智能競賽搶答器分析

編號： 課程設(shè)計說明書題 目： 智力競賽搶答器 院 （系）： 信息與通信學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 莫建文 2014 年 12 月 20 日摘 要隨著電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，人類社會逐漸步入了信息化時代，人們的生活水平不斷提高，對精神文明生活的要求也跟著提高，這對電子領(lǐng)域提出了跟更高的要求。電子學(xué)是一門應(yīng)用很廣泛的科學(xué)技術(shù)，其發(fā)展非常迅速。要想學(xué)好這門技術(shù)，首先是基礎(chǔ)理論的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，然后要進(jìn)行技術(shù)訓(xùn)練，進(jìn)而培養(yǎng)我們對理論聯(lián)系實際的能力，設(shè)計電路的能力，實際操作的能力，以及培養(yǎng)正確處理數(shù)據(jù)、分析和綜合實驗結(jié)果、檢查和排除故障的能力。同時也可以加深我們對電子產(chǎn)品的理解。關(guān)于這次設(shè)計的用于多人競賽搶答的器件，在現(xiàn)實生活中很常見，尤其是隨著各種益智電視節(jié)目的不斷發(fā)展，越來越多的競賽搶答器被用在了其中，這種搶答器的好處是不僅能夠鍛煉參賽選手的反應(yīng)能力，而且能增加節(jié)目現(xiàn)場的緊張、活躍氣氛，讓觀眾看得更有情趣。在知識競賽中，特別是做搶答題時，在搶答過程中，為了知道哪一組或哪一位選手先做出搶答，必須要有一個系統(tǒng)來完成這個任務(wù)。如果在搶答中，只靠人的視覺是很難判斷出哪組先答題。這次設(shè)計就是用D觸發(fā)器實現(xiàn)搶答，并通過簡單的門電路和譯碼器把選手編號送到數(shù)碼管顯示器中進(jìn)行顯示，使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時間相差幾微秒，也可分辨出哪組優(yōu)先答題。本次搶答器的設(shè)計還考慮了定時搶答功能和聲光提示報警功能，使搶答器更接近實際情況，更加智能化。本文主要介紹了搶答器的工作原理及設(shè)計，以及在設(shè)計過程中出現(xiàn)的一些問題和解決方法。關(guān)鍵字：信息化；搶答；觸發(fā)；譯碼；報警；智能目 錄引言- 1 -1 功能介紹- 1 -1.1 主要功能介紹- 1 -1.2 擴(kuò)展功能介紹- 1 -2 設(shè)計說明- 1 -3 主要元器件及其芯片介紹- 2 -3.1 主要元器件芯片圖- 2 -3.2 計數(shù)器74LS192介紹- 3 -3.3 NE555介紹- 4 -3.4 鎖存器74LS175介紹- 4 -3.5 譯碼器74LS47介紹- 4 -4 設(shè)計思路- 5 -5 設(shè)計原理及過程- 5 -5.1 總體方案設(shè)計- 6 -5.2 單元模塊設(shè)計- 6 -5.2.1搶答器控制端設(shè)計- 6 -5.2.2時鐘發(fā)生信號- 7 -5.2.3倒計時設(shè)計- 8 -5.2.4控制電路和報警電路設(shè)計- 9 -6 智力競賽搶答器仿真結(jié)果- 10 -7 PCB圖制作- 11 -8 搶答器實物- 12 -9 設(shè)計總結(jié)- 13 -10 致謝- 14 -11 參考文獻(xiàn)- 15 - 15 -引言本設(shè)計是根據(jù)實習(xí)要求進(jìn)行智力競賽搶答器的設(shè)計，首先根據(jù)設(shè)計要求畫出了搶答器的系統(tǒng)框圖，然后分模塊對搶答器進(jìn)行原理圖設(shè)計，并用Multisim軟件進(jìn)行電路仿真，確定沒有問題后再用Altium Designer Winter軟件進(jìn)行PCB電路板的繪制，根據(jù)電路圖對設(shè)計進(jìn)行制作，焊接元件，最后進(jìn)行調(diào)試測試。此設(shè)計報告包括了電路的設(shè)計和制作，并提出了一些設(shè)計的改進(jìn)想法，總結(jié)了自己的不足。1 功能介紹1.1 主要功能介紹（1） 搶答器最多可供4名選手參賽，編號為14號，各隊分別用一個按鈕（分別為S1、S2、S3、S4）來實現(xiàn)搶答，并設(shè)置一個系統(tǒng)清零和搶答控制開關(guān)S5,限時搶答開關(guān)S6，由主持人控制。 （2）搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存功能,并將鎖存數(shù)據(jù)用LED數(shù)碼管顯示出來，直到主持人清零。 （3）開關(guān)S5作為清零及搶答控制開關(guān)（由主持人控制），當(dāng)開關(guān)S5被按下時允許搶答,當(dāng)開關(guān)S5松開后則搶答電路清零。輸入搶答信號由搶答按鈕開關(guān)S1、S2、S3、S4實現(xiàn)。 （4）有搶答信號輸入（開關(guān)S1、S2、S3、S4中的任意一個開關(guān)被按下）時，并顯示出相對應(yīng)的組別號碼。此時再按其他任何一個搶答器開關(guān)均無效，數(shù)碼管顯示器依舊“保持” 第一個開關(guān)按下時所對應(yīng)的狀態(tài)不變。