课程设计数字智力竞赛抢答器的设计

1、接口技术课程设计报告数字智力竞赛抢答器的设计学 院：机械与电子工程学院年级专业：机电103班学 号：姓 名：指导教师：完成时间：2012年1月17日成 绩：中国 陕西 杨凌摘要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，尤其是在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。可见抢答器在现实生活中确实很实用，运用前景非常广泛。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

2、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。本文主要介绍了抢答器的工作原理及设计，以及它的实际用途。 这次设计的智力竞赛抢答器，主要是由三个部分构成：一个是由几个D触发器的构成的用于抢答的部分，一个是由几个JK触发器和7448构成用于倒计时，另外一部分则是由两个74190构成的一个可逆计数器，即计分器。关键词：抢答器 计分 倒计时目 录1 设计任务- 1 -1.1 设计目的和意义- 1 -1.2电路要求- 1 -2 系统设计- 1 -2.1 总体方案设计- 1 -2.2 方案论证及选择

3、- 3 -3.单元模块设计- 3 -3.1抢答器电路- 3 -3.2计时器电路- 6 -3.2.1 555定时器- 7 -3.2.2减法计数器- 8 -3.2.3 数字显示器- 9 -3.3 计分器电路- 9 -4.主要器件介绍- 10 -5.系统调试与仿真- 13 -6. 总结- 16 -6.1 本系统的优缺点- 16 -6.2 心得体会- 16 -参考文献- 16 -1 设计任务数字智力竞赛抢答器的设计1.1 设计目的和意义如今随着各种电视以及其他形式的益智比赛中，都会用到多方抢答器，但是依然存在很多问题，如不具有超时报警，或者不能清楚的显示是哪一方抢到答题机会等。本次数字智力竞赛抢答器的

4、设计旨在为诸如此类益智节目等场合使用，不但具有抢答功能，并且能够显示抢答方，且具有倒计时报警、计分等功能，集多种功能于一身，简便易懂，经试用希望达到市场推广效果。1.2电路要求自制稳压电源；抢答器可供四组使用，组别号可以锁存，抢答指示用发光二极管（LED）；记分部分独立（不受组别信号控制），至少用2位二组数码管指示，步进为10分，并且具有预置、递增功能；自动记分（受组别信号控制）：当主持人分别按步进得分键、递增键后能够将分值自动累计在某组记分器上；超时报警。2 系统设计2.1 总体方案设计以下设计的是智力抢答器的方案流程图：图2.1 方案一流程图抢答器主要是由四个三极管、和四个D触发器以及四个

5、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。显示分数选手抢答按键计分器主持人控制抢答控制器定时器倒

6、计时器声光提示显示时间图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

7、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。3.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

8、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 抢答器电路其工作原理如下：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。首先，对于三极管的工作原理，主要是巧妙的利用了它的基极和集电极的电压关系来使三极管截至或导通即利用了三极管的开关作用。晶体三极管的电流放大作用 晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极

9、电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将Ic/Ib的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。 晶体三极管的三种工作状态 截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。 饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化

10、，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。 其次，而D触发器的的构成原件见下图：图3.2 D触发器此D触发器又叫维持阻塞边沿触发器，该触发器有六个与非门组成，其中啊a 和b构成基本RS触发器下面分析其工作原理：Sd和Rd接至基本RS触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当Sd=0且Rd=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，=0,即触发器置一；当Sd=1且Rd=0时，触发器的状态为0，Sd和Rd通常又称为直接置1和置0端。工作过程如下：、CP=0时，与非门c和g 封锁，其输出c

11、=e=1，触发器的状态不变。同时，由于c至f和e至g的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，f=，g=D。、当CP由0变1时触发器翻转。这时c和e打开，它们的输出c和e的状态由f和g的输出状态决定。C= =D，e=。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。、触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。C和e打开后，它们的输出c和e的状态是互补的，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。e为0时，将c和g封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。维持阻塞D 触发器状态方程和状态真值表如下：表3

12、.1 D触发器真值表Sd RdCPD10×××001111000110101110111111通过对D触发器的解释，可以大致看出该抢答器的工作流程，其核心就是该D触发器。当主持人宣布开始抢答时，将开关S1断开，选手迅速按键，假设选手1首先按下抢答键，此时一号就输入一个相当于上升沿的脉冲使D1输出高电平同时将该高电平信号传送给或非门，通过或非门的判断将信号输送到其它选手的D触发器的R端并将其锁定使其无法输出信号。3.2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

