智力竞赛抢答器课程设计分析

智力竞赛抢答器智力竞赛抢答器 姓姓 名 名 李兵权 专专 业 业 自动化 学学号号 310708020412 班班级级 07 级四班 指指 导导 老老师师 谢东垒 1 智力竞赛抢答器智力竞赛抢答器 内容摘要 当今的社会竞争日益激烈 选拔人才 评选优胜 知识竞赛之类的活动愈加频繁 那 么也就必然离不开抢答器 而现在的抢答器有着数字化 智能化的方向发展 这就必然提 高了抢答器的成本 鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多 操作简单 经济实用的小型抢 答器必将大有市场 本抢答器通过十分巧妙的设计仅用两块数字芯片便实现了数显抢答的 功能 与其他抢答器电路相比较有分辨时间极短 结构清晰 成本低 制作方便等优点 并且还有防作弊功能 因此 我们制作了这款简易四路抢答器屏弃了成本高 体积大 而 且操作复杂 我们采用了数字显示器直接指示 自动锁存显示结果 并自动复位的设计思 想 因而本抢答器具有显示直观 不需要人干预的特点 而且在显示时抢答器会发出叮咚 声使效果更为生动 工厂 学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛 抢答记分器是必要 设备 在知识竞赛中 特别是做抢答题时 在抢答过程中 为了知道哪一组或哪一位选手先 答题 必须要有一个系统来完成这个任务 如果在抢答中 只靠人的视觉是很难判断出哪 组先答题 这次设计就是用几个触发器以及三极管巧妙的设计抢答器 使以上问题得以解 决 即使两组的抢答时间相差几微秒 也可分辨出哪组优先答题 关键字 知识竞赛 抢答器 数字显示器 触发器 2 第一章 设计的任务与设计原理 3 1 1 任务要求 3 1 2 实验原理 3 第二章 方案论证与选择 4 2 1 方案比较 4 2 2 方案论证及选择 5 第三章 单元模块设计 6 3 1 抢答器电路 6 3 2 计时器电路 7 3 2 1 555 定时器 8 3 2 2 减法计数器 9 3 2 3 数字显示器 10 3 3 计分器电路 11 第四章 元器件的选择 12 第五章 心得体会 13 参考文献 14 附录15 3 第一章 第一章 设计的任务与设计原理设计的任务与设计原理 1 1 任务要求任务要求 1 四组参赛者在进行抢答是 当抢先者按下面前的按钮时 抢答器能准时地判断出抢先者 并以声光为标志 要求声响 光亮时间为 9 秒后自动熄灭 2 抢答器应具有互锁功能 某组抢答后能自动封锁其他各组进行抢答 3 抢答器应具有限时功能 限时档次分别为 30 秒 60 秒 90 秒 时间到时应发出声响 同时 时间数据要用数码管显示出来 4 抢答者犯规或违章时 应自动发出警告信号 以提示灯光闪为标志 5 系统应具有一个总复位开关 1 2 实验原理实验原理 本课程设计的核心为抢答模块 其有四个触发器组成 抢答模块的主要功能是互锁 不论 是抢答还是犯规 一旦一个选手先按下开关 其触发器首先触发 并且这个触发器的输出 将其它三个触发器 CP 脉冲输入屏蔽掉 从而达到互锁的目的 4 第二章 方案论证与选择第二章 方案论证与选择 2 1 方案比较 方案比较 以下设计的是智力抢答器的方案流程图 秒脉冲计时控制 显示 抢答控制器 声光提示 倒计时显示 主持人控制 计分器 图 2 1 方案一流程 抢答器主要是由四个三极管 和四个 D 触发器以及四个或非门构成 其中三极管是与 主持人一起配合使用 用来控制是否开始抢答 当主持人将开关接地时 三极管截至 此 时三极管可以当作一个二极管使用当有选手抢答时就通过三极管将信号传送给 D 触发器 D 触发器在将信号传送给或非门并将其他选手锁存 同时将信号送给发光二极管与喇叭 其工作原理是当主持人按下抢答开关时 选手能进行抢答 当有选手抢 时 抢答信号就通过三极管传入 D 触发器 并且最先收到抢答信息的 D 触发器送出一个反 馈信号将其余三位选手的信号封锁 当选手回答完毕问题时 主持人启动计分器 并且给 该选手加上或减去分数 计分器通过译码器将信号传送给一数码管显示出来 主持人控制 抢答控制器 计分器 显示分数 倒计时器定时器 选手抢答按 键 5 图 2 2 方案二流程图 方案二的抢答器则主要是由四个 RS 触发器 一个 74LS48 以及一个优先编码器 74LS148 构 成 其中四个 RS 触发器的输出接 74LS48 74LS48 在接数码管 R 端接 5V 电源其如图 RS QQ RSRS Q RS Q 5v 主持人 10k R 图 2 3 RS 触发器 S 端接 74LS48 连接选手的输入信号 当主持人将开关接通时 RS 触发器的 R 端为低电 平 输出端也全部为低电 选手不能抢答 当断开时 RS 触发器处于工作状态中 当有选 手抢答时 信号输入 S 端 并且锁定其他选手 2 2 方案论证及选择方案论证及选择 通过以上两种方案的比较可知 方案一的设计是每当有选手抢答成功时 都会有声光 伴随 而且是具体到每一位 给人直观的感觉 方案二的设计则是用一个数码显示器显示 抢答成功者的号码 与第一个相比显得不能让人一下就反映过来谁是抢答成功者 另外方 案一更加的简洁 易行 而且使用到的元器件也都是我们所常用到的一些元件比如 555 74LS148 以及开关 二极管 电容 电的电路与方案二比较显得更简单 明了 这样就是就选择第一种方案 显示时间声光提示 6 第三章 第三章 单元模块设计单元模块设计 此部分主要是详细介绍该智力抢答器各个组成模块 以及各模块的器件组成以及相应 的功能 此智力竞赛抢答器由三部分组成 抢答器 计时器以及计分器 下面就依次介绍 各组成部分的设计方法 功能等 3 1 抢答器电路抢答器电路 这个抢答器设计成可供四个人抢答使用 它的组成器件有 四个三极管 四个 D 触 发器 74LS74 四个或非门以及用于起提示作用的发光二极管和扬声器 电路图如下 图 3 1 抢答器 其工作原理如下 Q0 Q1 Q2 Q3 Res2 Res2 Res2 Res2 个个1 个个2 个个3 个个4 S R D4 S R D2 S R D3 S R D1 VCC VCC S1 个个个 Q Q Q Q L1 Speaker L2 Speaker L3 Speaker L4 Speaker D LED1 D LED2 D LED3 D LED4 Res2 Res2 NOR4N1S NOR4N1S NOR4N1S NOR4N1S 图 3 1 抢答器 7 当主持人将开关拨至接通状态时 这样三极管处于截至状态 使选手无法抢答 整个 抢答器处于被锁定状态 当主持人将开关断开时 三极管的集电极接高电平 这样三极管 处于导通状态 当选手有抢答信号输入时可以通过三极管将信号传送给 D 触发器 而 D 触 发器的作用则是判断选手的信号 并锁住其他选手的信号传入 3 2 计时器电路计时器电路 设计的该计时器主要是由三个部分组成 一个是 555 定时器用来提供脉冲 一个是由 3 个 JK 触发器构成的减法计数器 最后一个组成部分是有 CD4511 译码器和数码管连接成的 用于显示时间 器构成图如下 C J QN CLR K Q U J K0 C J QN CLR K Q U J K1 C J QN CLR K Q U J K2 S 5V 0 01uF 0 6K 2 4K RESETVCC GND 1 TRIG 2 OUT 3 4 CVOLT 5 THOLD 6 DISCHG 7 8 U1 555 1K NOR3S A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 0 1K 1K 1K 1K 1K 1K 1K A 7 B 1 C 2 D 6 LE 5 BI 4 LT 3 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 VDD 16 GND 8 U HCC4511BF LS Speaker 图 3 3 计时器电路图 8 下面分别介绍各个部分的组成器件以及功能 3 2 1 555 定时器定时器 555 定时器内部结构的简化原理图如下 它由 3 个阻值为 5k 的电阻组成的分压器 两 个电压比较器 C1 和 C2 基本 RS 触发器 放电 BJT 以及缓冲器 G 组成 定时器的主要功能取决于比较器的输出控制 RS 触发器和放电 BJT T 的状态 图中 Rd 为复位输入端 当 Rd 为低电平时 不管其他输入端的状态如何 输出 Vo 为低电平 因此 在正常工作时 应将其接高电平 图 3 4 555 结构原理图 由图可知 当 5 脚悬空时 比较器 C1 和 C2 的比较电压分别为 2 3Vcc 和 1 3Vcc 当 VI1 2 3Vcc VI2 1 3Vcc 时 比较器 C1 输出低电平 比较器 C2 输出高电平 基本 RS 触发器被置 0 放电三极管 T 导通 输出端 Vo 为低电平 当 VI1 2 3Vcc VI2 1 3Vcc 时 