題目：數字式競賽搶答器

1.任務要求

數字式競賽搶答器廣泛應用于各種知識競

賽活動中。它具有數字顯示搶答者序號功能

同時配以聲、光報警，以響應搶先搶答者的

信號和序號，對犯規搶答者(包括提前和超

前搶答)除聲、光報警外，還有顯示搶答犯

規者序號的功能，同時還可以設置記分和

獎罰記錄等多種功能。

2.性能指標要求：

(1)設計制作一個可容納8組參賽的

數字式搶答器，每組設置一個搶答按鈕供

搶答者使用。

(2)根據數字式搶答器的功能和使用

步驟，設計搶答者的輸入搶答鎖定電路、搶

答者序號編碼、譯碼和顯示電路。

(3)設計定時電路，聲、光報警或音

樂片驅動電路。

(4)設計控制邏輯電路，起動、復位

電路。

(5)設計計分電路，犯規電路。

注:搶答器的使用步驟為：

(D電路上電搶答前，由搶答主持人進行

系統復位，確定搶答允許時間。

(2)搶答主持人發出搶答命令同時按下定

時開關。

(3)搶答者聽到搶答開始命令后，通過各自

的按鈕開關輸入搶答信號。

3.設計與測試

按任務要求，設計電路，計算參數，選擇

元器件。根據所設計電路原理圖，選擇所需

元器件連接電路，并按照調試步驟進行調

試。逐步排除故障最終達到設計要求

4.成果要求

(1)課程設計說明書一本。

要求：內容完整，圖表完備，字跡工整,

條理清晰，分析有據

(2)所用元器件清單

(3)電路實體和仿真。

要求：電路必須有仿真結果，該電路實體必

須是自己安裝調試通過并達到性能指標要

求的電路實體。

5.答辯

在規定時間內，完成敘述并回答問題。

目錄

一、課題設計任務書

1.任務要求

2.性能指標要求

3.設計與測試

4.成果要求

5.答辯

二、設計方案

1.電路的基本功能及原理方框圖

2.設計方案

三.、單元電路設計

1.搶答器電路

2.定時電路

3.顯示電路

4.報警電路

U!、電路調試

1.檢測與查閱器件

2.連接電路

3.電路調試

五、參考文獻

二設計方案選擇

1.電路的基本功能及原理方框圖

(1)搶答器同時8名選手或8個代

表隊比賽，分別用8個按鈕SI-S8表示。

(2)設置一個系統清除和搶答控制開關S,

該開關由主持人控制。

(3)搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手

按動按鈕，鎖存相應的編號，揚

聲器發出聲響提示，并在DPY_7-SEG

七段數碼管上顯示選手號碼。選

手搶答實行優先鎖存，優先搶答選

手的編號一直保持到主持人將系統

清除為止。

(4)搶答器具有定時搶答功能，且一次搶

答的時間由主持人設定(如30秒)。

當主持人啟動〃開始〃鍵后，定時器進行減

計時。

(5)參賽選手在設定的時間內進行搶答，

搶答有效，定時器停止工作，顯

示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并

保持到主持人將系統清除為止。

(6)如果定時時間已到，無人搶答,

本次搶答無效，系統報警并禁止搶答，

定時顯示器上顯示00o

圖1原理

方框圖

其工作原理為：接通電源后，主持人將開

關撥到〃清零〃狀態，搶答器處于禁止狀態,

編號顯示器滅燈，定時器顯示設定時間；主

持人將開關置;開始〃狀態，宣布〃開始〃搶

答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響

提示。選手在定時時間內搶答時，搶答器完

成：優先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲

器提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁

止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再

次搶答必須由主持人再次操作〃清除〃和〃開

始〃狀態開關。

2.設計方案

電路

原理圖如圖2所示:

