智力竞赛抢答器.docx
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智力竞赛抢答器
智力竞赛抢答器
一、设计目的和指标2
1、设计目的2
2、设计任务与要求2
1）设计任务2
2）设计要求2
二、抢答器设计方案3
1、设计方案3
2、系统框图3
三、单元电路设计及元器件选择4
1、抢答电路4
2、定时电路6
3、报警电路8
4、彩灯指示电路9
5、时序控制电路10
6、元器件列表11
四、4路抢答器总电路图（见附页）11
五、心得体会12
六、参考文献12
一、设计目的和指标
1、设计目的
1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。
2、培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。
3、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
4、培养学生在电力电子技术领域的工程设计能力。
5、掌握四人智力竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。
6熟悉数字集成电路的设计和使用方法。
7、设计简单抢答器，功能齐全，连线简单。
同时加深对单片机的认识和理解，加强自己的动手能力。
2、设计任务与要求
1）设计任务
设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。
用数字显示抢答倒计时间，由“30\60\90”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器发出声响。
选手抢答时，以声、光作为标志，要求蜂鸣器声响，身前的标志灯亮9秒后自动熄灭，倒计时停止。
2）设计要求
（1）4名选手编号为：
1，2，3，4。
各有一个抢答按钮，身前各有红、黄两个标志灯，并且共有一个蜂鸣器。
（2）给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零、倒计时数据的预置和抢答的开始。
（3）抢答器具有数据锁存和显示的功能。
抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在同时身前的红灯标志灯连续闪亮9秒，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。
该状态一直保持到主持人将系统清零为止。
（4）抢答器具有定时（30\60\90秒）抢答的功能。
当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，声响提示。
参赛选手在设定时间（30\60\90秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，声响提示，同时定时器停止倒计时，身前的红色标志灯显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
（5）如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。
系统扬声器报警（声响提示），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示00。
若提前抢答，应以身前的黄色标志灯闪亮作为警告提示。
（6）可用石英晶体振荡器或者555定时器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。
二、抢答器设计方案
1、设计方案
抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。
即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用身前的彩灯把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用LED数码管把选手的所剩抢答时间显示出来。
而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。
抢答时间可设定（00～30\60\90秒），报警响声。
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，编号标志灯熄灭，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。
定时器倒计时，扬声器给出声响提示。
选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：
优先判断、编号锁存、标志彩灯显示、扬声器提示。
当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。
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。
2、系统框图
电路主要由脉冲产生电路、锁存电路、编码及译码显示电路、倒计时电路和音响产生电路组成。
当有选手抢答时，首先锁存，阻止其他选手抢答，然后使红色的标志灯亮9秒同时产生音响。
主持人宣布开始抢答时，倒计时电路启动由30\60\90计到00，如有选手抢答，倒计时停止。
当主持人宣布开始后，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行到记时，并通过译码器在显示器中显示。
报警电路给出声音提示。
当选手首先按某一开关键时，可通过编码器进行编码成二进制，触发锁存电路被触发，并在锁存器中锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。
