智能竞赛抢答器分析

编号 课程设计说明书课程设计说明书 题 目 智力竞赛抢答器 院 系 信息与通信学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 学 号 指导教师 莫建文 2014 年 12 月 20 日 摘 要 随着电子技术的飞跃发展 人类社会逐渐步入了信息化时代 人们的生活 水平不断提高 对精神文明生活的要求也跟着提高 这对电子领域提出了跟更 高的要求 电子学是一门应用很广泛的科学技术 其发展非常迅速 要想学好这门技 术 首先是基础理论的系统学习 然后要进行技术训练 进而培养我们对理论 联系实际的能力 设计电路的能力 实际操作的能力 以及培养正确处理数据 分析和综合实验结果 检查和排除故障的能力 同时也可以加深我们对电子产 品的理解 关于这次设计的用于多人竞赛抢答的器件 在现实生活中很常见 尤其是 随着各种益智电视节目的不断发展 越来越多的竞赛抢答器被用在了其中 这 种抢答器的好处是不仅能够锻炼参赛选手的反应能力 而且能增加节目现场的 紧张 活跃气氛 让观众看得更有情趣 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 哪一位选手先做出抢答 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 D 触发器实现抢答 并通过简单的门电路和译码器把选手编号送到数码管显示器中进行显示 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 本次抢答器的设计还考虑了定时抢答功能和声光提示报警功能 使抢 答器更接近实际情况 更加智能化 本文主要介绍了抢答器的工作原理及设 计 以及在设计过程中出现的一些问题和解决方法 关键字 信息化 抢答 触发 译码 报警 智能 目 录 引言 1 1 功能介绍 1 1 1 主要功能介绍 1 1 2 扩展功能介绍 1 2 设计说明 1 3 主要元器件及其芯片介绍 2 3 1 主要元器件芯片图 2 3 2 计数器 74LS192 介绍 3 3 3 NE555 介绍 4 3 4 锁存器 74LS175 介绍 4 3 5 译码器 74LS47 介绍 4 4 设计思路 5 5 设计原理及过程 5 5 1 总体方案设计 6 5 2 单元模块设计 6 5 2 1 抢答器控制端设计 6 5 2 2 时钟发生信号 7 5 2 3 倒计时设计 8 5 2 4 控制电路和报警电路设计 9 6 智力竞赛抢答器仿真结果 10 7 PCB 图制作 11 8 抢答器实物 12 9 设计总结 13 10 致谢 14 11 参考文献 15 1 引言 本设计是根据实习要求进行智力竞赛抢答器的设计 首先根据设计要求画出 了抢答器的系统框图 然后分模块对抢答器进行原理图设计 并用 Multisim 软件 进行电路仿真 确定没有问题后再用 Altium Designer Winter 软件进行 PCB 电路 板的绘制 根据电路图对设计进行制作 焊接元件 最后进行调试测试 此设计 报告包括了电路的设计和制作 并提出了一些设计的改进想法 总结了自己的不 足 1 功能介绍 1 1 主要功能介绍 1 抢答器最多可供 4 名选手参赛 编号为 1 4 号 各队分别用一个按钮 分别为 S1 S2 S3 S4 来实现抢答 并设置一个系统清零和抢答控制开关 S5 限 时抢答开关 S6 由主持人控制 2 抢答器具有数据锁存功能 并将锁存数据用 LED 数码管显示出来 直到 主持人清零 3 开关 S5 作为清零及抢答控制开关 由主持人控制 当开关 S5 被按下 时允许抢答 当开关 S5 松开后则抢答电路清零 输入抢答信号由抢答按钮开关 S1 S2 S3 S4 实现 4 有抢答信号输入 开关 S1 S2 S3 S4 中的任意一个开关被按下 时 并显示出相对应的组别号码 此时再按其他任何一个抢答器开关均无效 数码管 显示器依旧 保持 第一个开关按下时所对应的状态不变 