智力競賽搶答器設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 項目任務書題目： 智力競賽搶答裝置的設計與調試 系 部 電子信息工程學院 學科門類 工 學 專 業(yè) 光電信息工程 2014年12月15日專心-專注-專業(yè)智力競賽搶答裝置的設計與調試 摘要 隨著科學技術的不斷發(fā)展，促使人們學科學、學技術、學知識的手段多種多樣。搶答器作為一種工具，已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率較低，且有的要么制作復雜，要么可靠性低，減少興致。做為一個單位若專購一臺搶答器雖然在經濟上可以承受，但每年使用的次數極少，往往因長期存放使（電子器件的）搶答器損壞,再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展,因此設計了本搶答器。數字搶答器由主體

2、電路與擴展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈沖產生的信號在顯示器上輸出實現(xiàn)計時功能，構成擴展電路。關鍵詞：搶答電路 定時電路 報警電路 時序控制 目 錄一引言.11.1 課題來源及意義.21.2 研究現(xiàn)狀及趨勢.3二系統(tǒng)設計.42.1 概述.5（闡述搶答器的系統(tǒng)原理，包括綜述，組成框圖及各部分介紹）2.2 方案比較.6（總結各個方案的優(yōu)缺點，比較幾種方案）2.3 方案確定.7（通過上節(jié)內容中的幾種方案的比較，得出最優(yōu)方案，并詳細介紹）三電路設計與調試.8（包括單元電路

3、設計，參數計算，元器件選型，最終得出總電路圖，并闡述調試方法與過程）四總結與展望.9（總結你的設計方案的優(yōu)缺點，并提出改進方案）4.1 總結.104.2 展望.11參考文獻.12附錄.13（附系統(tǒng)總體電路圖，用正規(guī)軟件繪制）一 引言1.1 課題來源及意義通過這次課程設計,了解簡單多功能數字電路搶答器的組成原理，初步掌握數字電路搶答器的調整及測試方法，提高思考能力和實踐能力。同時通過本課題設計，鞏固已學的理論知識，建立邏輯數字電路的理論和實踐的結合，了解多功能搶答器各單元電路之間的關系及相互影響，從而能正確設計、計算定時計數的各個單元電路。初步掌握多功能搶答器的調整及測試方法。本論文通過參考大量

4、文獻對搶答器的工作原理做了系統(tǒng)介紹，通過詳細的調查和權威技術資料及相關情報的收集，為學校等單位舉行的簡單的搶答活動提供了簡單設計思路，對于企業(yè)了解搶答器產品生產技術及其發(fā)展狀況十分有益。1.2 研究現(xiàn)狀與趨勢隨著我國經濟和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多公開競爭場合要求有公正的競爭裁決，因此出現(xiàn)了搶答器。搶答器又稱為第一信號鑒別器，其主要應用于各種知識競賽、文藝活動等場合。搶答器一般是由很多電路組成的，線路復雜，可靠性不高，功能也比較簡單，特別是當搶答路數很多時，實現(xiàn)起來就更為困難，而且市面上出售的搶答器不僅價格昂貴，在中小城市也極難買到，這無疑給有意舉辦智力競賽的單位帶來了很大的不便。目前，傳統(tǒng)普通搶

5、答器主要存在以下缺陷：1、在一次搶答過程中，當出現(xiàn)超前違規(guī)搶答時，只能處理違規(guī)搶答信號，而對沒有違規(guī)的有效搶答信號不能進行處理，因而使該次搶答過程變?yōu)闊o效。2、當有多個違規(guī)搶答時，普通搶答器或采用優(yōu)先編碼電路選擇其中一個，或利用搶答電路電子元件的“競爭”選擇其中一個。對于后者由于搶答電路制作完畢后電子元件被固定。各路搶答信號的“競爭”能力也被固定，因而本質上也有優(yōu)先權。普通搶答器存在不公平性。3、當有多個違規(guī)搶答時，普通搶答器只能“抓住”其中一個而出現(xiàn)“漏洞”。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在的搶答器有著數字化，智能化的方向發(fā)展，這就必然提高了搶答器的成本。鑒于現(xiàn)在小規(guī)模的知識競賽越來越多，操作簡單，經濟

