智力竞赛抢答器课程设计.docx
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智力竞赛抢答器课程设计
智力竞赛抢答器
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
第一章：
设计的任务与设计原理
1.1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
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。
第二章：
方案论证与选择
2.1方案比较：
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
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
计分器
显示分数
选手抢答按键
抢答控制器
倒计时器
定时器
显示时间
声光提示
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2.3RS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。
方案二的设计则是用一个数码显示器显示抢答成功者的，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。
第三章：
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：
图3.1抢答器
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
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：
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：
3.2.1555定时器
555定时器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BJTT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3.4555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。
3.2.2减法计数器
图3.5JK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“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、、001。
表3.33位二进制减法计数器状态表
输入CP
脉冲序号
计数器状态
0
0
0
0
1
1
1
1
2
1
1
0
3
1
0
1
4
1
0
0
5
0
1
1
6
0
1
0
7
0
0
1
8
0
0
0
3.2.3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，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。
第四章：
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。
第五章：
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。
【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]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/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]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技术暨南大学出版社2004年4月
[10]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
附录
智力竞赛抢答器总原理图：
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