1.2 擴(kuò)展功能介紹（1）搶答器具有定時搶答的功能，且一次搶答的時間為30秒。當(dāng)節(jié)目主持人啟動“開始搶答”鍵S6后，要求定時器立即減計時，并用顯示器顯示。 （2）參加選手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。 （3）如果定時搶答的時間已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效，封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器上顯示0。（4）每次有選手搶答或主持人操作按鍵以及倒計時都有相應(yīng)的聲光提示。2 設(shè)計說明如下圖所示，為搶答器的邏輯框圖。它主要由輸入電路、鎖存判斷電路、聲光顯示電路、計時電路和數(shù)碼顯示電路等組成。搶答時，當(dāng)搶先者按下面前的按鈕時，輸人電路立即輸出一搶答信號，經(jīng)判別電路后，輸出響應(yīng)信號去驅(qū)動聲光顯示電路。聲響電路和計時電路以及時鐘的輸入信號是由555多諧振蕩電路產(chǎn)生的脈沖信號來提供。搶答按鈕鎖存器譯碼顯示主持人控制開關(guān)控制電路報警電路秒脈沖產(chǎn)生電路定時電路顯示電路譯碼電路圖2.1 數(shù)字搶答器系統(tǒng)框圖3 主要元器件及其芯片介紹3.1 主要元器件芯片圖圖3.1 元器件芯片圖3.2 計數(shù)器74LS192介紹74LS192具有下述功能：74LS192是雙時鐘方式的十進(jìn)制可逆計數(shù)器。 （1）異步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000 （2）異步置數(shù)：CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0（3）保持： CR=0，LD=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原態(tài) （4）加計數(shù)：CR=0, LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法規(guī)律計數(shù) （5）減計數(shù)：CR=0, LD=1，CPU=1，CPD= CP，Q3Q2Q1Q0按減法規(guī)律計數(shù)注：CPU為加計數(shù)時鐘輸入端，CPD為減計數(shù)時鐘輸入端。LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。 CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。 CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出 BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。表3.1 74LS192真值表CR清零LD置數(shù)CPUCPD功能1000010001111復(fù)位置數(shù)保持加法計數(shù)減法計數(shù)3.3 NE555介紹NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，其主要特點如下：（1）只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。 （2）它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出電平及輸入觸發(fā)電平，均能與這些系列邏輯電路的高、低電平匹配。（3）其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負(fù)載。 （4）它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。 3.4 鎖存器74LS175介紹74LS192具有下述功能：74LS175為四D觸發(fā)器。（1）CLP：時鐘輸入端（上升沿有效） （2）CLR：清除端（低電平有效）（3）1D4D：數(shù)據(jù)輸入端（4）1Q4Q：數(shù)據(jù)輸出端 （5）1Q4Q：數(shù)據(jù)互補(bǔ)輸出端表3.2 74LS175真值表輸入輸出DQ 1O1 00 1注：CLR為控制端，低電平有效，當(dāng)為有效電平時鎖存器停止工作3.5 譯碼器74LS47介紹74LS47具有下述功能：74LS47為七段數(shù)碼管驅(qū)動器(1)LT：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設(shè)置的。當(dāng)LT=0時，無論輸入A3，A2，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，也就是七段將全亮,若驅(qū)動的數(shù)碼管正常，是顯示8。(2)BI：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設(shè)置的。當(dāng)BI=0時，不論LT和輸入A3，A2，A1，A0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極數(shù)碼管熄滅。