6、實用的小型搶答器必將大有市場。因此，我選擇簡易邏輯數字搶答器這一課題。二 系統(tǒng)設計2.1 概述2.1.1 基本要求： 1. 搶答器可以實現(xiàn)基本搶答；可同時供8名選手或8個代表隊參加比賽，他們的編號分別是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號相對應，分別是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。 2給節(jié)目主持人設置一個控制開關，用來控制系統(tǒng)的清零（編號顯示數碼管滅燈）和搶答的開始。 3搶答器具有數據鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并在LED數碼管上顯示出選手的編號，同時揚聲器給出音響提示。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他選

7、手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。2.1.2 功能簡述： 根據對功能要求的簡要分析，將定時搶答器電路分為主題電路和擴展電路兩部分。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當選手按動搶答器按鈕時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成定時搶答及報警功能。比賽開始時，接通電源，節(jié)目主持人將開關置于“清零”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時顯示器上顯示設定時間。當節(jié)目主持人宣布“搶答開始”，同時將控制開關撥到“開始”位置，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器開始倒計時。若定時時間到，卻沒有選手搶答時，系統(tǒng)報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時

8、后搶答。若選手在定時時間內按動搶答按鈕時，搶答器要完成以下四項工作：（1）優(yōu)先編碼器電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號； （2）揚聲器發(fā)出短暫聲響，提醒節(jié)目主持人注意； （3）控制電路要對輸入編碼電路進行封鎖，避免其他選手再次進行搶答； （4）控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余的搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當選手將問題回答完畢時，主持人操作控制開關，使系統(tǒng)回復到禁止工作狀態(tài)，以便進行下一輪搶答。2.2 方案比較針對題目設計要求，經過分析與思考，擬定以下二種方案：方案一：該方案是將搶答按鈕先直接與鎖存器而不是優(yōu)先編碼器相連，將最先

9、搶答的選手的編號鎖定，再依次經過優(yōu)先編碼器、譯碼器和七段顯示器，最后顯示的是搶答選手的編號，經過優(yōu)先編碼器后的信號到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又與報警電路直接連接，所以顯示編號的同時可以發(fā)出報警信號。另外由主持人控制開關和其他部分電路通過門電路實現(xiàn)對搶答電路、定時電路和報警部分電路的控制。主體框圖如下：圖1 八路智力搶答器方案一設計框圖方案二：主持人按動開始搶答的開關后，最先搶答的選手的電平信號先經過優(yōu)先編碼器，再依次經過數據鎖存器，此時已經限制了其他選手的搶答，信號再經過譯碼器和七段數碼顯示器，將最先搶答的該選手的編號顯示出來，并同時產生報警信號，到此完成的是搶答功能；如果沒有人搶答， 30

10、秒減計數器減到00時也會發(fā)出報警信號，此是完成計時功能。主體框圖如下：圖2 八路智力搶答器方案二設計框圖2.3 方案確定相比之下，第二種方案更好些。它的優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面：這種方案原理比較簡單。主持人對整體電路的控制只需幾個門電路就可完成，不必用特別的芯片來組成控制電路；更容易實現(xiàn)報警提示功能，在有選手搶答后或者計時開始和結束時。既減少了布線使整個電路更直觀簡單，又降低了產生錯誤的可能性。三 電路設計與調試1.設計所使用的元件：元器件：74LS48三片，72LS192兩片，74LS279、74LS148、74LS00、74LS11、555各一片，數碼管三個，發(fā)光二極管一個，開關、電阻、電容

11、若干，導線若干2.各個單元電路（1）搶答電路設計搶答電路的功能有兩個：一是能分辨出選手按按鈕的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鈕操作無效。因此，選用優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279以及譯碼顯示電路完成上述功能。搶答器電路工作原理：SW1-8為八位選手的搶答開關，SW9單刀雙擲開關設為主持人控制開關。當主持人控制開關置于清零狀態(tài)時，RS觸發(fā)器的R端為低電平，輸出端全部為低電平。于是74LS48的BI為高，顯示器滅燈；74LS148的選通輸入端ST為高電平，74LS148處于工作狀態(tài)，此時鎖存電路不工作。當SW9置于開始狀態(tài)，優(yōu)先編碼電路和鎖存

