智力競(jìng)賽搶答器課程設(shè)計(jì)

智力競(jìng)賽搶答器智力競(jìng)賽搶答器姓姓名：李兵權(quán)專業(yè)：自動(dòng)化學(xué)號(hào)：班級(jí)：07級(jí)四班指導(dǎo)老師：謝東壘智力競(jìng)賽搶答器內(nèi)容摘要當(dāng)今的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)日益劇烈，選拔人才，評(píng)選優(yōu)勝，知識(shí)競(jìng)賽之類的活動(dòng)愈加頻繁，那么也就必然離不開搶答器。而現(xiàn)在的搶答器有著數(shù)字化，智能化的方向開展，這就必然提高了搶答器的本錢。鑒于現(xiàn)在小規(guī)模的知識(shí)競(jìng)賽越來(lái)越多，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型搶答器必將大有市場(chǎng)。本搶答器通過十分巧妙的設(shè)計(jì)僅用兩塊數(shù)字芯片便實(shí)現(xiàn)了數(shù)顯搶答的功能，與其他搶答器電路相比擬有分辨時(shí)間極短、結(jié)構(gòu)清晰，本錢低、制作方便等優(yōu)點(diǎn)，并且還有防作弊功能。因此，我們制作了這款簡(jiǎn)易四路搶答器屏棄了本錢高，體積大，而且操作復(fù)雜。我們采用了數(shù)字顯示器直接指示，自動(dòng)鎖存顯示結(jié)果，并自動(dòng)復(fù)位的設(shè)計(jì)思想，因而本搶答器具有顯示直觀，不需要人干預(yù)的特點(diǎn)。而且在顯示時(shí)搶答器會(huì)發(fā)出叮咚聲使效果更為生動(dòng)。工廠、學(xué)校和電視臺(tái)等單位常舉辦各種智力競(jìng)賽,搶答記分器是必要設(shè)備。在知識(shí)競(jìng)賽中，特別是做搶答題時(shí)，在搶答過程中，為了知道哪一組或哪一位選手先答題，必須要有一個(gè)系統(tǒng)來(lái)完成這個(gè)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)就是用幾個(gè)觸發(fā)器以及三極管巧妙的設(shè)計(jì)搶答器，使以上問題得以解決，即使兩組的搶答時(shí)間相差幾微秒，也可分辨出哪組優(yōu)先答題。關(guān)鍵字：知識(shí)競(jìng)賽;搶答器;數(shù)字顯示器；觸發(fā)器第一章：設(shè)計(jì)的任務(wù)與設(shè)計(jì)原理31.1任務(wù)要求31.2實(shí)驗(yàn)原理3第二章：方案論證與選擇42.1方案比擬：42.2方案論證及選擇5第三章：?jiǎn)卧K設(shè)計(jì)63.1搶答器電路63.2計(jì)時(shí)器電路73.2.1555定時(shí)器8減法計(jì)數(shù)器93.2.3數(shù)字顯示器103.3計(jì)分器電路11第四章：元器件的選擇12第五章：心得體會(huì)13【參考文獻(xiàn)】14附錄15第一章：設(shè)計(jì)的任務(wù)與設(shè)計(jì)原理1.1任務(wù)要求1.四組參賽者在進(jìn)行搶答是，當(dāng)搶先者按下面前的按鈕時(shí)，搶答器能準(zhǔn)時(shí)地判斷出搶先者，并以聲光為標(biāo)志。要求聲響，光亮?xí)r間為9秒后自動(dòng)熄滅。2.搶答器應(yīng)具有互鎖功能，某組搶答后能自動(dòng)封鎖其他各組進(jìn)行搶答。3.搶答器應(yīng)具有限時(shí)功能。限時(shí)檔次分別為30秒，60秒，90秒；時(shí)間到時(shí)應(yīng)發(fā)出聲響。同時(shí)，時(shí)間數(shù)據(jù)要用數(shù)碼管顯示出來(lái)。4.搶答者犯規(guī)或違章時(shí)，應(yīng)自動(dòng)發(fā)出警告信號(hào)，以提示燈光閃為標(biāo)志。5.系統(tǒng)應(yīng)具有一個(gè)總復(fù)位開關(guān)。1.2實(shí)驗(yàn)原理本課程設(shè)計(jì)的核心為搶答模塊，其有四個(gè)觸發(fā)器組成。搶答模塊的主要功能是互鎖，不管是搶答還是犯規(guī)，一旦一個(gè)選手先按下開關(guān)，其觸發(fā)器首先觸發(fā)，并且這個(gè)觸發(fā)器的輸出將其它三個(gè)觸發(fā)器CP脈沖輸入屏蔽掉，從而到達(dá)互鎖的目的。第二章：方案論證與選擇2.1方案比擬：以下設(shè)計(jì)的是智力搶答器的方案流程圖：

