智能搶答器課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 書 專 用 紙淮海工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 課程名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)A 題 目： 智能搶答器 系 （院）： 電子工程學(xué)院 學(xué) 期： 專業(yè)班級： 姓 名： 學(xué) 號： 評語：成績：簽名：日期：1 設(shè)計(jì)任務(wù)智力競賽是一種生動(dòng)活潑的教育形式和方法，通過搶答和必答兩種方式能引起參加競賽者和觀眾的極大興趣，并能在極短的時(shí)間內(nèi)，使人們增加一些必要的知識(shí)。進(jìn)行智力競賽時(shí)一般分為若干組，各組回答主持人提出的問題，問題又分為必答及搶答兩種，必答時(shí)有時(shí)間限制，到時(shí)要告警，回答問題正確與否，由主持人判定為是加分還是減分。成績評定結(jié)果用電子裝置顯示。搶答時(shí)，要判定哪組搶得，并有聲音及指示燈顯示。

2、用TTL或CMOS集成電路設(shè)計(jì)智力競賽邏輯控制電路，具體要求如下：(1)搶答組數(shù)為4組，輸入搶答信號的電路應(yīng)具有去抖動(dòng)功能。(2)判斷選組電路應(yīng)能迅速、準(zhǔn)確地判出搶答者，同時(shí)能排除他組的信號，閉鎖其它電路的輸入，并對搶中者給以聲光信號提示。(3)計(jì)數(shù)顯示電路。每組有三位十進(jìn)制計(jì)分顯示電路，能進(jìn)行加、減分操作。(4)定時(shí)及音響。必答時(shí)啟動(dòng)定時(shí)燈亮，以示開始，當(dāng)時(shí)間到時(shí)要發(fā)聲音，并熄滅指示燈。搶答時(shí)，最后搶得的一組燈亮，其余指示燈滅，同時(shí)也可以驅(qū)動(dòng)組別數(shù)字顯示。(5)回答問題的時(shí)間可以調(diào)整，分別為10S、20S、50S或更長。(6)主持人要有復(fù)位按鈕，搶答和必答時(shí)要有手動(dòng)控制。2 設(shè)計(jì)要求(1）畫

3、出總體設(shè)計(jì)框圖，以說明各課題由哪些相對獨(dú)立的功能模塊組成，標(biāo)出各個(gè)模塊之間互相聯(lián)系，時(shí)鐘信號傳輸路徑、方向和頻率變化。并以文字對原理作輔助說明。(2）設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊的電路圖、真值表（或狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖）并加上原理說明。(3）有條件時(shí)選擇合適的元器件，在面包上接線驗(yàn)證、調(diào)試各個(gè)功能模塊的電路，在接線驗(yàn)證時(shí)設(shè)計(jì)、選擇合適的輸入信號和輸出方式，在充分電路正確性同時(shí)，輸入信號和輸出方式要便于電路的測試和故障排除。(4)設(shè)計(jì)整個(gè)電路的電路圖，加上原理說明。有條件時(shí)對整個(gè)電路的元器件和布線進(jìn)行合理布局，并進(jìn)行整體電路的接線調(diào)試。3 總體框圖設(shè)計(jì)倒計(jì)時(shí)計(jì)分電路必答電路倒計(jì)時(shí)自鎖控制第一信號鑒別F2音頻提示搶答電

4、路必?fù)尨痖_關(guān)命令指示燈及F1音頻提示組別顯示指示燈提示主持人復(fù)位命令 圖3.1用單刀雙擲開關(guān)作為搶必答開關(guān)控制必答和搶答電路的運(yùn)行與停止。必答題為輪流答題模式，在必答電路中主持人按下按鈕顯示器顯示的組別開始答題，倒計(jì)時(shí)開始計(jì)時(shí)，同時(shí)有指示燈亮示，倒計(jì)時(shí)歸零后指示燈熄滅停止答題，并有聲音提示，此時(shí)主持人可以根據(jù)回答問題的對錯(cuò)直接對該組進(jìn)行加減分操作，然后主持人第二次按下按鈕第二組回答問題，重復(fù)上述操作直至最后一組即可實(shí)現(xiàn)必答功能。搶答部分主持人有一個(gè)單刀單擲開關(guān)，合上開關(guān)開始搶答，斷開開關(guān)復(fù)位清零，搶答無作用。當(dāng)主持人合上開關(guān)后四組開始搶答，最先搶到的一組有指示燈亮及聲音提示，組別由數(shù)碼管顯示，

