智力竞赛七路抢答器的设计.doc

.智力竞赛七路抢答器的设计摘 要：近几年来，随着经济的发展和社会的进步，人们对于日常生活的要求日益严格。而智力竞赛作为一种精彩刺激的抢答活动受到众人的喜欢，比如电视上经常会放选手比赛的精彩画面。说到这里，抢答器的作用不言而喻。因而，这就需要我们开发一种具有智能化的抢答器，包括一些基本功能，如置位、清零、自动锁存等功能。本次抢答器的设计是七路抢答器，即假设有7个人或队伍同时来参加一个综艺节目的竞赛抢答，这需要我们不仅考虑到节目主持人的开始控制以及清零系统、参与者的抢答部分电路等作为主体部分，来表示哪位选手的抢答及节目主持人的整体控制运行，还要考虑到脉冲电路和定时电路作为扩展电路用来提示选手在设定时间内完成抢答等功能。关键词：七路抢答器；主体电路；扩展电路;.Intelligence Contest Seven Road Vies to Answer First DeviceAbstract: Along with the economic development and social progress in recent years, the quality of peoples life of the increasingly high demand. The quiz as an exciting contest activities are all like, highlights such as TV often put players game. Here, it is self-evident responder part. Therefore, we should to open up a responder is intelligent, including automatic latch, set, reset function. Design of the responder is seven way responder, namely the imaginary 7 individual or team at the same time to attend a variety show of the competition, the need to take into account the presenters begin to control and clear system, players answer in part of the circuit as the main part to display control work which contestant vies to answer first and presenters, but also consider the circuit and timing circuit pulse as the extended circuit used to prompt the player within the specified time answering function.Keywords: Seven way responder; The main circuit; The extended circuit ;.目 录第一章 绪论11.1 研究背景和意义11.2 论文的主要内容1第二章 设计方案论证32.1 智力竞赛抢答器的设计思路32.2 设计方案论证32.2.1 抢答器的基本工作原理32.2.2 两种的方案比较42.3 总体设计方案框图及分析5第三章 各单元设计73.1 抢答功能电路的设计73.2 定时电路的设计113.3 时序逻辑控制电路设计153.4 整体电路的设计15第四章 电路的仿真174.1 抢答电路的仿真184.2 计时电路的仿真184.3 整体电路的仿真19第五章 总结20参考文献21 ;.第一章 绪论1.1 研究背景和意义在如今21世纪，随着科学技术发展的越来越迅速，数字电子技术已经不知不觉地在雷达，自动控制，电子测量仪表，模拟电子测量，电视，计算机，通信等各种领域应用起来。