秒脈沖秒脈沖計(jì)時(shí)控制顯示搶答控制器聲光提示倒計(jì)時(shí)顯示主持人控制計(jì)分器圖2.1方案一流程搶答器主要是由四個(gè)三極管、和四個(gè)D觸發(fā)器以及四個(gè)或非門構(gòu)成，其中三極管是與主持人一起配合使用，用來(lái)控制是否開始搶答，當(dāng)主持人將開關(guān)接地時(shí)，三極管截至，此時(shí)三極管可以當(dāng)作一個(gè)二極管使用當(dāng)有選手搶答時(shí)就通過三極管將信號(hào)傳送給D觸發(fā)器，D觸發(fā)器在將信號(hào)傳送給或非門并將其他選手鎖存，同時(shí)將信號(hào)送給發(fā)光二極管與喇叭。

其工作原理是當(dāng)主持人按下?lián)尨痖_關(guān)時(shí)，選手能進(jìn)行搶答。當(dāng)有選手搶時(shí)，搶答信號(hào)就通過三極管傳入D觸發(fā)器，并且最先收到搶答信息的D觸發(fā)器送出一個(gè)反應(yīng)信號(hào)將其余三位選手的信號(hào)封鎖。中選手答復(fù)完畢問題時(shí)，主持人啟動(dòng)計(jì)分器，并且給該選手加上或減去分?jǐn)?shù)。計(jì)分器通過譯碼器將信號(hào)傳送給一數(shù)碼管顯示出來(lái)。顯示分?jǐn)?shù)顯示分?jǐn)?shù)選手搶答按鍵計(jì)分器選手搶答按鍵計(jì)分器主持人控制主持人控制搶答控制器搶答控制器定時(shí)器倒計(jì)時(shí)器定時(shí)器倒計(jì)時(shí)器聲光提示顯示時(shí)間聲光提示顯示時(shí)間圖2.2方案二流程圖方案二的搶答器那么主要是由四個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)74LS48以及一個(gè)優(yōu)先編碼器74LS148構(gòu)成，其中四個(gè)RS觸發(fā)器的輸出接74LS48，74LS48在接數(shù)碼管，R端接5V電源其如圖：RRSQQRSRSQRSQ5v.主持人.10kR圖2.3RS觸發(fā)器S端接74LS48連接選手的輸入信號(hào)，當(dāng)主持人將開關(guān)接通時(shí)，RS觸發(fā)器的R端為低電平，輸出端也全部為低電，選手不能搶答。當(dāng)斷開時(shí)，RS觸發(fā)器處于工作狀態(tài)中，當(dāng)有選手搶答時(shí)，信號(hào)輸入S端，并且鎖定其他選手。2.2方案論證及選擇通過以上兩種方案的比擬可知，方案一的設(shè)計(jì)是每當(dāng)有選手搶答成功時(shí)，都會(huì)有聲光伴隨，而且是具體到每一位，給人直觀的感覺。方案二的設(shè)計(jì)那么是用一個(gè)數(shù)碼顯示器顯示搶答成功者的號(hào)碼，與第一個(gè)相比顯得不能讓人一下就反映過來(lái)誰(shuí)是搶答成功者；另外方案一更加的簡(jiǎn)潔、易行，而且使用到的元器件也都是我們所常用到的一些元件比方：555，74LS148以及開關(guān)二極管電容電的電路與方案二比擬顯得更簡(jiǎn)單、明了。