然后通过单稳态触发器定时9秒使身前的红色标志灯闪亮，并控制蜂鸣器声响作为提示。
最后在LED显示器中显示出剩余的时间。
若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。
若在主持人宣布开始前，有人提前抢答，能准确的分辨出选手的编号，并且使他们身前的黄色的警告标志灯闪亮。
三、单元电路设计及元器件选择
1、抢答电路
智力竞赛抢答器是一种具有优先输出的电子电路。
其方案很多，但主要应包括抢答器主体电路，各组抢答后的指示电路及音响电路等。
利用四个负边沿JK触发器组成四组抢答逻辑电路，开关S1～S4分别为四组抢答器按键，S0是裁判控制、复位键，用以控制能否开始抢答及抢答后的复位。
JK触发器的翻转则由各组抢答时自行控制，但本组抢答后，其JK触发器翻转的输出信号能够封闭住其他各组再也不能抢答，即其他各组失去触发翻转的条件。
图1的四个JK触发器和G1与非门就能满足这样的条件。
图中各触发器的J、K端悬空，所以其CP端来一个脉冲下降沿，触发器就翻转一次。
各触发器的R置0端统一由裁判用按钮开关S0来控制。
抢答前，按一下S0，各触发器被置0，它们的Q输出端为1，使与非门G1输出为0，各组处于等待抢答状态。
各触发器的CP输入端平时是通过一个电阻R由+5V电源引入高电平的。
当本组抢答时，如A组抢答，按下其抢答按钮开关S1，将G1输出的低电平引入FF1的CP端，使其获得一个脉冲下降而被触发翻转，其Q输出端变为0，使G1输出为1。
这样一来，其他各组即失去使触发器翻转的抢答条件，满足抢答器主体电路的要求。
JK触发器工作原理
1.CP=0时，触发器处于一个稳态。
CP为0时，G3、G4被封锁，不论J、K为何种状态，Q3、Q4均为1，另一方面,G12、G22也被CP封锁,因而由与或非门组成的触发器处于一个稳定状态，使输出Q、Q状态不变。
2.CP由0变1时，触发器不翻转，为接收输入信号作准备。
设触发器原状态为Q=0，Q=1。
当CP由0变1时，有两个信号通道影响触发器的输出状态，一个是G12和G22打开，直接影响触发器的输出，另一个是G4和G3打开，再经G13和G23影响触发器的状态。
前一个通道只经一级与门，而后一个通道则要经一级与非门和一级与门，显然CP的跳变经前者影响输出比经后者要快得多。
在CP由0变1时，G22的输出首先由0变1，这时无论G23为何种状态（即无论J、K为何状态），都使Q仍为0。
由于Q同时连接G12和G13的输入端，因此它们的输出均为0，使G11的输出Q=1，触发器的状态不变。
CP由0变1后，打开G3和G4，为接收输入信号J、K作好准备。
3.CP由1变0时触发器翻转
设输入信号J=1、K=0，则Q3=0、Q4=1，G13和G23的输出均为0。
当CP下降沿到来时,G22的输出由1变0,则有Q=1，使G13输出为1，Q=0，触发器翻转。
虽然CP变0后，G3、G4、G12和G22封锁，Q3=Q4=1，但由于与非门的延迟时间比与门长（在制造工艺上予以保证）,因此Q3和Q4这一新状态的稳定是在触发器翻转之后。
由此可知,该触发器在CP下降沿触发翻转，CP一旦到0电平，则将触发器封锁，处于
（1）所分析的情况。
总之，该触发器在CP下降沿前接受信息，在下降沿触发翻转，在下降沿后触发器被封锁。
2、定时电路
节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，如图。
计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供555。
每来一个脉冲信号进行减计数一次。
可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计。
可预置时间的定时电路
控制开关接11端，11端是74LS192的控制端，高电平时74LS192开始倒计时，脉冲由4端控制，低电平时74LS192不工作，不受外界的影响。
施密特触发器发出1秒的时间脉冲，把这当做是74LS192的控制脉冲，也就是说11端为高电平的时候，该倒计时以1秒的时间间隔依次减1。
74LS192介绍
图中：
为置数端，
为加计数端，
为减计数端，
为非同步进位输出端，
为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，
为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
其功能表如下：
输入
输出
MR
P3
P2
P1
P0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
×
×
×
×
减计数
74LS48真值表
3、报警电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图四所示。
其中555构成多谐振荡器，振荡频率，其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
本电路的音响告知电路，是利用555和电阻、电容、电源组成一个受控555多谐振荡器。
当各组处于等待抢答时，抢答器的输出端的信号为低，此时不工作，扬声器不发声。
当A、B、C、D四组中有任何一组抢答时，如A组抢答，则输出高电平，多谐振荡器开始工作，产生的秒脉冲信号，加到二极管的基极上，使扬声器发出声响。
4、彩灯指示电路
灯光指示电路要求醒目，本电路用三极管驱动6.3V小灯泡来实现。
JK触发器的Q输出端去控制三极管3AX81。
在各触发器等待触发时，它们的Q端均为1，各三极管均截止，指示灯不亮；当有一组抢答如A组抢答时，FF1的Q输出端为低电平，V1三极管导通，H1燃亮。
其他各组灯光指示电路与此相同。
红色的彩灯作为选手抢答顺序前后的指示灯，其中添加了一个周期为9秒的单稳态触发电路，即选手抢答胜出的标志灯时长9秒。
单稳态触发器：