圖2方

案電路原理圖

當電路接上電源后，整個電路都處于工作狀

態。當主持人開關打開時，電路處于清零狀

態。此時，各個觸發器的Q端輸出都為1,

假設芯片編碼器74LS148處于工作狀態，此

時，輸入的都是高電平，而兩輸出使能端

EO和GS的輸出狀態分別為0和1,EO的

輸出控制一個與非門，此時這個與非門被封

鎖。GS的輸出信號送到各觸發器的JK端,

此時都為高電平。也就是說，只要有觸發信

號來并且R端為1時，各觸發器就會被觸發

翻轉。當主持人開關合上，指示燈亮，此時

電路處于搶答狀態，當六位選手中有其中一

個把開關合上，其相應的觸發器CP端就相

當于有一個下降沿到來，觸發器被觸發翻

轉。其Q端輸出為0,信號輸入到優先編碼

器74LS148中，經編碼輸送到74LS48七段

譯碼驅動器，最后在顯示器上顯示選手的代

號。在此時,74LS148的兩個輸出使能端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連接成的單穩態

觸發器受到觸發，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

發出搶答成功的聲響。同樣地，只要在單穩

態和多諧振蕩電路中選擇合適電阻和電容,

就可以控制喇叭發聲的時間頻率。而此時因

為GS輸出為0,各觸發器的.TK端也就為

0,就算此時其它選手再把開關合上，其對

應的觸發器也不會再觸發翻轉，仍然會保持

原來的狀態。當主持人把開關斷開時，電路

又被清零。

三、單元電路設計

1.搶答器電路

74LS279

主

特

人10￡

制

控6

開MI15

關3

都IHY2Y0YEXYS

除

工__74L5148____

17BEMD12H10

N

圖3搶答

器電路

如圖3所示,電路選用優先編

碼器74LS148和鎖存器74LS297來完成。

該電路主要完成兩個功能：一是分辨出選

手按鍵的先后，并鎖存優先搶答者的編號,

同時譯碼顯示電路顯示編號（顯示電路采用

七段數字數碼顯示管）；二是禁止其他選手

按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：開關S

置于〃清除〃端時，RS觸發器的R、S端均為

0,4個觸發器輸出置0,使74LS148的優先

編碼工作標志端（圖中5號端）=0,使之

處于工作狀態。當開關S置于"開始〃時，搶

答器處于等待工作狀態，當有選手將搶答

按鍵按下時（如按下S5）,74LS148的輸出

經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,

4Q3Q2Q=101,經譯碼顯示為“5"。

圖4鎖存電路

此外，CTR=1,使74LS148優先編碼工作

標志端（圖中5號端）=1,處于禁止狀態，

封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時,

74LS148的此時由于仍為CTR=1,使優先

編碼工作標志端（圖中5號端）=1,所以

74LS148仍處于禁止狀態，確保不會出二次

按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優先性。

如有再次搶答需由主持人將S開關重新置

“清除”然后再進行下一輪搶答。74LS148

為8線一3線優先編碼器，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.定時電路

原理及設計：該部分主要由555定時器秒脈

沖產生電路、十進制同步加減計數器

74LS192減法計數電路、74LS48譯碼電路和

2個7段數碼管即相關電路組成。具體電路

如圖5所示。兩塊74LS192實現減法計數,

通過譯碼電路74LS48顯示到數碼管上，其

時鐘信號由時鐘產生電路提供。74192的預

置數控制端實現預置數,由節目主持人根

據搶答題的難易程度，設定一次搶答的時

間，通過預置時間電路對計數器進行預置,

計數器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵

彈起后，計數器開始減法計數工作，并將

時間顯示在共陰極七段數碼顯示管

DPY_7-SEG上，當有人搶答時,停止計數

并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答,

且倒計時時間到時，輸出低電平到時序控

制電路，控制報警電路報警，同時以后選

手搶答無效。下面結合圖4具體講一下標準

秒脈沖產生電路的原理。圖中電容C的放電

時間和充電時間分別為于是從NE555的3端

輸出的脈沖的頻率為結合我們的實際經驗

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可預置時間的定時電路

3.顯示電路

顯示電路（圖6）主要是由一個優先編

碼器74148,一個七段LED譯碼驅動器7448

和一個七段LED數碼顯示器組成.優先編

碼器74148的功能表在圖5中已經列出.七

段LED譯碼驅動器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，只要有一

個信號輸入，就會輸出其相應的二進碼，這

個二進碼送到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

月測試L|xxXXXHHHHHHHH8

表二（七段LED譯碼驅動器7448功能表）

4.報警電路

%

V。

圖7555定時器原理圖

在整個搶答器設計中，要求搶答成功后有聲

音提示，而且提示聲持續1s,頻率為

1.2KHZ,在設計報警電路時這里用到了555

定時器。面先對555定時器作簡要的介紹。

555定時器的原理圖和功能表分別

如圖7和圖8所示。它是由3個阻值為5K

歐的電阻組成的分壓器，兩個電壓比較器

C1和C2,基本RS觸發器，放電BJTTD以

及緩沖器G4組成.定時器的主要功能取決于

比較器，比較器的輸出控制RS觸發器和放電

TD的狀態。圖中Rd為復位輸入端，當Rd

為低電平時,不管其他輸入端的狀態如何，輸

出Vo為低電平。由圖可知，當5腳懸空時,

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VIl>2/3Vcc,VI2>l/3Vcc時，比較器

C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，基

本RS觸發器被置0,放電三極管TD導通,

輸出端Vo為低電平

當VIl<2/3Vcc,VI2<l/3Vcc時，比較器C1

輸出高電平，比較器C2輸出低電平，基本

RS觸發器被置1,放電三極管TD截止，輸

出端Vo為高電平。

當VIl<2/3Vcc,VI2>l/3Vcc時，基本

RS觸發器R=l,S=l,觸發器狀態不變，電

路亦保持原狀態不變。

THTRROUTD

XXLL接通

>§UDD>|UDDHL接通

<§UDD>|UDDH態態

X<|UDDHH關斷

圖中的L為低電平，H為高電平

圖8555定時器功能表

用555定時器可以組

成單穩態觸發器和多諧振蕩電路，如圖9所

示：

口3F

------2

圖9單穩態觸

發器電路圖

由555組成的單穩態觸發器的電路圖如圖9

所示。將555定時器的6號腳和7號腳接在

一起，并添加一個電容和一個電阻，就

可以構成單穩態觸發器。電容接在電源與6

號腳之間，電阻接在7號腳和地之間。這個

單穩態觸發器是負脈沖觸發的。穩態時，這

個單穩態觸發器輸出低電平。暫穩態時，這

個觸發器輸出高電平。5號腳懸空時，輸出

脈沖寬度為。5號腳接控制電壓時，輸出

脈沖寬度為。

在這里，單穩觸發器主要是用于控制

喇叭聲響的時長,這就要通過控制觸發器的

輸出脈寬來實現.設計要求喇叭聲響時長為

1秒.經計算得到在單穩觸發器中的各參數

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。

電阻和電容構成一個積分電路，其輸入

端接施密特觸發器的輸出端，其輸出端接

施密特觸發器的輸入端。用555定時器構成

多諧振蕩器就是這個思路。于是，先用555

定時器構成一個施密特觸發器，再把這個

施密特觸發器改接成多諧振蕩器。與555

定時器內部的放電管構成了一個反相器。

邏輯上，這個反相器的輸出與555定時器的

輸出完全相同。因此，這個施密特觸發器有

兩個輸出端，分別為555定時器的3號腳和

7號腳。我們看到，電阻和電容構成了

積分電路，施密特觸發器的一個輸出端

（7號腳）接積分電路的輸入端，積分

電路的輸出端接施密特觸發器的輸入端。這

樣，一個多諧振蕩器就成了。

多諧振蕩器用在報警電路中，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生CP

脈沖.經計算得到多諧振蕩器各參數如下：

Rl=0.6K歐

R2=2.4K歐

Cl=0.22微法

C2=0.01微法

報警電路主要就是由以上所介紹的一個單

穩觸發器，一個多諧振蕩器，再加一個揚聲

器組成的.其組成原理圖如圖11所示：

圖11

由圖中可以看