這樣就是就選擇第一種方案。

第三章：?jiǎn)卧K設(shè)計(jì)此局部主要是詳細(xì)介紹該智力搶答器各個(gè)組成模塊，以及各模塊的器件組成以及相應(yīng)的功能。此智力競(jìng)賽搶答器由三局部組成：搶答器、計(jì)時(shí)器以及計(jì)分器。下面就依次介紹各組成局部的設(shè)計(jì)方法，功能等。3.1搶答器電路這個(gè)搶答器設(shè)計(jì)成可供四個(gè)人搶答使用，它的組成器件有：四個(gè)三極管、四個(gè)D觸發(fā)器〔74LS74〕、四個(gè)或非門以及用于起提示作用的發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器。電路圖如下：圖3.1搶答器

其工作原理如下：圖3.1搶答器當(dāng)主持人將開關(guān)撥至接通狀態(tài)時(shí)，這樣三極管處于截至狀態(tài)，使選手無(wú)法搶答，整個(gè)搶答器處于被鎖定狀態(tài)，當(dāng)主持人將開關(guān)斷開時(shí)，三極管的集電極接高電平，這樣三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，中選手有搶答信號(hào)輸入時(shí)可以通過三極管將信號(hào)傳送給D觸發(fā)器，而D觸發(fā)器的作用那么是判斷選手的信號(hào)，并鎖住其他選手的信號(hào)傳入。

3.2計(jì)時(shí)器電路設(shè)計(jì)的該計(jì)時(shí)器主要是由三個(gè)局部組成，一個(gè)是555定時(shí)器用來(lái)提供脈沖，一個(gè)是由3個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)成的減法計(jì)數(shù)器，最后一個(gè)組成局部是有CD4511譯碼器和數(shù)碼管連接成的，用于顯示時(shí)間，器構(gòu)成圖如下：圖3.3計(jì)時(shí)器電路圖

下面分別介紹各個(gè)局部的組成器件以及功能：3.2.1555定時(shí)器555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化原理圖如下，它由3個(gè)阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比擬器C1和C2、根本RS觸發(fā)器、放電BJT以及緩沖器G組成。

定時(shí)器的主要功能取決于比擬器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電BJTT的狀態(tài)。圖中Rd為復(fù)位輸入端，當(dāng)Rd為低電平時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出Vo為低電平。因此在正常工作時(shí)，應(yīng)將其接高電平。

圖3.4555結(jié)構(gòu)原理圖

由圖可知，當(dāng)5腳懸空時(shí)，比擬器C1和C2的比擬電壓分別為2/3Vcc和1/3Vcc。

當(dāng)VI1>2/3Vcc，VI2>1/3Vcc時(shí)，比擬器C1輸出低電平，比擬器C2輸出高電平，根本RS觸發(fā)器被置0，放電三極管T導(dǎo)通，輸出端Vo為低電平。當(dāng)VI1<2/3Vcc，VI2<1/3Vcc時(shí)，比擬器C1輸出高電平,比擬器C2輸出輸出低電平，根本RS觸發(fā)器被置1，放電三極管截止，輸出端Vo為高電平。當(dāng)VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc時(shí)，根本RS觸發(fā)器R=1、S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路以保持原狀態(tài)不變。

