智能競賽搶答器分析知識講解

1、課程設(shè)計(jì)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(shí)際的能力， 設(shè)計(jì)電路的能力，實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)的用于多人競賽搶答

2、的器件，在現(xiàn)實(shí)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(jì)就是用 D 觸發(fā)器實(shí)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(jì)還考慮了定時搶答功能和

3、聲光提示報警功能， 使搶答器更接 近實(shí)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(jì)，以及在 設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)思路 -5 -5 設(shè)計(jì)原理及過程 -5 -

4、5.1 總體方案設(shè)計(jì) -5 -5.2 單元模塊設(shè)計(jì) -6 -5.2.1 搶答器控制端設(shè)計(jì) - 6 -5.2.2 時鐘發(fā)生信號 - 7 -5.2.3 倒計(jì)時設(shè)計(jì) - 8 -5.2.4 控制電路和報警電路設(shè)計(jì) - 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(shí)物 -12 -9 設(shè)計(jì)總結(jié) -13 -10 致謝 -14 - 15 -11 參考文獻(xiàn)引言本設(shè)計(jì)是根據(jù)實(shí)習(xí)要求進(jìn)行智力競賽搶答器的設(shè)計(jì)， 首先根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)，并用 Multisim 軟件進(jìn) 行電路仿真，確定沒有問題后再用 Altium Desig n

5、er Win ter 軟件進(jìn)行PCB電路板 的繪制，根據(jù)電路圖對設(shè)計(jì)進(jìn)行制作，焊接元件，最后進(jìn)行調(diào)試測試。此設(shè)計(jì)報告 包括了電路的設(shè)計(jì)和制作，并提出了一些設(shè)計(jì)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(duì)分別用一個按鈕 (分別為S1、S2、S3、S4)來實(shí)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

6、答電路清零。輸入搶答信號由搶答按鈕開關(guān) S1、 S2、S3、S4 實(shí)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(jì)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

7、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(jì)時都有相應(yīng)的聲光提示。2 設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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。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a bVce4Q建3D3Q調(diào)CP|1&1513

8、13(T?HTo71)74LS1751234.|_5AlLl11JCRIQIQIL23)典直GWDgd 74LS175CONNECTION DIAGRAM DIP (TOP VIEW)VqC f g 4 b c d 4顧而冋冋冋同nn rnI74LS41仃丨2丨4丨丨和| G丨| 丁丨丨叮& C LT &IJR&O REI D A WSe 74LS47圖3.1元器件芯片圖3.2計(jì)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(jì)數(shù)器。（1）異步清零：CR=1 Q3Q2Q1Q0=0000（2） 異步置數(shù)：CR=0 LD=0, Q3Q

9、2Q1Q0=D3D2D1D0（3）保持： CR=0 , LD=1, CPU=CPD=1,Q3Q2Q保持原態(tài)（4）加計(jì)數(shù)：CR=0, LD=1, CPU=CPCPD=1 Q3Q2Q1C按 加法規(guī)律計(jì)數(shù)（5）減計(jì)數(shù)：CR=0, LD=1 , CPU=1 CPD= CP Q3Q2Q1Q按 減法規(guī)律計(jì)數(shù) 注：CPU為加計(jì)數(shù)時鐘輸入端,CPD為減計(jì)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1XXX復(fù)位01XX置數(shù)001

10、1保持00T1加法計(jì)數(shù)001T減法計(jì)數(shù)3.3 NE555 介紹NE555是屬于555系列的計(jì)時IC的其中的一種型號，其主要特點(diǎn)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(jì)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

11、沿有效）（2）CLR清除端（低電平有效）（3）1D- 4D:數(shù)據(jù)輸入端（4）1QH4Q:數(shù)據(jù)輸出端（5）1Q人4Q人：數(shù)據(jù)互補(bǔ)輸出端表3.2 74LS175真值表輸入輸出DQQ110O01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 &（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)B

