圖2.1 數字搶答器系統框圖

圖3.1 元器件芯片圖

表3.1 74LS192真值表

表3.2 74LS175真值表

表3.3 74LS47真值表

接通電源后，主持人將開關撥到″清除″狀態，搶答器處于禁止狀態，主持人將開關置于開始狀態，宣布"開始"搶答器工作，選手可按相應按鍵進行搶答。定時器倒計時，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、揚聲器和發光二極管提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答。  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。

（1）主持人有開始鍵和復位鍵（為同一個電鍵），按下開始鍵后才能開始搶答，否則無效。

（2）用數碼管顯示，正常搶答后顯示搶到的隊號，同時揚聲器和發光二極管開始報警。

（3）如果30秒內沒有搶答，則說明該題超時作廢。

（4）復位鍵用于恢復超時狀態，時間清零，搶答顯示器也同時復位。

電路選用鎖存器74LS175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：開關自下而上，分別是S1,S2,S3S4,S5，S5是控制清零端，當S5斷開時，搶答模塊74LS175的CLR端置0，使整個模塊處于禁止工作狀態；當S5閉合時，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S4），輸出經74LS175鎖存器接到七段顯示電路處于工作狀態，4Q3Q2Q1Q=0100,經譯碼顯示為“4”。此外，CLK＝0，使74LS175鎖存器處于禁止狀態，封鎖其他按鍵的輸入，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S5開關重新置“清零”然后才可能進行。

圖5.1 搶答器電路仿真圖

圖5.2 搶答器清零

時鐘發生信號由555構成的多謝振蕩電路來產生，電阻R1、R2和電容C1構成定時電路。定時電容C1上的電壓UC作為高觸發端TH（6腳）和低觸發端TL（2腳）的外觸發電壓。放電端D（7腳）接在R1和R2之間。電壓控制端K（5腳）不外接控制電壓而接入高頻干擾旁路電容C2（0.01uF）。直接復位端R（4腳）接高電平，使NE555處于非復位狀態。

多諧振蕩器的振蕩周期T和振蕩頻率f分別為

T=Th+Tl=（R1+2R2）×C1×ln2     (1)

f=1/T=1/[（R1+2R2）×C1×ln2]   (2)

圖5.3 時鐘信號發生電路

由節目主持人對定時時間電路進行控制，閉合電鍵對計時器進行清零復位，打開電鍵開始倒計時。計數器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。該部分主要由555定時器秒脈沖產生電路、十進制減法計數器74LS192、和1個7段數碼管即相關電路組成。具體電路如圖3所示。一塊74LS192實現減法計數，顯示到數碼管上，其時鐘信號由時鐘產生電路提供。74LS192的預置數控制端實現預置數，當有人搶答時，停止計數；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，之后選手搶答無效。第一片74LS192構成二進制減法計數器，當主持人關閉電鍵時，置數端接地，因為置數端低電平有效，所以第一片74LS192芯片根據輸入端置為數1，第二片74LS192芯片構成十進制計數器且通過借位輸入端與第一片相連接且隨電鍵關閉置為數0。至此完成清零復位功能。當主持人打開電鍵時，第二片通過借位端向第一片芯片借位，第一片74LS192芯片從1變為0，第二片74LS192芯片完成十進制減法功能，從而實現30秒倒計時功能。555定時器產生秒脈沖，通過輸出端上升沿脈沖與第一片74LS192芯片借位端相與之后的結果觸發第二片74LS192芯片。

圖5.4 定時時間電路仿真圖（復位）

圖5.5 定時時間電路仿真圖(開始計時)

由555 芯片構成多諧振蕩電路 ,555 的輸出信號控制時序。控制電路包括時序和報警兩個電路 ,如圖5所示。控制電路需具有以下幾個功能：當有人搶答成功時或者限時搶答時間到時報警電路輸入端為高電平，同時三極管處于放大狀態，此時555芯片產生的秒脈沖通過三極管輸入到喇叭和發光二級管中，從而達到報警效果；其它情況時，三極管非正常工作，同時喇叭輸入端接地，所以報警電路停止工作。

圖5.6 報警系統電路仿真圖

按照總體電路圖在仿真軟件Multisim上一一選擇芯片并進行連接，然后啟動開關觀察。我們對設計出的電路進行Multisim仿真。我們將各部分電路在Multisim上連接好后，為各個電阻和電容選取適當值，為各個開關設置好適當的鍵盤打開數值，然后打開開關，即可根據顯示器上顯示的數字來判斷電路設計是否成功。

圖6.1 智力競賽搶答器電路仿真圖

圖7.1 智力競賽搶答器PCB原理圖

圖7.2 智力競賽搶答器PCB圖

圖8.1 搶答器實物圖

本設計報告詳細介紹了搶答器的設計原理，設計方案以及搶答器的功能。這種搶答器主要是基于74系列集成芯片，成本較低，且基本能夠滿足搶答要求。但是仍有很多不足之處需要改進，我的改進設想和建議如下：  

我設計的作品主要是用74系列集成芯片來完成的，在設計的過程中由于芯片的引腳以及芯片數量過多，布線工作不是很方便。有時候會因為某一跟線沒有連接好，造成電路的不穩定，甚至無法得到正確的結果，這些都是有待改進的。我的想法是根據單片機原理及相關知識對我的設計進行一些改進。

利用AT89C51單片機及外圍接口實現搶答系統，利用單片機的定時器/計數器定時和記數的原理，將軟、硬件有機地結合起來，使得系統能夠正確地進行計時，同時使數碼管能夠正確地顯示時間。利用單片機進行改進即使在設計完畢交給用戶使用后，對系統的功能改進或升級也只是通過改寫程序來完成，極大地方便了用戶或設計者對電路的更新。

經過這半個多月的努力，在老師和同學的幫助下終于徹底的做完了設計的所有工作。通過這次的設計，我能運用已學的知識解決我在設計中遇到的問題，使自己的動手能力和思考問題的能力得到了很大的提高。在做設計的過程中我查閱了很多的資料，并認真的閱讀這些與我的設計相關的資料，從而我的專業涵養得到了提高，知識的儲備量也有所增加。

在這次設計中遇到了很多實際性的問題，在實際設計中才發現，書本上理論性的東西與在實際運用中的還是有一定的出入的，所以有些問題不但要深入地理解，而且要不斷地更正以前的錯誤思維。電路設計是一個很靈活的東西，它反映了你解決問題的邏輯思維和創新能力，這才是一個設計的靈魂所在。因此在整個設計過程中大部分時間是用在單元電路的理解和設計上面。很多單元電路是可以借鑒書本上的，但怎樣銜接各個單元電路才是關鍵的問題所在。

這次設計,讓我受益匪淺。我對數字電路設計中的邏輯關系等有了更深的認識，溫習了以前學的知識，就像人們常說的溫故而知新，但在設計的過程中，遇到了很多的問題，有一些知識都已經不太清楚了，但是通過查找一些資料又重新的溫習了一下數字電路部分的內容。

通過這次設計我也發現自己的很多不足之處。在設計過程中我發現自己考慮問題很不全面，以至于經過多次修改才得到最終的結果，所掌握的電路應用軟件還不夠多，我希望自己的這些不足之處能在今后的學習和實踐中得到改善。而且，通過這次設計，我懂得了學習的重要性，學會了堅持和努力，這將為以后的學習做出最好的榜樣！

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2020-6-5 12:24 上傳

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