在当今时代中，智力竞赛更是作为一种精彩刺激的娱乐和教育形式，吸引着越来越多的观众。而在同时，数字仪器在我们这个时代更容易实现智能化和自动化。在现代社会中，这类抢答器一直是各种竞赛活动中是不可或缺的核心设备之一。它设定，谁能在第一时间反应过来，抢先按下按钮就有机会进行回答。在这套系统体系中，含有定时、倒计时、手动（或自动）复位、报警提示（即声音提示，或者是以音乐形式表现出来）、显示屏幕、按键发光等等功能，而我们可以利用各种中规模数字集成设备完成上面各种功能要求，从而达到更容易的实现数字抢答器这一基本功能。本文就是主要利用各种中规模数字集成器件来完成智力抢答器的定时、倒计时、手动（或自动）复位、报警、显示屏幕、按键发光等功能。相对而言，具有较强的实用价值和社会价值7。1.2 论文的主要内容在这次方案计划中，定时抢答器是可供七人使用的。要实现以下几个功能：（1）首先分别为7位参与者各提供一个抢答按钮，编号为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7；（2）程序的复位与抢答的开始由主持人操控；（3）具有数据存储和显示的功能的抢答器。当主持人喊开始后，按下“开始”键，抢答则开始。若有任何一名参与者率先按下抢答按钮，则屏幕显示其抢答者的编号直到下一轮开始，主持人清零程序。而且同时其他参与者如果再按抢答按钮都是无效的（4）抢答器应该要具有自动计时的功能，就是说，当主持人按下“开始”键后，定时器开始自动减计时，并在显示屏幕上表示出来；（5）参与者只能在规定时间内进行有效的回答答案。若抢答有效，回答正确，则定时器停止工作，并且显示剩余的抢答时间直到程序复位；（6）若在规定时间内无人进行抢答（即按对应按钮），则程序禁止选手超时抢答4。主体部分与扩展电路是组成多路数字抢答器的两大部分，它通过优先编码电路、锁存器、译码电路将参与者的输入信号在屏幕显示器上输出表示；另外启动电路需要用到控制电路和主持人的开关键，它们是主体电路的构成部分。在经过布置线路、焊接元件、调试设备、仿真等一系列工作后，一个基本的简单的数字抢答器就出来了819。第二章 设计方案论证2.1 智力竞赛抢答器的设计思路如果开始一个回合抢答较量时，必须由主持人操作清除和开始状态开关。1.由主持人按下复位按钮后，使程序复位。然后，控制电路通过编码器和锁存器使抢答器处于待机状态，等待输入信号。2.当有人开始抢答时，信号通过按钮输送到优先编码电路，然后编码电路再通过编码把结果送入锁存电路锁存，接着锁存电路把结果又传给译码电路，最后译码电路把送来的信号译码驱动用以显示电路，显示出抢答者的编号。3.在率先抢答者按钮的同时，控制电路必须通过对编码电路和锁存电路的使能控制让其他的抢答者按钮时无效，从而保证第一抢答信号得鉴别、锁存及显示。在接通电源后，主持人将开关切换到复位状态，使抢答器处于待机状态，停止工作，同时编号显示器灭灯，以及定时器显示设置的时间；当主持人将开关切换到开始状态，宣布开始，则抢答器工作，定时器倒计时，选手在规定时间内抢答时，抢答器需要完成优先判断编号、锁存编号、显示编号。当一个回合抢答之后，定时器停止工作、禁止继续抢答，屏幕显示剩余的时间。如果进行下一个回合的抢答，则需要由主持人再次将开关置于清除和开始状态，使整个系统复位1820。2.2 设计方案论证 2.2.1 抢答器的基本工作原理该抢答器的电路框图主要是由主体电路和扩展电路这两个部分组成；其中编码器电路、RS触发器电路、解码器电路以及数码管显示电路构成了主体抢答器电路，而两个与非门组成封锁电路，它的功效是让率先按下抢答按钮有效，而后按下抢答按钮无效；另外节目主持人通过按钮将整个电路复位，并将输出电路清零和编码电路解除封锁状态，译码电路用来翻译出编码，而按下抢答按钮的参与者编号则通过数码管显示电路显示出来，定时电路用来设定回答问题的时间3。2.2.2 两种的方案比较方案一(1) 方案一抢答器的电路图是由主体电路和扩展电路两部分组成的整体结构电路图。