比较器 C1 输出高电平 比较器 C2 输出输出低电平 基本 RS 触发器被置 1 放电三极管截止 输出端 Vo 为高电平 当 VI11 3Vcc 时 基本 RS 触发器 R 1 S 1 触发器状态不变 电路以 保持原状态不变 3 2 2 减法计数器减法计数器 9 C J QN CLR K Q F0 C J QN CLR K Q F1 C J QN CLR K Q F2 Q2Q1Q0 图 3 5 JK 倒计时器电路图 倒计时器的核心由该减法计数器构成 而该减法计数器则是由三个 JK 触发器构成的异 步二进制减法计数器 其中 J K 端都是悬空 相当于 J 1 K 1 该减法计数器是将前 一个触发器的端与下一个触发器的 CP 端相连 计数器的工作过程分为两步 第一步 计数器复位清零 在工作前应先对计数器进行复位清零 在复位控制端送一个负脉冲到各触发器 Rd 端 触发器状态都变为 0 即 Q1Q2Q3 000 第二步 计数器开始计数 当第一个时钟脉冲的下降沿到触发器 Fo 的 CP 端是 触发器 Fo 开始工作 由于 J K 1 JK 触发器的功能是翻转 触发器 Fo 的状态有 0 变为 1 即 Q0 1 由 Q0 1 变为 0 这相当于一个脉冲的下降沿 它送到触发器 F1 的状态有 0 变为 1 即 1 由 1 变为 0 它送到触发器 F2 的 CP 端 触发器 F2 的状态有 0 变为 Q1Q1 1 1 三个触发器的状态均为 1 计数器的输出为 Q2 111 012 QQQ 当第二个时钟脉冲的下降沿到触发器 Fo 的 CP 端时 触发器 Fo 状态翻转 由 1 Q0 变为 0 则由 0 变为 1 触发器 F1 的状态不变 触发器 F2 的状态也不变 计 Q0 数器的输出为 110 012 QQQ 当第三个时钟脉冲下降沿到触发器 Fo 的 CP 端时 FO 触发器状态又翻转 由 0 Q0 变为 1 则由 1 变为 0 相当于脉冲的下降沿 它送到 F1 的 CP 端 触发器 Q0 F1 状态翻转 由 1 变为 0 由 0 变为 1 触发器 F2 的状态不变 计数器 Q1Q1 的输出为 101 同样道理 当第四 第七脉冲到来时 计数器的依次变为 100 011 010 001 QQQ 012 10 表 3 3 3 位二进制减法计数器状态表 计数器状态输入 CP 脉冲序号 Q2Q1Q0 0000 1111 2110 3101 4100 5011 6010 7001 8000 3 2 3 数字显示器数字显示器 此部分由 CC4511 译码器以及共阴极数码管组成 并且 JK 触发器的输出另接一个与非 门 与非门再接一个发光二极管 用于提示作用 当第一个脉冲到来时 JK 触发器输出 111 数码管上此时显示为 7 再来一个脉冲 JK 触发器又输出为 110 此时显示 6 依此类推 当 JK 触发器输出为 000 时 此时与 JK 触发器的输出端相连的与非门输出则变为 1 使得扬声器发出声响提示选手抢答时间到了 不应再抢答 同时主持人断开倒计时器的开关停止计时 3 3 计分器电路计分器电路 计分器是用来记录先手的得分情况 因此计分器在竞赛中也显得比较重要 下面就就 介绍该积分器的电路结构以及工作原理 该计数器由两个 SN74190 和一个 D 触发器构成 其图如下 11 2 3 1 个个 个个 5V 1K P1 1 Q1 2 Q0 3 EN 4 U D 5 Q2 6 Q3 7 GND 8 P3 9 P2 10 LD 11 TC 12 RCO 13 CLK 14 P0 15 VCC 16 U1 SN74190N P1 1 Q1 2 Q0 3 EN 4 U D 5 Q2 6 Q3 7 GND 8 P3 9 P2 10 LD 11 TC 12 RCO 13 CLK 14 P0 15 VCC 16 U2 SN74190N 个个个个 SW PB U AND2S 个个个个个个 个个个个 个个个个 C DQ U FDD 个个 个个 个个个个 图 3 6 计分器电路图 其中 74190 是一个加减计数器 其由控制端 5 管脚控制 当 5 端口输入为高电平时 工作状态为一个减法器 当 5 端口接低电平时 工作状态为加法器 D 触发器主要是使个 位显示 0 由于在开始抢答时 每位选手显示分数为 100 因此百位的 74190 置数为 1 十 位置数为 0 其工作流程如下 假如开始抢答 当有选手答题正确时 主持人将开关拨到加分端并按下脉冲开关时 U2 接收一个脉冲 