減法計(jì)數(shù)器圖3.5JK倒計(jì)時(shí)器電路圖

倒計(jì)時(shí)器的核心由該減法計(jì)數(shù)器構(gòu)成，而該減法計(jì)數(shù)器那么是由三個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)成的異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器。其中J、K端都是懸空〔相當(dāng)于J=1、K=1〕，該減法計(jì)數(shù)器是將前一個(gè)觸發(fā)器的端與下一個(gè)觸發(fā)器的CP端相連。計(jì)數(shù)器的工作過程分為兩步。第一步：計(jì)數(shù)器復(fù)位清零。在工作前應(yīng)先對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位清零。在復(fù)位控制端送一個(gè)負(fù)脈沖到各觸發(fā)器Rd端，觸發(fā)器狀態(tài)都變?yōu)椤?”，即Q1Q2Q3=000第二步：計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿到觸發(fā)器Fo的CP端是，觸發(fā)器Fo開始工作，由于J=K=1，JK觸發(fā)器的功能是翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器Fo的狀態(tài)有“0”變?yōu)椤?”，即Q0=1，由“1”變?yōu)椤?”，這相當(dāng)于一個(gè)脈沖的下降沿，它送到觸發(fā)器F1的狀態(tài)有“0”變?yōu)椤?”，即=1，由“1”變?yōu)椤?”，它送到觸發(fā)器F2的CP端，觸發(fā)器F2的狀態(tài)有“0”變?yōu)椤?”，=1，三個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)均為“1”，計(jì)數(shù)器的輸出為。當(dāng)?shù)诙€(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿到觸發(fā)器Fo的CP端時(shí)，觸發(fā)器Fo狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，由“1”變?yōu)椤?”，那么由“0”變?yōu)椤?”，觸發(fā)器F1的狀態(tài)不變，觸發(fā)器F2的狀態(tài)也不變，計(jì)數(shù)器的輸出為。當(dāng)?shù)谌齻€(gè)時(shí)鐘脈沖下降沿到觸發(fā)器Fo的CP端時(shí)，F(xiàn)O觸發(fā)器狀態(tài)又翻轉(zhuǎn)，由“0”變?yōu)椤?”，那么由“1”變?yōu)椤?”〔相當(dāng)于脈沖的下降沿〕，它送到F1的CP端，觸發(fā)器F1狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，由“1”變?yōu)椤?”，由“0”變?yōu)椤?”，觸發(fā)器F2的狀態(tài)不變，計(jì)數(shù)器的輸出為101同樣道理，當(dāng)?shù)谒膥第七脈沖到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器的依次變?yōu)?00、011、010、001。表3.33位二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器狀態(tài)表輸入CP脈沖序號(hào)計(jì)數(shù)器狀態(tài)000011112110310141005011601070018000數(shù)字顯示器此局部由CC4511譯碼器以及共陰極數(shù)碼管組成，并且JK觸發(fā)器的輸出另接一個(gè)與非門，與非門再接一個(gè)發(fā)光二極管，用于提示作用。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，JK觸發(fā)器輸出=111，數(shù)碼管上此時(shí)顯示為7，再來(lái)一個(gè)脈沖，JK觸發(fā)器又輸出為110，此時(shí)顯示6，依此類推，當(dāng)JK觸發(fā)器輸出為000時(shí)，此時(shí)與JK觸發(fā)器的輸出端相連的與非門輸出那么變?yōu)?，使得揚(yáng)聲器發(fā)出聲響提示選手搶答時(shí)間到了，不應(yīng)再搶答。同時(shí)主持人斷開倒計(jì)時(shí)器的開關(guān)停止計(jì)時(shí)。