1 2 扩展功能介绍 1 抢答器具有定时抢答的功能 且一次抢答的时间为 30 秒 当节目主持 人启动 开始抢答 键 S6 后 要求定时器立即减计时 并用显示器显示 2 参加选手在设定的时间内抢答 抢答有效 定时器停止工作 显示器上 显示选手的编号 并保持到主持人将系统清零为止 3 如果定时抢答的时间已到 却没有选手抢答时 本次抢答无效 封锁输 入电路 禁止选手超时后抢答 时间显示器上显示 0 4 每次有选手抢答或主持人操作按键以及倒计时都有相应的声光提示 2 设计说明 如下图所示 为抢答器的逻辑框图 它主要由输入电路 锁存判断电路 声 光显示电路 计时电路和数码显示电路等组成 抢答时 当抢先者按下面前的按 2 钮时 输人电路立即输出一抢答信号 经判别电路后 输出响应信号去驱动声光 显示电路 声响电路和计时电路以及时钟的输入信号是由 555 多谐振荡电路产生 的脉冲信号来提供 抢答 按钮 锁存器译码显示 主持人控制 开关 控制电路报警电路 秒脉冲产生 电路 定时电路显示电路译码电路 图 2 1 数字抢答器系统框图 3 主要元器件及其芯片介绍 3 1 主要元器件芯片图 3 图 3 1 元器件芯片图 3 2 计数器 74LS192 介绍 74LS192 具有下述功能 74LS192 是双时钟方式的十进制可逆计数器 1 异步清零 CR 1 Q3Q2Q1Q0 0000 2 异步置数 CR 0 LD 0 Q3Q2Q1Q0 D3D2D1D0 3 保持 CR 0 LD 1 CPU CPD 1 Q3Q2Q1Q0 保持原态 4 加计数 CR 0 LD 1 CPU CP CPD 1 Q3Q2Q1Q0 按加法规律计数 5 减计数 CR 0 LD 1 CPU 1 CPD CP Q3Q2Q1Q0 按减法规律计数 注 CPU 为加计数时钟输入端 CPD 为减计数时钟输入端 LD 为预置输入控制端 异步预置 CR 为复位输入端 高电平有效 异步清除 CO 为进位输出 1001 状态后负脉冲输出 BO 为借位输出 0000 状态后负脉冲输出 表 3 1 74LS192 真值表 CR 清零LD 置数CPUCPD功能 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 复位 置数 保持 加法计数 减法计数 4 3 3 NE555 介绍 NE555 是属于 555 系列的计时 IC 的其中的一种型号 其主要特点如下 1 只需简单的电阻器 电容器 即可完成特定的振荡延时作用 其延时范 围极广 可由几微秒至几小时之久 2 它的操作电源范围极大 可与 TTL CMOS 等逻辑电路配合 也就是它的 输出电平及输入触发电平 均能与这些系列逻辑电路的高 低电平匹配 3 其输出端的供给电流大 可直接推动多种自动控制的负载 4 它的计时精确度高 温度稳定度佳 且价格便宜 3 4 锁存器 74LS175 介绍 74LS192 具有下述功能 74LS175 为四 D 触发器 1 CLP 时钟输入端 上升沿有效 2 CLR 清除端 低电平有效 3 1D 4D 数据输入端 4 1Q 4Q 数据输出端 5 1Q 4Q 数据互补输出端 表 3 2 74LS175 真值表 输入输出 DQ 1 O 1 0 0 1 注 CLR 为控制端 低电平有效 当为有效电平时锁存器停止工作 3 5 译码器 74LS47 介绍 74LS47 具有下述功能 74LS47 为七段数码管驱动器 1 LT 试灯输入 是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的 当 LT 0 时 无论输入 A3 A2 A1 A0 为何种状态 译码器输出均为低电平 也就是 七段将全亮 若驱动的数码管正常 是显示 8 2 BI 灭灯输入 是为控制多位数码显示的灭灯所设置的 当 BI 0 时 不 论 LT 和输入 A3 A2 A1 A0 为何种状态 译码器输出均为高电平 使共阳极 数码管熄灭 Q 5 3 RBI 灭零输入 它是为使不希望显示的 