当主电路实现基本的抢答功效后，即开始抢答后，若有参与者率先按下抢答按钮时，则屏幕上显示参与者的编号，与此同时封闭输入电路，禁止其他参与者的继续抢答，而扩展电路则是为了实现定时抢答的功能。(2) 抢答器的一般工作流程是：在接通电源后，节目主持人切换开关使其置于“复位”状态，这时抢答器处于待机工作状态，编号显示器灭灯，定时器倒计时复位。如果设定的时间已经到了，仍然没有选手进行抢答，则系统自动报警，并同时封闭输入电路，禁止参与者超时后抢答。如果参赛者在设定时间内按下了抢答键，那抢答器则需要完成下面四项基本工作：首先优先编码电路需要马上判断出抢答者的编号，同时由锁存器进行锁存，接着由译码显示器翻译显示出抢答者的编号；然后由喇叭发出较短的声响（或以音乐形式的声响），提示节目主持人注意已经有参赛者成功抢答了；接下来通过控制电路关闭输入编码电路，能够及时有效的阻止其他参与者继续进行抢答；在这段时间内，总控制电路控制着定时器，使其处于停止工作状态以及屏幕显示器上显示着剩余的抢答时间，一直保持到节目主持人将程序清零复位为止。当抢答者将问题回答完毕后，主持人需要通过切换控制开关的工作状态，使电路程序置于到清零的工作状态，得以进行下一回合的抢答510。方案二方案二的电路结构图如下图2.1所示，它所要实现的功能是在主持人宣布开始抢答后，按下启动按钮，这时候电路进入抢答运行的状态，其中，参与者采用了扫描式的输入方式，然后把对应的全部相关信息发送到单片机，接着通过单片机输入到输出表示电路中，与此同时有参与者第一个按下相应的抢答键，进而通过单片机的选择控制功能，在七段数码显示器上显示出对应的编号，同时锁存编号，并禁止其他参与者继续按钮信息的输入。图2.1 电路结构流程图关于上述的两种方案，我做一个简单的分析。个人认为,方案一电路较为复杂，但是不需要进行复杂的软件设计，只需要进行稍微复杂的电路接线工作。方案二电路是用单片机来做的，原理较为简单，但是方案二不仅仅需要进行复杂的软件设计，而且还需要进行很长时间调试，浪费时间又浪费人力，相对比较麻烦。所以本人倾向于第一种方案，果断选择第一种方案9.2.3 总体设计方案框图及分析根据设计思路及基本方案，对其整体进行布局，分析并设计了如下的电路方案。图2.2 整体电路方案图该方案的工作过程是：主持人按下控制开关，抢答电路进入工作状态，如果有参与者在设定时间内按下抢答按钮，则率先进行抢答的参与者的编号信息通过优先编码电路、锁存电路、译码电路并于最后在数码管显示器上显示出来。当然在完成该功能的同时已经禁止了其他参与者的继续抢答，这样一次完整的才算结束。而如果在定时电路规定的时间内没有任何参与者按下抢答按钮，则计时器由规定时间减法计数到零，完成计时功能。从上可以得出，该方案原理较简单，电路整体比较直观，因此可以有效的减少错误发生的概率，从而顺利完成设计方案211。第三章 各单元设计3.1 抢答功能电路的设计抢答电路，就其表面意思而言，即需要能分辨的出来抢答过程中每个队伍按下抢答按钮的先后顺序，并锁存最先抢答队伍的编号，在显示器上显示出来的电路。按照上述的功能要求，74LS148优先编码器和74LS279RS锁存器及译码显示电路通过正确的组合，可以较好的实现其要求。它们的引脚图及真值表如图3.1所示。图3.1 74LS148引脚图表3.1 74LS148真值表 注释：07 编码输入端(低电平有效) EI 选通输入端(低电平有效)A0、A1、A2 三位二进制编码输出信号 即编码输出端(低电平有效)GS 片优先编码输出端 即宽展端(低电平有效)EO 选通输出端 即使能输出端 2474LS148这个优先编码器有8个输入端，3个输出端，都是低电平才有效。Ei是输入使能端，因为低电平有效，因此在它处于低电平时，编码器工作，否则编码器是停止工作的。Eo表示输出使能端，即只有在所有输入为高电平且Ei为低电平的时候，它的输出为零。Gs则是编码器的工作状态的特性，即只有在Ei为低电平，并且至少有一个低电平输入端的时候，它才是工作的。从而可以根据74LS148优先编码器的这些特点，做到对电路的相应控制，以达到我们想要的预期效果6。