智能抢答器课程设计

课程设计任务书学生姓名：叶枫专业班级：通信zy1201指导教师：李雪冬工作单位：信息工程学院题目:智能抢答器的设计与实现初始条件：本设计既可以选用集成电路：74LSl48，74LS279，74LS48，74LSl92，NE555，74LS00，74LSl21和其它器件等，实现八路定时抢答功能；又可以使用单片机系统构建多路数字定时抢答器。要求用蜂鸣器和光电二极管作声光报警器件，工作电源Vcc为+5V。要求完成的主要任务:〔包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求〕1、课程设计工作量：1周。2、技术要求：1〕可同时供8名选手〔或代表队〕参赛，其编号分别是0到7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应；给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯)和抢答的开始。2〕抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，假设有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其它选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。3〕抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定(如30秒)。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即进行减计时，并用显示器进行显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5秒左右。4〕参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。5〕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，系统进行短暂的报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示00。3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作标准》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图标准。时间安排：1、2013年3月18日，布置课设具体实施方案与课程设计报告格式的要求说明。2、2013年5月1日至2013年5月8日，方案选择和电路设计。3、2013年6月1日至2013年6月31日，电路调试和设计说明书撰写。4、2013年7月5日，上交课程设计成果及报告，同时进行辩论。指导教师签名：年月日系主任〔或责任教师〕签名：年月日目录摘要3Abstract41设计原理及方案51.1总体工作原理51.2总体框架图52方案设计62.1方案一62.2方案二72.3方案三72.3方案比照73各模块设计及原理说明83.1抢答器电路设计83.2倒计时电路设计93.3报警电路设计104总电路原理说明115.仿真135.1抢答电路135.2倒计时电路156.结果分析177.心得体会188.主要元器件引脚图及清单198.1主要元器件引脚图198.2元器件清单21参考文献22摘要当今社会，越来越多的活动是通过提问和强大的形式进行的，那么也就必然离不开抢答器。因此抢答器是机关学校、电视台等单位开展智力竞赛活动必不可少的设备，通过抢答者的按键、数码显示等能准确、公正、直观地判断出优先抢答者。此次课程设计正是设计一个8位数字抢答器，使之能够实现包括抢答在内的一系列功能。本设计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，由数字电路以及外围电路组成，分为八路抢答；在抢答同时附有声音输出接口，提示主持人此时已完成这次的抢答。不仅如此，为了方便不同场合的智力竞赛活动，为需要定时答题者提供可调计时器，无需人工参与。与其他抢答器电路相比拟有分辨时间极短、结构清晰、本钱低、易操作、制作方便等优点。关键词：抢答器，锁存器，有限编码器，数字电子电路AbstractToday'ssociety,moreandmoreactivitiesareconductedthroughtheformofquestionsandpowerful,thenitcannotbeseparatedResponder.ThereforeResponderisofficesandschools,televisionstationsandotherunitstocarryoutactivitiesessentialequipmentquizbyResponder'skeypad,digitaldisplayaccurate,fairandvisuallydetermineprioritiesanswerthose.

Thecoursedesignisdesignan8-bitdigitalansweringdevice,sothatitcanbeachieved,includingResponderincludingaseriesoffunctions.Thisdesignusesadirectdigitaldisplayindicator,automaticlatchingdisplaytheresults,andautomaticallyresetsthedesignidea,bythedigitalcircuitandtheexternalcircuit,dividedintoeightResponder;Responderbeaccompaniedbythesoundoutputintheinterface,suggestingthathostthistimecompletethisanswer.Moreover,inordertofacilitatedifferentoccasionsquizactivitiesforthosewhoneedtoregularlyanswerprovidesanadjustabletimer,withouthumanintervention.Respondercircuitwithotherdistinguishedcomparedwithaveryshorttime,aclearstructure,lowcost,easytooperate,andeasytoproduce.