1.单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。
2.在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。
3.由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。
电路组成
如图6-7所示，其中R、C为单稳态触发器的定时元件，它们的连接点Vc与定时器的阀值输入端（6脚）及输出端Vo'（7脚）相连。
单稳态触发器输出脉冲宽度tpo=1.1RC。
Ri、Ci构成输入回路的微分环节，用以使输入信号Vi的负脉冲宽度tpi限制在允许的范围内，一般tpi>5RiCi，通过微分环节，可使Vi'的尖脉冲宽度小于单稳态触发器的输出脉冲宽度tpo。
若输入信号的负脉冲宽度tpi本来就小于tpo，则微分环节可省略。
定时器复位输入端（4脚）接高电平，控制输入端Vm通过0.01uF接地，定时器输出端Vo（3脚）作为单稳态触发器的单稳信号输出端。
2.工作原理
当输入Vi保持高电平时，Ci相当于断开。
输入Vi'由于Ri的存在而为高电平Vcc。
此时，①若定时器原始状态为0，则集电极输出（7脚）导通接地，使电容C放电、Vc=0，即输入6脚的信号低于2/3Vcc，此时定时器维持0不变。
②若定时器原始状态为1，则集电极输出（7脚）对地断开，Vcc经R向C充电，使Vc电位升高，待Vc值高于2/3Vcc时，定时器翻转为0态。
结论：
单稳态触发器正常工作时，若未加输入负脉冲，即Vi保持高电平，则单稳态触发器的输出Vo一定是低电平。
5、时序控制电路
时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：
（1）主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。
（2）当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。
（3）当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
门的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门的作用是控制74LS148的输人使能端。
工作原理是：
主持人控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，74LS279的输出1Q=0，经反相，A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的时钟输入端，定时电路进行递减计时。
同时，在定时时间未到时，则“定时到信号”为1，门的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能
（1）的要求。
当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1，经反相，A＝0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门的输出，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能
（2）的要求。
当定时时间到时，则“定时到信号”为0，，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。
同时，门处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持0状态不变，从而实现功能（3）的要求。
集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间。
6、元器件列表
表1
序号
器件名称
数量
备注
1
JK触发器
4
控制触发
2
74LS192
2
同步减法计数器
3
555定时器
6
连接成多谐振荡与秒时钟脉冲
4
74LS22
3
与非门
5
74LS04
5
非门
6
74LS08
2
与门
7
74LS48
2
译码器
8
74LS121
1
单稳态振荡器
9
开关按纽S
5
10
扬声器
1
11
BCD七段显示器
2
共阴极
12
三极管
8
3DG12
13
电容
12
14
电阻
20
15
发光彩灯
8
红、黄
四、4路抢答器总电路图（见附页）
五、心得体会
抢答器课程设计是数字电子课程设计中最经典的一个，对我们熟悉书中的知识并应用到实际中很有帮助。
抢答部分是我自己设计的，有点简单，但理论上是完全可以实现。
蜂鸣器也有类似的题目。
减法计数器让我学到了很多这方面的知识。
书到用时方恨少。
也查到了很多这方面的设计，真好啊。
我只能用这点有限的知识认真的完成课设。
两周的课程设计使我们将课堂上的理论知识有了进步的了解，并增强了对数字电子技术这门课程的兴趣。
了解了更多电子元件的工作原理，如：
74LS121、74LS48等。
但同时也暴露出我在知识上掌握不足等缺点。
其次在此次设计过程中由于我们频繁的使用一些电子绘图软件并且查阅了很多资料，因此也使我在电脑绘图操作上有了进一步提高。
所以在以后的学习生活中我会改正不足，努力学习培养自己独立思考的能力，从而更加适应社会。
六、参考文献
[1]夏路易石宗义,电路原理图与电路板设计教程
[2]赵淑范王宪伟,电子技术实验与课程设计
[3]刘修文,使用电子电路设计制作300例
[4]高吉祥，电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社
[5]吕思忠，数子电路实验与课程设计.哈尔滨工业大学出版社
[6]郑家龙，《集成电子技术基础教程》北京：
高等教育出版社
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