图3.2 74LS279引脚图表3.2 74LS279真值表74LS279RS触发器是由与非门构成的，因为它有四个基本RS触发器，所以它有四种基本状态：1. 保持状态。当一个水平的=1的输入，如果基本SR触发器现态=1、=0，触发下一个状态；如果当前状态= 0，= 1基本RS触发器，触发时间= 0，= 1。即=1时，触发器不变，保持原状态。2. 置0状态。当=1，=0时，如果基本的SR触发器状态为=1、= 0，= 0， =1进行，和= 1 =1一起做最后变成0；如果基本SR触发这种状态=0，=1，同样会使=0，=1。如果输入信号是=1，=0，输出不管基本的SR触发器现在的状况如何，都会使输出状态被置于0态。3. 置1状态。当=0、=1时，如果触发器现态为=0、=1，=0，可以使G1状态翻转为1，而=1和=1共同的使G2的输出端=0；作为=1、=0，下一个状态输出也为= 1使触发，=0；只要=0、=1，不管如何触发的现状，都会将触发器置1。当=1、=0，也会使触发器的次态输出为=1、=0；只要=0、=1，不管如何触发的现状，可以设置1个触发器。不定状态。当=0时，不管如何触发的原始状态，都能使=1，=1。当脉冲被删除， 同时，高电平的恢复，新的状态触发看到G1 和G2两个门转动速度，所以称=0是不确的定状态，因此在以后的实际电路运用中要避免这种状态的出现23。 图3.3 74LS48引脚图 表3.3 74LS48真值表74LS48通常在逆变器的输出阶段，LED用于驱动。各引脚的名称：其中7、1、2、6，分别为A0、A1、A2、A3；5、4、3分别表示、；13、12、11、10、9、15、14分别表示a、b、c、d、e、f、g。其中还有两个引脚8、16分别是Vcc、GND。A0、A1、A2、A3为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g表示译码输出，而且只在高电平时输出有效。74LS48是七段译码器，即BCD码，主要用来启动共阴极LED（数码管）显示器。能能为CMOS电路即拥有BCD转变、消隐和锁存控制、七段译码以及驱动功能的电路提供巨大的拉电流。当然也可以直接驱动LED显示器。其中，BI/RBO是灭灯输入，BI为低电平时，全部字形熄灭。LT为试灯输入，用来检测译码器的本身好坏。RBI是一个动态的灭灯光输入，LT为高电平，RBI是低电平而且必须输入端都是低电平时，数码管才熄灭18。根据设计要求以及各芯片的功能，分析并整理得出基本的抢答电路如下图3.4： 图3.4 抢答电路图这个电路设计的工作原理是: 参与者的抢答按钮是左边的开关按钮，主持人的控制按钮为单刀双掷开关。在开始比赛抢答之前，主持人进行系统整体的清零工作，触发器的R端为低电平，输出都是低电平。这时，74LS48的BI为高电平，显示为熄灭。当译码器的ST是高电平时，它是处于工作状态的，这时锁存器停止工作。当主持人按下启动按钮后，编码器电路和锁存器电路一起处于运行状态，锁存器的1Q为低电平，这样就使得译码器的输入使能端也处于低电平。而该使能端是低电平有效，所以抢答器处于待机状态。这时，如果有参与者或队伍按下了抢答按钮，比如说，6号参与者或队伍按下按钮，则译码器输出001，锁存器2Q,3Q,4Q表示011，于是得到DCBA表示0110，继而显示出6号队伍的编号。而由74LS148的功能可知道，在其输入端有低电平的情况下，它的GS为低电平，于是1S处于低电平，1Q便处于高电平，从而使得译码器的EI处于高电平，这样译码器就处于停止工作的状态，这就保证了抢答的真实有效性。当抢答停止后，主持人按下清零开关，这样就能够举行下一个回合的抢答了1416。3.2 定时电路的设计在扩展电路中，定时电路一直扮演着重要的角色。而定时电路除了由555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192 减法计数电路、74LS48 译码电路构成，还包括 1个七段数码管及相关电路。在一个回合抢答中，主持人应该首先设置一个规定的时间，参与者必须在该时间段内做出抢答，否则抢答无效。