5、有人搶到后其余組再搶不起作用，電路在第一個(gè)人搶到時(shí)已經(jīng)自鎖，有人搶到后倒計(jì)時(shí)開始計(jì)時(shí)，在時(shí)間到零時(shí)有聲音提示，并且指示燈滅掉，主持人判斷回答的對錯(cuò)，對該組進(jìn)行加減分操作，完成此操作后主持人斷開開關(guān)復(fù)位清零，準(zhǔn)備下輪搶答。必答電路主要由74LS163四位二進(jìn)制同步加法器組成，74LS163具有同步置數(shù)功能，可將其改為五進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)輪流答題的功能。在必答電路中加入了譯碼器是為后面的指示燈提示電路做準(zhǔn)備。搶答電路由74LS175四D觸發(fā)器的及一些組合邏輯電路使再搶答時(shí)只有在第一個(gè)人搶答時(shí)有脈沖信號，其他情況下沒有脈沖來實(shí)現(xiàn)搶答電路的優(yōu)先選擇，記憶與封鎖電路的功能。倒計(jì)時(shí)電路主要由兩片74LS19

6、0十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器組成，可以實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的倒計(jì)時(shí)，并具有預(yù)置數(shù)的功能，可以設(shè)置倒計(jì)時(shí)間的長短。計(jì)分電路主要由三片74LS192十進(jìn)制雙時(shí)鐘同步可逆計(jì)數(shù)器及一些組合邏輯電路組成，三片計(jì)數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)三位數(shù)的計(jì)分，組合邏輯電路來承擔(dān)與搶必答電路連接的任務(wù)，并具有將加減信號按照顯示器顯示的組別傳遞到對應(yīng)組的計(jì)分器中的功能。數(shù)碼管顯示電路與指示燈提示電路由必答、搶答電路共用，指示燈接在搶必答電路的輸出端并與計(jì)時(shí)電路關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)指示燈提示功能。在數(shù)碼管之前連接一個(gè)編碼器是為了把每個(gè)事物用二進(jìn)制代碼并表示通過數(shù)碼管顯示出來。聲音提示電路中一個(gè)蜂鳴器接在搶答電路中來實(shí)現(xiàn)有人搶答到聲音提示的功能。另一個(gè)蜂鳴器接

7、在計(jì)時(shí)電路中具有在時(shí)間到零時(shí)發(fā)起報(bào)警。4 功能模塊設(shè)計(jì)4.1 必答電路必答電路主要功能是實(shí)現(xiàn)輪流答題。必答電路主要由74LS163芯片組成，74LS163是四位二進(jìn)制同步加法器，首先介紹一下該芯片的邏輯功能，它的引腳圖如4.1.1所示和功能表如4.1.2所示。圖4.1.1 74LS163管腳圖表4.1.2 74LS163功能表輸入輸出CPCRLDPTD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0X0XXXXXXX000010XXdbcadbcaX110XXXXX保持X11X0XXXX保持(C=0)1111XXXX計(jì)數(shù)由此功能表看出當(dāng)清零端CLR為低電平時(shí)清零，具有異步清零功能，當(dāng)置數(shù)端load為低電平且有脈

8、沖信號時(shí)，計(jì)數(shù)器將輸入端的數(shù)置入到計(jì)數(shù)器中，具有同步置數(shù)的功能，當(dāng)置數(shù)端load為高電平時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。根據(jù)置數(shù)端具有同步置數(shù)的功能，把該計(jì)數(shù)器改為五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即輪流顯示04，在顯示4的時(shí)候再給一個(gè)脈沖要使計(jì)數(shù)器置零，利用該計(jì)數(shù)器同步置數(shù)功能，4的二進(jìn)制代碼為0100，在Q2輸出端接一個(gè)反相器連接到置數(shù)端load上就可以實(shí)現(xiàn)五進(jìn)制計(jì)數(shù)。在開始答題時(shí)數(shù)碼管初始顯示為零，當(dāng)主持人按下按鍵時(shí)，給一個(gè)脈沖信號，計(jì)數(shù)器加1，數(shù)碼管顯示為1，一號開始答題，當(dāng)輪到4號回答問題時(shí)，Q3Q2Q1Q0輸出為0100，但該計(jì)數(shù)器為同步置數(shù)，只有在下一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)才會(huì)置零，所以在4號回答完問題后，再給一個(gè)脈沖才會(huì)