0 熄灭而设定的 当对每一位 A3 A2 A1 A0 0 时 本应显示 0 但是在 RBI 0 作用下 使译码器输出全为高电平 其结果和加入灭灯信号的结果一样 将 0 熄灭 4 RBO 灭零输出 它和灭灯输入 BI 共用一端 两者配合使用 可以实现多 位数码显示的灭零控制 表 3 3 74LS47 真值表 4 设计思路 接通电源后 主持人将开关拨到 清除 状态 抢答器处于禁止状态 主持 人将开关置于开始状态 宣布 开始 抢答器工作 选手可按相应按键进行抢答 定时器倒计时 选手在定时时间内抢答时 抢答器完成 优先判断 编号锁存 编号显示 扬声器和发光二极管提示 当一轮抢答之后 定时器停止 禁止二次 抢答 如果再次抢答必须由主持人再次操作 清除 和 开始 状态开关 5 设计原理及过程 5 1 总体方案设计 1 主持人有开始键和复位键 为同一个电键 按下开始键后才能开始抢 6 答 否则无效 2 用数码管显示 正常抢答后显示抢到的队号 同时扬声器和发光二极管 开始报警 3 如果 30 秒内没有抢答 则说明该题超时作废 4 复位键用于恢复超时状态 时间清零 抢答显示器也同时复位 5 2 单元模块设计 5 2 1 抢答器控制端设计 电路选用锁存器 74LS175 来完成 该电路主要完成两个功能 一是分辨出选 手按键的先后 并锁存优先抢答者的编号 同时译码显示电路显示编号 显示电 路采用七段数字数码显示管 二是禁止其他选手按键 其按键操作无效 工作过 程 开关自下而上 分别是 S1 S2 S3 S4 S5 S5 是控制清零端 当 S5 断开时 抢答模块 74LS175 的 CLR 端置 0 使整个模块处于禁止工作状态 当 S5 闭合时 抢答器处于等待工作状态 当有选手将抢答按键按下时 如按下 S4 输出经 74LS175 锁存器接到七段显示电路处于工作状态 4Q3Q2Q1Q 0100 经译码显示为 4 此外 CLK 0 使 74LS175 锁存器处于禁止状态 封锁其他按键的输入 确保不会出二次按键时输入信号 保证了抢答者的优先性 如有再次抢答需由主 持人将 S5 开关重新置 清零 然后才可能进行 图 5 1 抢答器电路仿真图 7 图 5 2 抢答器清零 5 2 2 时钟发生信号 时钟发生信号由 555 构成的多谢振荡电路来产生 电阻 R1 R2 和电容 C1 构 成定时电路 定时电容 C1 上的电压 UC 作为高触发端 TH 6 脚 和低触发端 TL 2 脚 的外触发电压 放电端 D 7 脚 接在 R1 和 R2 之间 电压控制端 K 5 脚 不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容 C2 0 01uF 直接复位端 R 4 脚 接高电平 使 NE555 处于非复位状态 多谐振荡器的振荡周期 T 和振荡频率 f 分别为 T Th Tl R1 2R2 C1 ln2 1 f 1 T 1 R1 2R2 C1 ln2 2 8 图 5 3 时钟信号发生电路 5 2 3 倒计时设计 由节目主持人对定时时间电路进行控制 闭合电键对计时器进行清零复位 打开电键开始倒计时 计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供 该部分主要由 555 定时器秒脉冲产生电路 十进制减法计数器 74LS192 和 1 个 7 段数码管即相关电 路组成 具体电路如图 3 所示 一块 74LS192 实现减法计数 显示到数码管上 其时钟信号由时钟产生电路提供 74LS192 的预置数控制端实现预置数 当有人抢 答时 停止计数 如果没有人抢答 且倒计时时间到时 输出低电平到时序控制 电路 之后选手抢答无效 第一片 74LS192 构成二进制减法计数器 当主持人关 闭电键时 置数端接地 因为置数端低电平有效 所以第一片 74LS192 芯片根据 输入端置为数 1 第二片 74LS192 芯片构成十进制计数器且通过借位输入端与第一 片相连接且随电键关闭置为数 0 