其一般工作过程：当主持人按下开始抢答按钮后，开始进行倒计时，当时间结束时，就禁止其他参与者继续抢答。当有人开始抢答时，计时器停止，并显示出抢答的剩余时间。74LS192计数器主要是为了实现减法计数的功能，它通过74LS48译码电路将数字结果在数码管上显示出来，时钟产生电路则为它提供所需要的时钟信号。74LS192 的预置数控制端控制着预置数的实现，而秒脉冲电路则为计数器提供时钟脉冲。在主持人按下按钮之后，计数器就开始运行减法计数，同时通过共阴极七段数码显示管将时间显示出来，如果有参与者进行抢答时，计数器停止计数同时显示此时的倒计时时间；如果没有参与者进行抢答的话，并且倒计时时间结束，这时程序将输出低电平到时序控制电路，同时接下来如果其他参与者继续抢答，则宣布抢答无效13。因此在设计该电路的时候，考虑到74LS192计数器的功能，所以选用74LS192芯片进行减法计数设计，它的引脚图和逻辑图及真值表如下所示：图3.5 74LS192引脚图表3.4 74LS192真值表P0-3是并行置数输入端，Q0-3是计数数据输出端，CR是清零端，LD是置数端，CPu是加法计数CP输入,CPd是减法计数CP输入，CO是进位输出端，BO是借位输出端。根据该计数器的功能，我这里可用两片74LS192芯片构成30进制减法计数器（前提是假如规定抢答时间为30秒）。因为秒脉冲是实现减法计数功能不可或缺的重要部分，所以我们这里需要使用555多谐振荡器构成秒脉冲电路。 因为电路设计需要的是秒脉冲，所以震荡周期必须设为1s，这样它的频率就是1赫兹，通过正确的计算，得出所需要的电阻及电容的量值大小为R1=15k，R2=68k，C=10uf16。根据这些芯片和定时器的设计原理，可以整理设计得出如下图所示的定时电路图3.6 多谐振荡器 图3.7秒脉冲产生电流 图3.8 定时电路图该定时电路的工作原理是：首先，主持人可以通过改变计数器的预置数来设定抢答时间的长短，它所需要脉冲信号是由555所构成的秒脉冲电路提供的。抢答开始之前，主持人闭合开关，这时74LS192处于置数状态，数码管显示出设定的时间。抢答开始之后，主持人断开开关，这时，计数器开始工作，并处于减法计数的工作状态。如果在设定时间内无人应答，计数器就会一直减法计数直到零，计数器停止工作。当然，在规定时间内若有人抢答，则计数器停止减法计数，同时显示器显示的是抢答的剩余时间121516。3.3 时序逻辑控制电路设计时序逻辑控制电路作为整体电路其中的一部分，是其不可缺少的重要部分，它的主要功能是当主持人按下开始按钮后，抢答电路和定时电路必须进入工作状态。如果有人没有违规抢答，则抢答电路和定时电路必须立即停止工作。同理如果在规定时间内，没人抢答则电路停止工作，进入待机状态。在设计这个电路时，需要用到多种门电路来对各个不同的组成部分电路进行连接，从而完成这次电路的功能要求。下面是时序电路的设计图。图3.9 时序控制电路图 该时序逻辑控制电路的功能原理是：G1控制cp信号的有效与否，G2决定优先编码器的工作与否。抢答开始后，74LS279的1Q处于低电平状态，经过G3的反相得到高电平，这样cp信号就能够加到74LS192的CPd端，所以减法计数器便开始进行计数。直到计时时间终止之前74LS192的BO2处于低电平，G2的ST处于高电平状态，这样优先编码器便处于平时正常的工作状态。当某个参与者或队伍在规定时间内按下抢答按钮后，则74LS279的1Q处于高电平，反相后可以封锁cp信号，使得定时器处于保持工作状态。G2的ST处于低电平，使得优先编码器处于禁止工作状态。如果在规定时间内，没有参与者或队伍做出抢答，BO2、ST均为高电平，这样使得优先编码器同样处于禁止工作状态。因此，时序控制电路的设计可以满足电路所需要的功能要求1617。3.4 整体电路的设计最后就是将各个部分电路进行合理、正确的连接，得到电路的整体设计图。图3.10 整体电路图第四章 电路的仿真我这里使用的电路仿真软件是Proteus，它可以进行很多种仿真，数字模拟的仿真就包括在这其中。