12、電路同時處于工作狀態(tài)。74LS279的1R、1S均為高電平，由真值表可知，輸出1Q為低電平，從而使74LS148輸入使能端為低電平有效，即搶答器處于等待工作狀態(tài)。若有選手（假設為3號選手）按動搶答開關（即閉合SW4），此時優(yōu)先編碼器74LS148輸入端I3接低電平有效，則輸出A2A1A0為100，A2A1A0分別接至4S、3S、2S，根據RS鎖存器真值表，2Q3Q4Q輸出分別為110，從而74LS48的輸入端DCBA為0011，經74LS48譯碼，顯示器上顯示“3”。與此同時，當74LS148輸入端有一個為低電平時，GS為低電平有效，即標志譯碼器處于工作狀態(tài)，從而使1S為0，此時1Q輸出為高電

13、平，致使EI為高電平，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，其他選手搶答按鈕的輸入信號不會被接受。這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準確性。搶答結束后，主持人開關置于清零狀態(tài)，數碼管變灰，一切恢復初始狀態(tài)，以便進入下一輪搶答環(huán)節(jié)。（2）定時電路設計設計要求搶答器具有定時功能，且節(jié)目主持人根據搶答題的難易程度，可設定一次搶答的時間（設為30s）。設計中選用十進制同步加/減計數器74LS192進行設計，74LS192是具有置數和清零功能, 其引腳圖和邏輯圖如圖10所示。圖10 74LS192引腳圖和邏輯圖P0、P1、P2、P3置數并行數據輸入；Q0、Q1、Q2、Q3計數數據輸出；CR清零端；LD置數端

14、；CPu 加法計數CP輸入；CPd 減法計數CP輸入；CO進位輸出端；BO借位輸出端。 表5 74LS192真值表根據設計要求，需要兩片74LS192構成100進制減計數器。由功能真值表可知，只需將個位74LS192的借位輸出端BO與十位74LS192的CPd即可實現(xiàn)100進制減計數。值得注意的是，要使其實現(xiàn)減計數，CPu端口必須接高電平。計數器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。秒脈沖電路由555構成的多諧振蕩器構成，如圖11所示。多諧振蕩器無需外加輸入信號就能在接通電源自行產生矩形波輸出。圖11 多諧振蕩器因為周期為一秒，所以頻率是1赫茲。圖中電容的充放電時間分別是：t1=RB×C

15、15;ln20.7RB×C t2=(RA+RB)×C×ln20.7(RA+RB)C 所以555的3端輸出的頻率為： f=1/(t1+t2)1.43/(2RA+RB)C 我們采用的電阻和電容值分別是：RA=15K，R2=68K，C1=10uf,滿足上式，即得到的是秒脈沖。由以上集成芯片設計的定時電路如圖12所示。圖12 定時電路工作原理：首先主持人根據題的難易程度改變74LS192的輸入端D3D2D1D0的電平來確定搶答時間（假定為30秒），555構成秒脈沖產生電路為計時電路提供脈沖。搶答開始前主持人閉合開關，74LS192的置數端PL為低電平有效，處于置數狀態(tài)，數

16、碼管顯示定時時間。搶答開始，主持人打開開關，計數器處于計數狀態(tài)，555產生的秒脈沖與十位74LS192借位輸出端（其初始狀態(tài)為高電平）相與。計數器遞減計數至00，十位74LS192借位輸出端為低電平，計數器停止工作，產生報警。計時期間有人搶答，減計數器停止計時，顯示器上顯示此刻時間。3）報警電路設計由555定時器和三極管構成的報警電路如圖13所示。圖中555定時器用來構成多諧振蕩器，其震蕩頻率和秒脈沖產生電路中頻率的計算方法相同。3端的輸出信號經過三級管驅動揚聲器，發(fā)出報警信號。當4端的輸入信號是高電平時，振蕩器工作，有報警信號，4端輸入低電平時，振蕩器不工作，沒有報警信號。也就是說需要報警時