(3)RBI：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設(shè)定的。當(dāng)對每一位A3=A2=A1=A0=0時，本應(yīng)顯示0，但是在RBI=0作用下，使譯碼器輸出全為高電平。其結(jié)果和加入滅燈信號的結(jié)果一樣，將0熄滅。(4)RBO：滅零輸出，它和滅燈輸入BI共用一端，兩者配合使用，可以實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。表3.3 74LS47真值表4 設(shè)計思路接通電源后，主持人將開關(guān)撥到清除狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，主持人將開關(guān)置于開始狀態(tài)，宣布開始搶答器工作，選手可按相應(yīng)按鍵進(jìn)行搶答。定時器倒計時，選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器和發(fā)光二極管提示。當(dāng)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(tài)開關(guān)。5 設(shè)計原理及過程5.1 總體方案設(shè)計（1）主持人有開始鍵和復(fù)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(shù)碼管顯示，正常搶答后顯示搶到的隊號，同時揚聲器和發(fā)光二極管開始報警。 （3）如果30秒內(nèi)沒有搶答，則說明該題超時作廢。（4）復(fù)位鍵用于恢復(fù)超時狀態(tài)，時間清零，搶答顯示器也同時復(fù)位。5.2 單元模塊設(shè)計 5.2.1搶答器控制端設(shè)計電路選用鎖存器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(yōu)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(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)自下而上，分別是S1,S2,S3 S4,S5，S5是控制清零端，當(dāng)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(tài)；當(dāng)S5閉合時，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（如按下S4），輸出經(jīng)74LS175鎖存器接到七段顯示電路處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q1Q=0100,經(jīng)譯碼顯示為“4”。此外，CLK0，使74LS175鎖存器處于禁止?fàn)顟B(tài)，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(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將S5開關(guān)重新置“清零”然后才可能進(jìn)行。 圖5.1 搶答器電路仿真圖圖5.2 搶答器清零5.2.2時鐘發(fā)生信號時鐘發(fā)生信號由555構(gòu)成的多謝振蕩電路來產(chǎn)生，電阻R1、R2和電容C1構(gòu)成定時電路。定時電容C1上的電壓UC作為高觸發(fā)端TH（6腳）和低觸發(fā)端TL（2腳）的外觸發(fā)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(fù)位端R（4腳）接高電平，使NE555處于非復(fù)位狀態(tài)。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）C1ln2 (1)f=1/T=1/（R1+2R2）C1ln2 (2)圖5.3 時鐘信號發(fā)生電路5.2.3倒計時設(shè)計由節(jié)目主持人對定時時間電路進(jìn)行控制，閉合電鍵對計時器進(jìn)行清零復(fù)位，打開電鍵開始倒計時。計數(shù)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(chǎn)生電路、十進(jìn)制減法計數(shù)器74LS192、和1個7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。具體電路如圖3所示。一塊74LS192實現(xiàn)減法計數(shù)，顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。74LS192的預(yù)置數(shù)控制端實現(xiàn)預(yù)置數(shù)，當(dāng)有人搶答時，停止計數(shù)；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(gòu)成二進(jìn)制減法計數(shù)器，當(dāng)主持人關(guān)閉電鍵時，置數(shù)端接地，因為置數(shù)端低電平有效，所以第一片74LS192芯片根據(jù)輸入端置為數(shù)1，第二片74LS192芯片構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器且通過借位輸入端與第一片相連接且隨電鍵關(guān)閉置為數(shù)0。