Keywords:Responder,latches,limitedencoders,digitalelectroniccircuits设计原理及方案1.1总体工作原理〔1〕数字抢答器由主体电路与扩张电路组成。优先编码电路,锁存器,译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出:用控制电路和主持人的开关启动报警电路,以上两局部组成主体电路.通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能,构成扩展电路.经过布线,焊接,调试等工作后数字抢答器成型。〔2〕抢答器四周有安装孔,可以方便的安装在操作台上,外接抢答按钮接入相应的接线端子,如果需要外接电铃或指示灯,那么接入继电器端子,安装完毕后就可以上电了,抢答器的电流输入为5V直流输入。〔3〕抢答器通上电后,蜂鸣器响,三个数码管都显示0,按下复位按钮后进入正常工作状态,这时可以设定抢答倒计时间,只要按动10进制编码按钮分别对时间的十位和个位设定,设定的时间在数码管上实时的显示出来。设定的时间范围为:0~30秒,设定完时间后,就可以按动开始按钮,表示抢答开始,这时蜂鸣器响0.5秒,提示各位选手,抢答已经开始,同时倒计时器开始从设定的时间进行倒计时。〔4〕假设在抢答时间内有人抢答,那么第三个数码管立即显示抢答位号,倒计时间停止倒计时,所用掉的时间就是抢答的时间,同时蜂鸣器响2秒,继电器吸合2秒,表示有人抢答,在这个按键之后按下的按键除了复位键外,其他按键均无效,只有主持人按下复位键后,可以进入下一轮抢答。〔5〕假设在抢答时间内均无人抢答,那么在倒计时器计数到0的时候,第三个数码管显示0,表示无人抢答,蜂鸣器响2秒,这时除了复位键外,其他键均无效,只有主持人按下复位键后,可以进入下一轮抢答。1.2总体框架图设计总体框架如下列图所示抢答输入抢答输入控制输入输入信号处理显示输出图1.2方案设计2.1方案一方案一主要基于数字电子技术。=1\*GB2⑴由主体电路和扩展电路两局部组成。主体电路完成根本的抢答功能，即开始抢答后，中选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答，扩展电路完成定时抢答的功能。(2)定时抢答器的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“消除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时器倒计时，当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。中选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；扬声器发出短暂的声响，提醒节目主持人注意；控制电路要对输入编码电路进行封锁，防止其他选手再次进行抢答；控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统消零为止，中选手将问题答复完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。方案一设计框架图如下所示。抢答输入抢答输入优先编码器译码电路译码显示控制开关控制电路报警电路脉冲发生电路定时电路译码电路显示电路图2.12.2方案二方案二主要也是基于数字电子技术。此核心元件是一个8D锁存器74HC573实现抢答与锁存功能。它的8个输入分别由限流电阻接到抢答按钮处由选手控制。主持人控制清零复位按钮。74HC573的8个输入接到8输入与非门与非后的结果再与电阻R9与非后接到74HC573的所存允许控制端LE端。如此一来，在主持人按下清零按钮后，只要有一个选手按下抢答按钮，那么经过一系列与非LE就跳变高电平，使得74HC573处于锁存状态。那么其他选手再按抢答按钮就无效了。同时74HC573的8个输出接到编码器的输入端，编码后再由译码器译码后由七段共阴数码管显示出来。为了使译码后数码管能显示数字，该电路将译码器的D端输入接74HC573的锁存控制输入端，数字被锁存时，该端为低电平，数码管为正常显示数字；允许数据输入时，74HC573的11脚为高电平，经过译码后数码管不显示。音频电路可以用二极管的开关特性来控制。2.3方案三方案三主要基于单片机技术。当主持人宣布抢答开始的时候，按下开始按钮，此时电路进入抢答状态，选手的输入采用了扫描式的输入，之后把相应的信息送往单片机，再由单片机输出到显示输出电路中。此时有人第一按下相应的抢答按钮，经过单片机的控制选择，在八段显示器上显示相应的号码，并锁存，同时禁止其他按钮的输入。本方案对于C语言以及单片机技术有一定要求，需要进行软件设计。2.3方案比照基于以上三种方案做以简要分析，第一，二种方案电路较为复杂，但无需进行软件设计，直接进行线路的连接就可以运行。第二种方案电路较为简单，需要进行复杂的软件设计，并需要进行很长时间调试，费工费时。并且第二种方案需要相当的单片机技巧和知识，而我们尚未开设单片机课程。而在第一二种方案中，由于方案一所需要的芯片更多，能够了解更多的芯片，对锻炼自己的能力有更大的帮助。综合上述考虑，决定选择第一种方案。各模块设计及原理说明3.1抢答器电路设计抢答电路的功能：锁存先抢答的选手的编号，提供应译码显示电路，同时使后抢答的选手的操作无效化。选用优先编码器74LS148和RS锁存器,74LS138,74LS279可完成上述功能。译码电路选用74LS48芯片。工作原理：开关S置于"去除"端时，RS触发器的R、S端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的优先编码工作标志端＝0，使之处于工作状态。当开关S置于"开始"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S5〕，74LS148的输出经RS锁存后，CTR=1,RBO=1,七段显示电路74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR＝1，使74LS148优先编码工作标志端＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为CTR＝1，使优先编码工作标志端＝1，5所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“去除”然后再进行下一轮抢答。