9、置零，數(shù)碼管變?yōu)榱恪ｋ娐穲D如下。圖4.1.3 必答電路4.2 搶答電路該電路完成兩個(gè)功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存電平信號; 二是使其他選手的搶答信號處于無效狀態(tài)。該電路主要由四D鎖存器74LS175組成。首先介紹主要芯片的邏輯功能。74LS175是常用的四D鎖存器，它的引腳圖如圖圖4.2.1所示和功能表如圖圖4.2.2所示。圖4.2.2 74LS175功能表輸入輸出清零時(shí)鐘數(shù)據(jù)CLRCLKDQQ0XX011110100110XQ0Q0圖4.2.1 74LS175管腳圖由此功能表看出，當(dāng)清零端為低電平時(shí)清零，在高電平時(shí)正常工作，可利用這一特性實(shí)現(xiàn)復(fù)位清零功能。要在有選手搶答后電路被封鎖

10、使其他選手的搶答信號處于無效狀態(tài)，需要在將每個(gè)D觸發(fā)器輸出端Q用四輸入與門連接起來，輸出再與脈沖信號相與然后接到脈沖輸入端CLK。在主持人沒有閉合復(fù)位開關(guān)時(shí)，搶答按鈕不起作用，在主持人閉合開關(guān)后，搶答開始，輸出端初始狀態(tài)為Q=0，Q=1，四輸入與非門輸出也為高電平，搶答時(shí)脈沖信號不被封鎖，當(dāng)有人搶答時(shí)，D觸發(fā)器有一個(gè)輸出端Q=0，所以四輸入與非門輸出變?yōu)榈碗娖?，脈沖信號被封鎖，使其他人的搶答信號無效。脈沖信號由搶答時(shí)產(chǎn)生。當(dāng)回答完問題后，主持人打開開關(guān)復(fù)位，為下一輪搶答做準(zhǔn)備。電路圖如下，其中顯示電路后面詳細(xì)描述。圖4.2.3 搶答電路4.3 計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)電路的功能主要是具有倒計(jì)時(shí)功能，限制回

11、答問題的時(shí)間，并且該計(jì)時(shí)電路還具有時(shí)間可調(diào)功能。該電路主要由兩片74LS190十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器組成，其管腳圖如圖圖4.3.1所示和功能表如圖表4.3.2所示。 圖4.3.1 74LS190管腳圖表4.3.2 74LS190功能表CLKCTENLDU/D保持狀態(tài)X11X保持XX0X預(yù)置數(shù)010加法計(jì)數(shù)011減法指數(shù)有功能表可以看出，當(dāng)U/D端為高電平時(shí)具有減法計(jì)數(shù)功能，并且該計(jì)數(shù)器具有異步置數(shù)功能，可以用來設(shè)定初始時(shí)間。兩片74LS190芯片可以實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的計(jì)數(shù)功能，只需要將低位的進(jìn)位輸出端RCO連接到高位的脈沖輸入端，低位脈沖輸入端接脈沖信號。兩片芯片輸入端接撥碼盤，撥碼盤另一端接高電平，

12、來實(shí)現(xiàn)時(shí)間可調(diào)功能。置數(shù)端與必答電路和搶答電路連接，實(shí)現(xiàn)回答問題時(shí)計(jì)數(shù)的功能。為了使計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)到零時(shí)停止計(jì)數(shù)，將各個(gè)輸出端用或門連接再與非門和脈沖信號連接，輸出端連接到低位74LS190芯片CLK上。當(dāng)必答電路中主持人按下按鍵后倒計(jì)或搶答電路中有人搶答到時(shí)倒計(jì)時(shí)開始，計(jì)時(shí)到零自動(dòng)停止。電路圖如4.3.3所示。 圖4.3.3 計(jì)時(shí)電路4.4 計(jì)分電路計(jì)分電路主要功能是在各組回答完問題后，主持人判斷對錯(cuò)，將加減分加減到相應(yīng)計(jì)分器上。該電路主要由三片74LS192芯片組成，74LS192是十進(jìn)制雙時(shí)鐘同步可逆計(jì)數(shù)器，下圖為其管腳圖如圖4.1.1所示和功能表如表4.1.2所示。圖4.4.1 74LS