3.3計(jì)分器電路計(jì)分器是用來(lái)記錄先手的得分情況，因此計(jì)分器在競(jìng)賽中也顯得比擬重要。下面就就介紹該積分器的電路結(jié)構(gòu)以及工作原理。該計(jì)數(shù)器由兩個(gè)SN74190和一個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成，其圖如下：圖3.6計(jì)分器電路圖其中74190是一個(gè)加減計(jì)數(shù)器，其由控制端5管腳控制，當(dāng)5端口輸入為高電平時(shí)，工作狀態(tài)為一個(gè)減法器，當(dāng)5端口接低電平時(shí)，工作狀態(tài)為加法器。D觸發(fā)器主要是使個(gè)位顯示0.由于在開始搶答時(shí)，每位選手顯示分?jǐn)?shù)為100，因此百位的74190置數(shù)為1，十位置數(shù)為0其工作流程如下：假設(shè)開始搶答，當(dāng)有選手答題正確時(shí)，主持人將開關(guān)撥到加分端并按下脈沖開關(guān)時(shí)，U2接收一個(gè)脈沖〔因?yàn)閁2的預(yù)置端置數(shù)為0即Q1Q2Q3Q4=0000〕，此時(shí)輸出變?yōu)镼1Q2Q3Q4=0001,即相當(dāng)與給選手加上十分，當(dāng)該選手再次答題正確時(shí)，主持人又按下脈沖開關(guān)送出一個(gè)脈沖，U2接收到一個(gè)脈沖，輸出又變?yōu)镼1Q2Q3Q4=0010即又給選手加上十分即顯示為120，依此類推。當(dāng)?shù)谑畟€(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，U2的輸出端Q1Q2Q3Q4輸出1010，同時(shí)與Q0Q2相連的與門將接收一個(gè)低電平信號(hào)輸入到管腳11使置數(shù)從新變?yōu)?開始計(jì)數(shù)即輸出又從零開始。與此同時(shí)進(jìn)位端13腳將產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位脈沖，輸入給U1中，此時(shí)U1的輸出端將輸出0010，即使百位的數(shù)碼管顯示為2。此時(shí)該選手的得分即為200。減法的工作方式和加法相似，這里就不再說了。

第四章：元器件的選擇在這次設(shè)計(jì)的用于競(jìng)賽的搶答器，電路圖時(shí)很簡(jiǎn)單，組成器件應(yīng)該說都是數(shù)電和模電中很常見的。關(guān)于模電中用到的器件主要是三極管、發(fā)光二極管以及電容等。在模電中主要學(xué)習(xí)了三極管的放大功能和開關(guān)作用，而在這次設(shè)計(jì)的電路中，主要是運(yùn)用了三極管的開關(guān)作用。這次主要用到的器件都是來(lái)自數(shù)電中，比方：觸發(fā)器、邏輯門、譯碼器、數(shù)碼管以及555定時(shí)器等。而在使用中各個(gè)器件也不是獨(dú)立工作。綜上所述可知在本次設(shè)計(jì)的電路中，RS邊沿D觸發(fā)器有四個(gè)，其作用是用來(lái)鎖存非最先搶答者的搶答信號(hào)。而三個(gè)JK觸發(fā)器那么是構(gòu)成了一個(gè)減法計(jì)數(shù)器且和555定時(shí)器一起使用，形成一個(gè)倒計(jì)時(shí)器，555是為JK觸發(fā)器定時(shí)提供提夠脈沖，使JK觸發(fā)器工作。4511譯碼器將JK觸發(fā)器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠在數(shù)碼管上顯示的有效信號(hào)。還有就是74190可逆計(jì)數(shù)器，主要是用來(lái)計(jì)算選手得分情況。

第五章：心得體會(huì)在這次電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)中，讓我受益匪淺。1.首先是對(duì)數(shù)字電子計(jì)數(shù)課程的一次穩(wěn)固和提高，讓我提高自主思考問題的興趣和能力，比方在做數(shù)字顯示電子鐘的過程中需要用到一些課本上沒有學(xué)到的芯片級(jí)元件，這就需要我自己去圖書館借書查閱或是上網(wǎng)搜索，然后再分析其作用、功能、接線等。2.然后在作圖的過程中也讓我掌握了對(duì)Visio軟件的使用，以前作圖是CAD或是Protel,這次又認(rèn)識(shí)了一種作圖的挺好用的工具。在一切分析工作做完后，在做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)告