至此完成清零復(fù)位功能。當(dāng)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?yōu)?，第二片74LS192芯片完成十進(jìn)制減法功能，從而實現(xiàn)30秒倒計時功能。555定時器產(chǎn)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(jié)果觸發(fā)第二片74LS192芯片。圖5.4 定時時間電路仿真圖（復(fù)位）圖5.5 定時時間電路仿真圖(開始計時)5.2.4控制電路和報警電路設(shè)計 由555 芯片構(gòu)成多諧振蕩電路 ,555 的輸出信號控制時序?？刂齐娐钒〞r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(dāng)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(tài)，此時555芯片產(chǎn)生的秒脈沖通過三極管輸入到喇叭和發(fā)光二級管中，從而達(dá)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(tǒng)電路仿真圖6 智力競賽搶答器仿真結(jié)果按照總體電路圖在仿真軟件Multisim上一一選擇芯片并進(jìn)行連接，然后啟動開關(guān)觀察。我們對設(shè)計出的電路進(jìn)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(dāng)值，為各個開關(guān)設(shè)置好適當(dāng)?shù)逆I盤打開數(shù)值，然后打開開關(guān)，即可根據(jù)顯示器上顯示的數(shù)字來判斷電路設(shè)計是否成功。圖6.1 智力競賽搶答器電路仿真圖7 PCB圖制作圖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8 搶答器實物圖8.1 搶答器實物圖9 設(shè)計總結(jié)本設(shè)計報告詳細(xì)介紹了搶答器的設(shè)計原理，設(shè)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(jìn)，我的改進(jìn)設(shè)想和建議如下：我設(shè)計的作品主要是用74系列集成芯片來完成的，在設(shè)計的過程中由于芯片的引腳以及芯片數(shù)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(wěn)定，甚至無法得到正確的結(jié)果，這些都是有待改進(jìn)的。我的想法是根據(jù)單片機(jī)原理及相關(guān)知識對我的設(shè)計進(jìn)行一些改進(jìn)。利用AT89C51單片機(jī)及外圍接口實現(xiàn)搶答系統(tǒng)，利用單片機(jī)的定時器/計數(shù)器定時和記數(shù)的原理，將軟、硬件有機(jī)地結(jié)合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進(jìn)行計時，同時使數(shù)碼管能夠正確地顯示時間。利用單片機(jī)進(jìn)行改進(jìn)即使在設(shè)計完畢交給用戶使用后，對系統(tǒng)的功能改進(jìn)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(shè)計者對電路的更新。經(jīng)過這半個多月的努力，在老師和同學(xué)的幫助下終于徹底的做完了課程設(shè)計的所有工作。通過這次的課程設(shè)計，我能運用已學(xué)的知識解決我在設(shè)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(shè)計的過程中我查閱了很多的資料，并認(rèn)真的閱讀這些與我的設(shè)計相關(guān)的資料，從而我的專業(yè)涵養(yǎng)得到了提高，知識的儲備量也有所增加。在這次設(shè)計中遇到了很多實際性的問題，在實際設(shè)計中才發(fā)現(xiàn)，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(shè)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(chuàng)新能力，這才是一個設(shè)計的靈魂所在。因此在整個設(shè)計過程中大部分時間是用在單元電路的理解和設(shè)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(guān)鍵的問題所在。這次設(shè)計,讓我受益匪淺。我對數(shù)字電路設(shè)計中的邏輯關(guān)系等有了更深的認(rèn)識，溫習(xí)了以前學(xué)的知識，就像人們常說的溫故而知新，但在設(shè)計的過程中，遇到了很多的問題，有一些知識都已經(jīng)不太清楚了，但是通過查找一些資料又重新的溫習(xí)了一下數(shù)字電路部分的內(nèi)容。通過這次設(shè)計我也發(fā)現(xiàn)自己的很多不足之處。在設(shè)計過程中我發(fā)現(xiàn)自己考慮問題很不全面，以至于經(jīng)過多次修改才得到最終的結(jié)果，所掌