13、192管腳圖表4.4.2 74LS192功能表輸入輸出CRLDCPUCPDD3D2D2D1Q3Q2Q1Q01XXXXXXX000000XXabcDabcD011XXXX加計(jì)數(shù)011XXXX減計(jì)數(shù)有功能表看出74LS192芯片具有清零端，具有異步清零功能，當(dāng)置數(shù)端為低電平時(shí)置數(shù)，高電平時(shí)計(jì)數(shù)。該芯片為雙時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，在UP端為高電平，DOWN端為脈沖上升沿時(shí)加法計(jì)數(shù)，反之減法計(jì)數(shù)。由于該芯片兩個(gè)時(shí)鐘端只有其中一個(gè)為高電平，一個(gè)為上升沿才能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，將兩個(gè)時(shí)鐘端都接高電平，按下按鍵彈回時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿，另一個(gè)時(shí)鐘端為高電平，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。將三片74LS192芯片相對低位的進(jìn)位借位輸出端連接到對應(yīng)高

14、位的時(shí)鐘輸入端，再將最低位的時(shí)鐘與按鍵連接，由按鍵提供上升沿和高電平實(shí)現(xiàn)加減計(jì)數(shù)，再根據(jù)此原理做出其他三組。要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)按鍵開關(guān)就可以完成對四組得分的加減就得與前面的搶必答電路相連接。當(dāng)有人回答問題時(shí)搶必答電路四個(gè)輸出端中只有一個(gè)是高電平，可以根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，從每個(gè)搶必答電路輸出端接出四條線路再分別和按鍵輸出端用與門連接，與門輸出接到相應(yīng)的加減時(shí)鐘端，這樣就可以把加減信號送到相應(yīng)組別的計(jì)分器上。雖然實(shí)現(xiàn)將加減信號送到相應(yīng)的計(jì)分器上，但由于前面講到的計(jì)數(shù)器方式的特殊性，在沒有按下按鍵時(shí)各個(gè)與門有一個(gè)輸入端是高電平，在搶答或輪流答題時(shí)，其四個(gè)輸出中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電平，這個(gè)高電平會(huì)使對應(yīng)的與門導(dǎo)通，使其計(jì)

15、數(shù)。例如在沒有加減分時(shí)，一號搶答，這個(gè)高電平就會(huì)使接在一號時(shí)鐘端的與非門導(dǎo)通，產(chǎn)生計(jì)分。為了解決這個(gè)問題，將搶必答的四個(gè)輸出端經(jīng)過如電路圖所示的電路再連接到對應(yīng)的組的輸出端上。這部分電路功能是只有當(dāng)加減其中一個(gè)按鍵按下時(shí)，搶必答四個(gè)輸出端中的高電平信號才會(huì)到達(dá)計(jì)數(shù)器。將各個(gè)組的清零端通過上述電路接出來可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)組別的計(jì)數(shù)器清零功能。將四組置數(shù)端連接在一起接開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)四組計(jì)數(shù)器的一鍵清零。電路圖如圖4.4.3所示。圖4.4.3 計(jì)分電路4.5 提示電路4.5.1 組別顯示與指示燈提示電路指示燈提示與組別顯示電路是必答電路與搶答電路共用的，其功能主要是用數(shù)碼管顯示回答問題的組別，在某組搶答到

16、時(shí)燈亮提示，或在必達(dá)時(shí)提示燈亮的組回答問題，在倒計(jì)時(shí)為零時(shí)指示燈熄滅，禁止再回答問題。指示燈電路組要由74HC38編碼器，74HC148譯碼器組成，首先介紹兩個(gè)芯片的邏輯功能，74HC138管腳圖如圖4.5.1.1所示，功能表如表4.5.1.2所示，74HC148管腳圖如圖4.5.1.3.所示，功能表如表4.5.1.4所示。圖4.5.1.1 74HC138管腳圖圖4.5.1.3 74HC148管腳圖表4.5.1.2 74HC138功能表輸入輸出G1G2A+G2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7X1XXX111111110XXXX111111111000001111111100011011