原理图如下。图3.1抢答模块原理图3.2倒计时电路设计倒计时电路局部主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。工作原理：抢答开始前主持人闭合开关，74LS192的置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。抢答开始，主持人翻开开关，计数器处于计数状态，555产生的秒脉冲与十位74LS192借位输出端〔其初始状态为高电平〕相与。计数器递减计数至00，十位74LS192借位输出端为低电平，计数器停止工作，产生报警。计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。该倒计时显示电路由两个74LS192及两个译码器及七段显示器构成,高位片置数1,低位片置数5,down端接555输出的脉冲,从而实现30秒倒计时。工作原理图如下所示：图3.2倒计时原理图3.3报警电路设计由555定时器和三极管构成的报警电路。555定时器构成多谐振荡器，振荡频率f=1.43/(R1+2R2)C。其输出信号经三极管推动扬声器，PR为高电平时多谐振荡器工作，否那么振荡器停振。控制输入信号为经过编码的抢答选手的信号，当有人在有效时间内抢答时，定时时间到时无人抢答时，输入信号为高电平，报警电路发出报警信号；反之，输入信号为低电平时，报警器不工作。警报电路原理图如下所示：图3.3报警电路原理图总电路原理说明经过以上分析，我们将各局部电路连接，并加以适当控制，即得到了八位定时抢答器的总体电路图。如图4.1所示：图4.1总原理图其工作原理是：八位选手编号分别为0、1、2、3、4、5、6、7，对应按钮分别为S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7；首先主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的D、C、B、A四个管脚的上下电平来进行〔例如要设定时间为30s,就将十位的192的D、C、B、A分别置位为0、0、１、１，而将各位的192的D、C、B、A都置于0〕。当主持人宣布开始的时候，即开关S置于"开始"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S5〕，74LS148的输出经RS锁存后，CTR=1,RBO=1,七段显示电路74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR＝1，使74LS148优先编码工作标志端＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为CTR＝1，使优先编码工作标志端＝1，5所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“去除”然后再进行下一轮抢答。74LS192的预置数控制端实现预置数30s，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；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，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。5.仿真5.1抢答电路第2路抢答器抢答后的显示，同时发光二极管指示灯发光，如下列图：图5.1抢答器仿真CTR端的示波器波形：如图，拨动开关后，CTR上跳，有人抢答时，CTR下跳图5.2CTR端仿真曲线5.2倒计时电路倒计时开始后开始计数，同时倒计时指示灯亮直到倒数到0秒熄灭，如下列图：图5.3倒计时电路仿真在BO1和BO2端放置示波器，波形如图：计时器个位减到0时，BO1出现一个下跳；计时器十位减到0时，BO2出现一个下跳。图5.4BO1端仿真曲线图5.5BO2端仿真曲线6.结果分析仿真图搭好之后，按照预定的要求进行仿真操作，每次都只有一个信号能抢答成功，并且其余的功能能够正常实现，抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以人为设定。以上结果说明，此次课设完成了预期的目标，得到了正确的结果。7.心得体会这次课程设计，消耗了大量时间和精力，翻阅了大量书籍资料，终于得以完成，尽管过程有些艰辛，但最终视线里目的，得到了想要的结果，并且学到了很多课本之外的东西，同时也加强了我的动手、思考和解决问题的能力，总而言之是受益匪浅。从这次的课设过程中，我深深地认识到，从前的学习过程过于浮浅，只是流于外表的理解，而现在要做课程设计，就不得不要求我对所用到的知识有更深层次的理解。因为课程设计的内容比及书本中的理论知识而言，更接近于现实生活，而理论到实践的转化往往是一个艰难的过程。而这次课程设计要求充分的把我所学的知识用到实践中，并且使我初步掌握了电路设计的根本方法。我们要先设计总体框架，然后把框架进行分解、分析。我们只有把每个小模块都设计好了才能设计成大电路。在搭接电路时更应该如此，我们搭完每个小模块时就要开始对它进行调试，调试成功以后再把模块一个一个连接起来并且每接入一个模块就要进行调试。起初画电路的时候遇到了很多困难，第一次接触multisim软件，在网上阅读大量其操作方法，并小试牛刀的做了级张图。我深感此软件的强大，同时又发现它比EWB更加灵活，适用。这不得不说是一次不小的收获。同时，在连线的过程中也极大地考验了我的耐心和细心，几次连错图都弄的我心烦意乱，不过最终坚持了下来还是得到了不小的锻炼，对于心性的磨练也起了不小作用。经过一个星期的努力，我顺利把电路做出来了。虽然整个过程很艰苦，从刚开始的激情到压抑再到痛苦，但是最终我得到的是喜悦。有时候理论明明