13、译码器和数码管连接成的，用于显示时间，器构成图如下：图3.3 计时器电路图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>

14、;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VI1<2/3Vcc，VI2>1/3Vcc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。表3.2 555功能表输入输出阀值输入（VI1）R出发输入（VI2）S复位（Rd）输出（Vo ）放电管T××00导通<2/3Vcc

15、1<1/3Vcc011截止>2/3Vcc0>1/3Vcc110导通<2/3Vcc1>1/3Vcc11不变不变3.2.2减法计数器图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

16、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“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“1”，=1，三个触发器的状态均为“1”，计数器的输出为。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”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，计数器的输出为。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

17、态又翻转，由“0”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。表3.3 3位二进制减法计数器状态表输入CP脉冲序号计数器状态0000111121103101410050116010700180003.2.3 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，

18、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：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

19、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

20、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。4.主要器件介绍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。图4.1 NPN三极管三极管的三种工作状态：1当、三极管正向导通，此时工作在放大状态；2当、>/

21、时，三极管工作在保和区；3当、时，三极管工作在截止区。其中三极管的开关作用就是利用了它的2、3两点性质。 而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。图4.2 JK触发器管JK出触发器如图，功能有：主从JK触发器具有置位、复位、保持（记忆）和计数功能； 主从JK触发器属于脉冲触发方式，触发翻转只在时钟脉冲的负跳变沿发生； 不存在约束条件，但存在一次变化现象。 产生一次变化的原因是因为在CP=1期间，主触发器一直在接收数据，但主触发器在某些条件下（Q=0，CP=1期间J端出现正跳沿干扰或Q=1，CP=1期间K端出现

22、正跳沿干扰），不能完全随输入信号的变化而发生相应的变化，以至影响从触发器 状态与输入信号的不对应。此次用3个JK触发器主要是构成三位二进制倒计时器计数器，其中前一个JK触发器的Qn端接下一个JK触发器CP端。CLR接主持人控制端。图4.3 555定时器集成555定时器是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成电路,因集成电路内部含有3个5千欧电阻而得名,在控制、定时、检测、放声、报警等方面有着广泛的应用。而这次是将555够成一个多谐振荡器。图4.4 D触发器D触发器如图，其功能有： D触发器具有接收并记忆信号的功能，又称为锁存器。 D触发器属于脉冲触发方式。 D触发器不存在约束条件和

23、一次变化现象，抗干扰性能强，工作速度快。而这次正是利用了的以上功能来构成一个简单的抢答器。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。本系统所用的元器件清单如表1所示。表4.1 本系统所用的元器件元器件名称数量按钮开关J3单刀双掷开关5非门NOT2与门74S151与非门74S4

24、02七段译码显示器DCD_HEX_DIG_RED4发光二极管LED-RED4加法计数器741902译码器74LS1751555计时器1译码器74481JK触发器74LS732D触发器40131电源VCC导线若干5. 系统调试与仿真这次设计的抢答器电路图简单，很多芯片的逻辑功能也都很清楚所以在调试时可以前判断该电路会是怎样的结果，对于这个抢答器,它涉及的大多都是数字电路的问题.所需要调试的值并不多.首先将各个模块连接到一起后,注意检查各个部分是否连接正确, 还得仔细地看一下所用器件的型号是不是我们要的那种,在确保连接无误的情况下.那就能将整个电路进行防真了。按动各个按键，看看各管脚的电平变化是不

25、是正确的，同时观察各个集成器件的各个管脚的电平变化情况，以及数码显示器的显示是否正确.如有不正确的就将其逐个问题解决了再进行后面的调试，直到所有问题都解决了为止。当连接好所有电路后，我们小组几个人一起，让一个人当主持人，另外几个当选手进行试验。首先主持人断开控制开关，宣布抢答开始，当有选手抢答时,该选手的指示灯闪烁，并且扬声器也鸣叫提示其他选手停止抢答，但该选手回答玩主持人的问题后，主持人宣布他回答是否正确，正确或错误就用计分器相应给他加（减）分。另外也测试了当主持人合拢抢答开关时，看能否抢答。结果和预测的一样是不能抢答的。调试结果如下：（1） 抢答器电路的调试某组选手抢答后其他选手继续抢答效果：（2） 倒计时电路调试（3）计分器电路调试本次实验所用