17、1111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110表4.5.1.4 74LS148功能表輸入輸出EIY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A2A1A0GSEO1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X01111111100100111111111101由功能表看出74LS138譯碼器能夠把二進(jìn)制代碼譯成每

18、個(gè)事物的的兩種狀態(tài)，可將譯碼器ABC端接在必答電路中計(jì)數(shù)器的QAQBQC上，再將譯碼器輸出端Y1Y2Y3Y4分別接到1、2、3、4號指示燈上，搶答電路則直接接到相應(yīng)的指示燈上即可，就可以實(shí)現(xiàn)回答問題時(shí)燈亮提示的功能。為使燈在計(jì)數(shù)為零時(shí)熄滅掉，需要將接入指示燈的一端分別與計(jì)時(shí)電路中八個(gè)輸出端相或后的輸出端用與門連接再接到指示燈上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)為零時(shí)指示燈熄滅的效果。從必答電路譯碼器出來的四個(gè)輸出端與搶答電路的四個(gè)輸出端都每端接入一個(gè)二極管再接到一起，使搶答電路與必答電路不互相干擾。數(shù)碼管顯示是將1、2、3、4的四個(gè)輸出端再接入優(yōu)先編碼器的D6D5D4D3上，把每個(gè)事物的兩種狀態(tài)編位二進(jìn)制代

19、碼輸出，再連接到數(shù)碼管上顯示出來。為了使數(shù)碼管的初始顯示為零，再將1、2、3、4號輸出端經(jīng)過四輸入或門連接到D7端。電路圖如圖4.5.1.5所示。圖4.5.1.5 顯示電路電路圖4.5.2 聲音提示電路主要功能是在有人搶答到時(shí)給出提示，在倒計(jì)時(shí)為零時(shí)給出警告。該電路主要用到兩個(gè)蜂鳴器。將其中一個(gè)蜂鳴器連接到四D觸發(fā)器的脈沖輸入CLK端就可以實(shí)現(xiàn)該提示。將另一個(gè)蜂鳴器接到計(jì)時(shí)電路中計(jì)數(shù)器八個(gè)輸出或非后的輸出端就可以使實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)到零報(bào)警的功能。4.6 秒脈沖電路 本電路利用555定時(shí)器組成的秒信號發(fā)生器，555定時(shí)器可構(gòu)成方波振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器。該電路的輸出脈沖周期為T=(R+2R)

20、*C*2。圖4.6.1和表4.6.2為555定時(shí)器管腳圖和功能表。電路圖如圖4.6.3所示，秒脈沖波形圖如圖4.6.4所示。圖4.6.1 555定時(shí)器管腳圖表4.6.2 555定時(shí)器功能表輸入輸出功能清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端OUT(Q*)放電管VT1××0導(dǎo)通直接清零1>VCC>VCC0導(dǎo)通置01<VCC<VCC1截止置11<VCC>VCC不變Q不變保持選用C=10uf；計(jì)算兩個(gè)電阻值為R1=47K；R2=47K。圖4.6.3秒脈沖電路圖4.6.4 秒脈沖波形圖4.7 電源電路（1）利用變壓器將220V的電壓轉(zhuǎn)換成5V左右的交流電壓（2）利用橋式整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電（3）用4V穩(wěn)壓管將放大器兩個(gè)輸入端的電壓基本穩(wěn)定在4V（4）由放大器的兩個(gè)輸入端的虛短和虛斷特性，可知R5上面的電壓等于穩(wěn)壓管上面的電壓且R4與R5上面的電流相等。所以穩(wěn)定輸出電壓U=4*（1+R6/R5）=5V。圖4.7.1 電源電路圖5 總電路圖設(shè)計(jì)6 元器件清單 7 總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)收獲頗大，首先我學(xué)會(huì)了multisim的使用，可以用multisim進(jìn)行一些電路仿真。在搶答器設(shè)計(jì)之前覺得會(huì)很難，尤其是在剛開始的時(shí)候，根本不知道從何入手，后來查找一些資料后才有了些思路，開始對對電路進(jìn)行一部分一部分設(shè)計(jì)，在將每個(gè)