12、I=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=A0二時，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(shí)現(xiàn)多 位數(shù)碼顯示的滅零控制。表3.3 74LS47真值表Truth TableEMcimalorFuneliDnInduesOutputsLTREIA2A1ADUl.KbU2bd電7g0HH:LLLLHLLLL

13、L.H1HXLLLHHHLLrtHH2HXLLHLHlLHLLL3XLLHHLLLLM*L4HXLHLLHHLL閘H ILLjEHXLHLHHLHLLMLLAHXLHHLHHHLLLL7H耳L.HHHHLLLHH8HXHLLLHLL1LILLL9HXHLLHHLLLHHLLiaHX押LHLHH啊HLLLtlHXHLHmHHHLLMHL13HXHHLLHKLHHHkL13XHH二HHLHHLHLLuHXHHHLHHHHLLIL15XHuHhHHuHXXXXXXLHHHMnHRB'HLLLLLLHMHMHtlH訐LXXXXXHLLLLLLL4設(shè)計(jì)思路接通電源后，主持人將開關(guān)撥到清除狀態(tài)，搶

14、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(jì)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(yáng)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(jì)原理及過程5.1總體方案設(shè)計(jì)(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(duì)號，同時揚(yáng)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

15、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(jì) 搶答器控制端設(shè)計(jì)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

16、到七段顯示電路處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q1Q=010經(jīng)譯碼顯示為“ 4”。此外，CLQ0,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搶答器清零522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 （

17、O.OluF ）。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+TI= （ R1+2R2 X C1X ln2 （1）f=1/T=1/（R1+2R2 X C1X ln2 （2）rLLR18523倒計(jì)時設(shè)計(jì)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(jì)時器進(jìn)行清零復(fù)位，打開電鍵開始倒計(jì)時。計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)減法計(jì)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。74L

18、S192的預(yù)置數(shù)控制端實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)，當(dāng)有人搶答時， 停止計(jì)數(shù)；如果沒有人搶答，且倒計(jì)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(jì)數(shù)器，當(dāng)主持人關(guān)閉電鍵時， 置數(shù)端接地，因?yàn)橹脭?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(jì)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(shí)現(xiàn)30秒倒計(jì)時功能。555定時器產(chǎn)生秒脈沖，通過輸出

19、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。1iA1ID仙UKLIB 丁禮L.urte :-<ZE T49WQ- uian卑卅.> i*MlE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(jì)時）控制電路和報警電路設(shè)計(jì)由555芯片構(gòu)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(dāng)有人搶答成功時LMMQOLH0 14L WTO|血:ore:!: 1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

20、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。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(jì)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(jì)是否成功。圖6.1智力競賽搶答器電路仿真圖7 PCB圖制作Til1b*° Zy*WB_*3 i圖7.1智力競賽搶答器PCB原理圖*mm§

21、;asC3r»oooCl圖7.2智力競賽搶答器PCB圖8搶答器實(shí)物圖8.1搶答器實(shí)物圖9 設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)報告詳細(xì)介紹了搶答器的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)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(jì)的作品主要是用 74 系列集成芯片來完成的，在設(shè)計(jì)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?yàn)槟骋桓€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(jì)進(jìn)行一些改進(jìn)。利用AT89C51單片

22、機(jī)及外圍接口實(shí)現(xiàn)搶答系統(tǒng)，禾U用單片機(jī)的定時器 /計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)的 所有工作。通過這次的課程設(shè)計(jì)， 我能運(yùn)用已學(xué)的知識解決我在設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)相關(guān)的資料，從而我的專業(yè)涵養(yǎng)得到

23、了提高，知識的儲備量也有所增加。在這次設(shè)計(jì)中遇到了很多實(shí)際性的問題，在實(shí)際設(shè)計(jì)中才發(fā)現(xiàn)，書本上理論性 的東西與在實(shí)際運(yùn)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(jì)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(jì)的靈魂所在。因此在整個設(shè)計(jì)過程 中大部分時間是用在單元電路的理解和設(shè)計(jì)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(jì),讓我受益匪淺。 我對數(shù)字電路設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)我也發(fā)現(xiàn)自己的很多不足之處。