因为 U2 的预置端置数为 0 即 Q1Q2Q3Q4 0000 此时输出变为 Q1Q2Q3Q4 0001 即相当与给选手加上十分 当该选手再次答题正确时 主持人又按下脉冲 开关送出一个脉冲 U2 接收到一个脉冲 输出又变为 Q1Q2Q3Q4 0010 即又给选手加上十分 即显示为 120 依此类推 当第十个脉冲到来时 U2 的输出端 Q1Q2Q3Q4 输出 1010 同时与 Q0Q2 相连的与门将 接收一个低电平信号输入到管脚 11 使置数从新变为 0 开始计数即输出又从零开始 与此同 时进位端 13 脚将产生一个进位脉冲 输入给 U1 中 此时 U1 的输出端将输出 0010 即使 百位的数码管显示为 2 此时该选手的得分即为 200 减法的工作方式和加法相似 这里就不再说了 12 第四章 第四章 元器件的选择元器件的选择 在这次设计的用于竞赛的抢答器 电路图时很简单 组成器件应该说都是数电和模电 中很常见的 关于模电中用到的器件主要是三极管 发光二极管以及电容等 在模电中主要学习了 三极管的放大功能和开关作用 而在这次设计的电路中 主要是运用了三极管的开关作用 这次主要用到的器件都是来自数电中 比如 触发器 逻辑门 译码器 数码管以及 555 定时器等 而在使用中各个器件也不是独立工作 综上所述可知在本次设计的电路中 RS 边沿 D 触发器有四个 其作用是用来锁存非 最先抢答者的抢答信号 而三个 JK 触发器则是构成了一个减法计数器且和 555 定时器一起 使用 形成一个倒计时器 555 是为 JK 触发器定时提供提够脉冲 使 JK 触发器工作 4511 译码器将 JK 触发器输出的信号转换成能够在数码管上显示的有效信号 还有就是 74190 可逆计数器 主要是用来计算选手得分情况 13 第五章 第五章 心得体会心得体会 在这次电子技术课程设计中 让我受益匪浅 1 首先是对数字电子计数课程的一次巩固和提高 让我提高自主思考问题的兴趣和能 力 比如在做数字显示电子钟的过程中需要用到一些课本上没有学到的芯片级元件 这就 需要我自己去图书馆借书查阅或是上网搜索 然后再分析其作用 功能 接线等 2 然后在作图的过程中也让我掌握了对 Visio 软件的使用 以前作图是 CAD 或是 Protel 这次又认识了一种作图的挺好用的工具 在一切分析工作做完后 在做一个标准的报告排版时 感觉自己对 word 文档的使用又更加 熟练了 让我对一个 word 长文档排版掌握了一些必要的技巧 总之 这次电子技术课程设计是一个让我增长知识和经验的难得机会 在过程中我学 会了很多 14 参考文献参考文献 1 康光华 电子技术基础数字部分 高等教育出版社 2003 年 3 月 2 康光华 电子技术基础模拟部分 高等教育出版社 2003 年 4 月 3 刘建成 电子线路试验教程 北京气象出版社 2004 年 1 月 4 蔡杏山 零起步轻松学数字电路 人民邮电出版社 2006 年 6 月 5 王彩君 杨睿 数字电路实验 国防工业出版社 2006 年 7 月 6 王建新 姜萍 电子线路实践教程 科学出版社 2003 年 9 月 7 顾德仁 万栋义 脉冲与数字电路 高等教育出版社 1985 年 7 月 8 刘建成 电子线路试验教程 北京气象出版社 2004 年 1 月 9 韩克 电子技能与 EDA 技术 广州暨南大学出版社 2004 年 4 月 10 李银华 电子线路设计指导 北京航空航天大学出版社 2005 年 6 月 15 附录附录 智力竞赛抢答器总原理图 Q0 Q1 Q2 Q3 Res2 Res2 Res2 Res2 个个1 个个2 个个3 个个4 S R D4 S R D2 S R D3 S R D1 VCC VCC S1 个个个 Q Q Q Q L1 Speaker L2 Speaker L3 Speaker L4 Speaker D LED1 D LED2 D LED3 D LED4 Res2 Res2 NOR4N1S NOR4N1S NOR4N1S NOR4N1S C J QN CLR K Q U J K0 C J QN CLR K Q U J K1 C J QN CLR K Q U J K2 S 5V 0 01uF 0 6K 2 4K RESETVCC GND 1 TRIG 2 OUT 3 4 CVOLT 5 THOLD 6 DISCHG 7 8 U1 555 1K NOR3S 0 1K LS Speaker 2 3 1 个个 个个 P1 1 Q1