLLHLHLLLHHU

13HXWHLHHHLLHLHHc

MHXHHH1.HLLLHHHH.

1SHXHHHHHLLLLLLLt

消德XXXXXXLLLLLLL1...

詠沖悄隱HLLLLLLLLLLLLL

月測(cè)試L|xxXXXHHHHHHHH8

表二（七段LED譯碼驅(qū)動(dòng)器7448功能表）

4.報(bào)警電路

%

V。

圖7555定時(shí)器原理圖

在整個(gè)搶答器設(shè)計(jì)中，要求搶答成功后有聲

音提示，而且提示聲持續(xù)1s,頻率為

1.2KHZ,在設(shè)計(jì)報(bào)警電路時(shí)這里用到了555

定時(shí)器。面先對(duì)555定時(shí)器作簡要的介紹。

555定時(shí)器的原理圖和功能表分別

如圖7和圖8所示。它是由3個(gè)阻值為5K

歐的電阻組成的分壓器，兩個(gè)電壓比較器

C1和C2,基本RS觸發(fā)器，放電BJTTD以

及緩沖器G4組成.定時(shí)器的主要功能取決于

比較器，比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電

TD的狀態(tài)。圖中Rd為復(fù)位輸入端，當(dāng)Rd

為低電平時(shí),不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸

出Vo為低電平。由圖可知，當(dāng)5腳懸空時(shí),

比較器C1和C2和比較電壓分別為2/3Vcc

和l/3Vcco由表二可知：

當(dāng)VIl>2/3Vcc,VI2>l/3Vcc時(shí)，比較器

C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，基

本RS觸發(fā)器被置0,放電三極管TD導(dǎo)通,

輸出端Vo為低電平

當(dāng)VIl<2/3Vcc,VI2<l/3Vcc時(shí)，比較器C1

輸出高電平，比較器C2輸出低電平，基本

RS觸發(fā)器被置1,放電三極管TD截止，輸

出端Vo為高電平。

當(dāng)VIl<2/3Vcc,VI2>l/3Vcc時(shí)，基本

RS觸發(fā)器R=l,S=l,觸發(fā)器狀態(tài)不變，電

路亦保持原狀態(tài)不變。

THTRROUTD

XXLL接通

>§UDD>|UDDHL接通

<§UDD>|UDDH態(tài)態(tài)

X<|UDDHH關(guān)斷

圖中的L為低電平，H為高電平

圖8555定時(shí)器功能表

用555定時(shí)器可以組

成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩電路，如圖9所

示：

口3F

------2

圖9單穩(wěn)態(tài)觸

發(fā)器電路圖

由555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路圖如圖9

所示。將555定時(shí)器的6號(hào)腳和7號(hào)腳接在

一起，并添加一個(gè)電容和一個(gè)電阻，就

可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。電容接在電源與6

號(hào)腳之間，電阻接在7號(hào)腳和地之間。這個(gè)

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是負(fù)脈沖觸發(fā)的。穩(wěn)態(tài)時(shí)，這

個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出低電平。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，這

個(gè)觸發(fā)器輸出高電平。5號(hào)腳懸空時(shí)，輸出

脈沖寬度為。5號(hào)腳接控制電壓時(shí)，輸出

脈沖寬度為。

在這里，單穩(wěn)觸發(fā)器主要是用于控制

喇叭聲響的時(shí)長,這就要通過控制觸發(fā)器的

輸出脈寬來實(shí)現(xiàn).設(shè)計(jì)要求喇叭聲響時(shí)長為

1秒.經(jīng)計(jì)算得到在單穩(wěn)觸發(fā)器中的各參數(shù)

如下：

C=0.01微法

Rp=91M歐

圖10多諧振蕩電路

由555組成的多諧振蕩電路如圖10所示。

電阻和電容構(gòu)成一個(gè)積分電路，其輸入

端接施密特觸發(fā)器的輸出端，其輸出端接

施密特觸發(fā)器的輸入端。用555定時(shí)器構(gòu)成

多諧振蕩器就是這個(gè)思路。于是，先用555

定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)施密特觸發(fā)器，再把這個(gè)

施密特觸發(fā)器改接成多諧振蕩器。與555

定時(shí)器內(nèi)部的放電管構(gòu)成了一個(gè)反相器。

邏輯上，這個(gè)反相器的輸出與555定時(shí)器的

輸出完全相同。因此，這個(gè)施密特觸發(fā)器有

兩個(gè)輸出端，分別為555定時(shí)器的3號(hào)腳和

7號(hào)腳。我們看到，電阻和電容構(gòu)成了

積分電路，施密特觸發(fā)器的一個(gè)輸出端

（7號(hào)腳）接積分電路的輸入端，積分

電路的輸出端接施密特觸發(fā)器的輸入端。這

樣，一個(gè)多諧振蕩器就成了。

多諧振蕩器用在報(bào)警電路中，主要是用

于控制喇叭聲響頻率.這里要求為L2KHz.

在方案一中,還用到了多諧振蕩器來產(chǎn)生CP

脈沖.經(jīng)計(jì)算得到多諧振蕩器各參數(shù)如下：

Rl=0.6K歐

R2=2.4K歐

Cl=0.22微法

C2=0.01微法

報(bào)警電路主要就是由以上所介紹的一個(gè)單

穩(wěn)觸發(fā)器，一個(gè)多諧振蕩器，再加一個(gè)揚(yáng)聲

器組成的.其組成原理圖如圖11所示：

圖11

由圖中可以看