至此完成清零复位功能 当主持人打开电键时 第二片通过借位端向第一片芯片借位 第一片 74LS192 芯片从 1 变为 0 第二片 74LS192 芯片完成十进制减法功能 从而实现 30 秒倒计时功能 555 定时器产生 秒脉冲 通过输出端上升沿脉冲与第一片 74LS192 芯片借位端相与之后的结果触 发第二片 74LS192 芯片 9 图 5 4 定时时间电路仿真图 复位 图 5 5 定时时间电路仿真图 开始计时 5 2 4 控制电路和报警电路设计 由 555 芯片构成多谐振荡电路 555 的输出信号控制时序 控制电路包括时 序和报警两个电路 如图 5 所示 控制电路需具有以下几个功能 当有人抢答成 10 功时或者限时抢答时间到时报警电路输入端为高电平 同时三极管处于放大状态 此时 555 芯片产生的秒脉冲通过三极管输入到喇叭和发光二级管中 从而达到报 警效果 其它情况时 三极管非正常工作 同时喇叭输入端接地 所以报警电路 停止工作 图 5 6 报警系统电路仿真图 6 智力竞赛抢答器仿真结果 按照总体电路图在仿真软件 Multisim 上一一选择芯片并进行连接 然后启动 开关观察 我们对设计出的电路进行 Multisim 仿真 我们将各部分电路在 Multisim 上连接好后 为各个电阻和电容选取适当值 为各个开关设置好适当的 键盘打开数值 然后打开开关 即可根据显示器上显示的数字来判断电路设计是 否成功 11 图 6 1 智力竞赛抢答器电路仿真图 7 PCB 图制作 图 7 1 智力竞赛抢答器 PCB 原理图 12 图 7 2 智力竞赛抢答器 PCB 图 8 抢答器实物 图 8 1 抢答器实物图 13 9 设计总结 本设计报告详细介绍了抢答器的设计原理 设计方案以及抢答器的功能 这 种抢答器主要是基于 74 系列集成芯片 成本较低 且基本能够满足抢答要求 但 是仍有很多不足之处需要改进 我的改进设想和建议如下 我设计的作品主要是用 74 系列集成芯片来完成的 在设计的过程中由于芯片 的引脚以及芯片数量过多 布线工作不是很方便 有时候会因为某一跟线没有连 接好 造成电路的不稳定 甚至无法得到正确的结果 这些都是有待改进的 我 的想法是根据单片机原理及相关知识对我的设计进行一些改进 利用 AT89C51 单片机及外围接口实现抢答系统 利用单片机的定时器 计数器 定时和记数的原理 将软 硬件有机地结合起来 使得系统能够正确地进行计时 同时使数码管能够正确地显示时间 利用单片机进行改进即使在设计完毕交给用 户使用后 对系统的功能改进或升级也只是通过改写程序来完成 极大地方便了 用户或设计者对电路的更新 经过这半个多月的努力 在老师和同学的帮助下终于彻底的做完了课程设计 的所有工作 通过这次的课程设计 我能运用已学的知识解决我在设计中遇到的 问题 使自己的动手能力和思考问题的能力得到了很大的提高 在做设计的过程 中我查阅了很多的资料 并认真的阅读这些与我的设计相关的资料 从而我的专 业涵养得到了提高 知识的储备量也有所增加 在这次设计中遇到了很多实际性的问题 在实际设计中才发现 书本上理论 性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的 所以有些问题不但要深入地理 解 而且要不断地更正以前的错误思维 电路设计是一个很灵活的东西 它反映 了你解决问题的逻辑思维和创新能力 这才是一个设计的灵魂所在 因此在整个 设计过程中大部分时间是用在单元电路的理解和设计上面 很多单元电路是可以 借鉴书本上的 但怎样衔接各个单元电路才是关键的问题所在 这次设计 让我受益匪浅 我对数字电路设计中的逻辑关系等有了更深的认识 温习了以前学的知识 就像人们常说的温故而知新 但在设计的过程中 遇到了 很多的问题 有一些知识都已经不太清楚了 但是通过查找一些资料又重新的温 习了一下数字电路部分的内容 通过这次设计我也发现自己的很多不足之处 在设计过程中我发现自己考虑 问题很不全面 以至于经过多次修改才得到最终的结果 所掌握的电路