所以，经过考量，选择这一款软件对整个电路的设计进行仿真模拟。英国著名的Labcenter electronics公司研发的EDAprotues工具软件-Proteus软件。它不仅除了拥有其它EDA工具软件的仿真功能，还凌驾它们之上，连单片机及外围元器件的仿真都能做到。而且到目前为止最好的仿真单片机及外围器件的工具就是这个Proteus软件。虽然这个软件目前在我们国内推广刚刚起步，但很多单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者对它却是十分的钟爱。不得不说，Proteus是目前世界上著名的EDA工具软件(仿真软件)，从原理图绘制布线、元件代码调试到单片机与外围电路一同仿真，以及一键切换到PCB的设计，它实现了从虚拟概念到现实产品的整体设计这一质的跨越。到目前为止，Proteus是所有国家内唯一将PCB的设计软件、电路的仿真软件和虚拟的模型仿真软件三合一的设计平台，它的处理器模型支持很多处理器模型，比如说HC11、AVR、8051、ARM、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、8086和MSP430等。截止到2010年，它的处理器又包含了Cortex和DSP，与此同时它还在不断增加其他系列的处理器模型。而对于编译这一块，Keil、IAR与MATLAB等多种编译它也支持运行。丰富的资源优势器件：数字和模拟仿真、AC(直流)和DC(交流)等成千上万种元器件，元件库有30多个。设备：虚拟终端、逻辑分析仪、SPI调试器、示波器、I2C调试器、模式发生器、信号发生器、直流电流表、电压表。从理论上来看，相同类型的仪器能够在一个电路中任意的换用。图形：能够把线路上改变的信号，实时地用图形的形式展现出来，它的作用类似于示波器，然而功能却比示波器多了很多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都使仪器对测量结果的影响削弱了不少。调试：Proteus关于电路测试的测试信号对于其他软件是非常全面的。模拟信号和数字信号就包含在这些测试信号中。4.1 抢答电路的仿真假如在主持人按下开始按钮后由S2（即参与者2号或队伍）率先做出抢答，那么得到的仿真结果如下图4.1： 图4.1 抢答电路仿真图4.2 计时电路的仿真假如设置规定时间为30s，减法计数到还剩18s时，则仿真结果如下图4.2：图4.2计时电路仿真图4.3 整体电路的仿真假如规定时间为30s，S3(3号参与者或队伍)在剩余时间还有15s最先做出抢答，其仿真结果如下图4.3：图4.3 整体电路仿真图第五章 总结经过这次的智力比赛七路抢答器的课程设计，我不仅夯实了自己在数字电路方面的基础，而且也掌握了许多在课堂中、课本上没有学到的知识，提升了我的思考和解决问题的能力，让我受益匪浅。在这次的课程设计过程中，首先，关于设计中所使用的各个芯片在我们的数字电路实验室中都有过多次的接触，因此感觉并不陌生。而且在我们课后的题目要求中也曾经有所涉及到抢答器设计的一系列内容，所以在设计之前觉得应该会比较顺利。但是，在这次方案中关于电路的设计与课本中所涉及到的相关内容有一些不同，它要求的功能更多，因此整体电路的设计也更为复杂。其次，因为课本上的知识有点杂乱，没有归类，同时在平时课间也没有能够深入了解每个元件的功能和广泛的运用这么元件，再加上一般的考试内容来源于课本，扩展的内容有所限制，因此我在这次课程方案的设计过程中，利用这次机会，了解了很多元器件的功能，尤其在对于电路中个个元件的配合和使用有着更多更深刻的认识。接下来是整体电路的结构框图连接，举个例子来说，如何使倒计时在有参与者抢答时立即停止，如何做到同时能清零主体部分和扩展电路。最后就是针对仿真软件proteus的运用了。相对于其它仿真软件，proteus在现有水平中，算是目前世界中最好的仿真单片机及外围器件的工具，经过点拨之后，容易上手。在我看来，这的确是非常不错的仿真软件。但是，在这次的抢答器的课程设计中，我并没有机会深刻