17、只需控制輸入端即可。電路圖如下:圖13報警電路（4） 時序控制電路時序控制電路是搶答器設計的關鍵，需要完成以下三項功能：a.主持人將控制開關撥到“開始”位置時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進入正常搶答工作狀態(tài)。b.當競賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。c.當設定的搶答時間到，無人搶答時揚聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。本設計中采用門電路對控制開關、搶答電路、定時電路、報警電路進行連接，以實現(xiàn)上述三項功能要求（如圖14所示）。圖14 時序控制電路其中，兩輸入與非門采用74LS00，引腳圖如圖15所示。三輸入與門采用74LS11，引腳圖如圖16所示。電路中

18、利用與非門兩輸入端相連實現(xiàn)非門的邏輯功能。圖15 74LS00引腳圖圖16 74LS11引腳圖工作原理：門G1的作用是控制時鐘信號CP的放行與禁止，門G2的作用是控制74LS148的輸入使能端。主持人控制開關從“清零”位置撥到“開始”位置時，74LS279的輸出1Q=0，經G3反相，A=1，則從555輸出端來的時鐘信號CP能夠加到74LS192的CPd始終輸入端，定時電路進行遞減計時。同時，在定時時間未到時，74LS192的借位輸出端BO2為低電平，門G2的輸出ST為高電平，使74LS148處于正常工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能a的要求。當選手在定時時間內按動搶答按鈕時，1Q=1，經G3反相，A=0，

19、封鎖CP信號，定時器處于保持工作狀態(tài)；同時，門G2的輸出ST為低74LS148處于禁止工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能b的要求。當定時時間到時，來自74LS192的BO2為高，ST為高，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進行搶答。同時，門G1處于關門狀態(tài)，封鎖CP信號，使定時電路保持00狀態(tài)不變，從而實現(xiàn)功能c的要求。（5） 總體電路圖圖17 總電路圖下面介紹八路智力競賽搶答器的使用原理。首先是各個選手分別對應的按鈕編號是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，搶答后顯示器上顯示的分別是0、1、2、3、4、5、6、7。 然后是主持人對整個電路系統(tǒng)清零，將開關置于“清零”的位置，輸出低電平，

20、分為兩路：一路與鎖存器的1R2R3R4R端相連，使輸出端1Q2Q3Q4Q為低電平，1Q所輸出的低電平經與門反饋給74LS148的EI端子，編碼器不工作，因此搶答部分顯示器滅燈無顯示，實現(xiàn)了清零；另一路低電平輸出到計數器74LS192的LD端，而CR端也是低電平，所以使得對應顯示器輸出預置的數據。接下來主持人根據題目的難易程度設置搶答時間，此設定可以通過調節(jié)輸入兩片74LS192的四個輸入端D、C、B、A的高低電平來進行（例如要設定時間為30秒,就將十位的74192的D、C、B、A分別置位為0、0、1、1，而將各位的74LS192的D、C、B、A都置于0）。當主持人宣讀完題目說“開始”并將開關置

21、于“開始”位置后，輸出為高電平，此高電平有兩路方向：一路輸出到74LS192的LD端，使其處于高電平而開始減計數；還有一路輸出到鎖存器的R端。當任意一個選手搶答時，例如3號搶答時，74LS148三號端子輸入低電平有效，此時GS為低電平有效，表征編碼器在正常工作。編碼輸出A2A1A0為100，與其對應的4S3S2S為100，經74LS279鎖存，4Q3Q2Q輸出為011，經譯碼顯示編號為3。與此同時，1Q所輸出的高電平反饋回編碼器的是能輸入端，使其停止工作。此時，其他選手若再按動按鈕也無對應輸出，這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準確性。另一路，74LS148的GS端輸出電平由高變低，與秒脈沖發(fā)生器產生的秒脈沖相與后輸出為0，使得無脈沖抵達計數器74LS192的Down端。計數器停止工作，保持原來顯示不變，即實現(xiàn)了暫停減計數使其記錄搶答時間的功能。若沒有選手按動按鈕，則74LS279輸出全為高電平，74LS148也輸出高電平，1Q端輸出低電平至74LS48的滅燈輸入RI/RBO端，使得信號經74LS48到顯示器上時無顯示；若到定時部分計數器倒計時到00還無選手按動按鈕的話，十位74LS192的借位輸出端輸出高電平反饋回個位Down端，停止計數。綜上所述，所設計的電路基本可以實現(xiàn)要求中的功能。四 總結與展望4.1 總結通過本次課程設計，不僅有效鞏固了本學期所學數電的相關知識，加強