数字课程设计五人智力抢答器.docx
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数字课程设计五人智力抢答器
EDA数字课程设计
题目五人智力抢答器
学院通信与电子工程学院
专业班级通信093
学生姓名张美玲
指导教师祁晓玉
2012年6月28日
摘要
随着科学技术的不断发展，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样。
抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。
但抢答器的使用频率较低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。
做为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展,因此设计了本抢答器。
智力竞赛是一种生动活泼、寓教于乐的活动形式，而抢答是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。
在进行智力竞赛时，往往都是几个组抢答问题，这就要求在时间上严格地区分先后。
若是仅凭主持人的主观判断，则很容易造成错判、误判。
为此，我们需要设计一种具备自动锁存、置位、清零等功能的智能抢答器来解决这些问题。
该电路就是为智力竞赛抢答所设计，具有反应迅速，精确无误，操作简单等特点。
电路主要由三部分组成：
数字抢答电路、时序控制电路以及报警电路。
其中数字抢答部分有一个74LS74触发器、74LS160计数器、74LS190和LED数码管显示器组成，可以将五位抢答者的按钮信号通过编码、锁存及译码后输出，驱动LED数码管显示出最先抢答者的编号。
而时序控制电路的功能是当参数选手按下抢答器时，使扬声器发出报警声。
关键字：
抢答编码锁存译码显示报警
Abstract
Alongwiththedevelopmentofscienceandtechnology,makepeoplelearnscience,technology,andknowledgetolearnthetechniquesofdiversity.Viestoanswerfirstdeviceasatool,hasbeenwidelyusedinallkindsofintelligenceandknowledgecompetitionsituation.Butviestoanswerfirsttheusefrequencyofdeviceisquitelow,andsomeeithermakingcomplicatedorlowreliability,reducetheinterest.Asaunitifonlypurchasedaviestoanswerfirstdeviceontheeconomycanwithstandthough,butthenumberoftimeseachyeartouseverylittle,oftenforlong-termstorage（electronicparts）viestoanswerfirstisdamaged,againthetroubleandtimelinesspurchasewouldaffectactivities,sothedesignofthisviestoanswerfirstdevice
Itisalivelycompetition,funactivitiesintheformof,andviestoanswerfirstisverycommoninthequizansweraway.Inintelligencecontest,oftenareseveralgroupviestoanswerfirstproblem,itisrequiredintimeintheregionhasstrictly.Ifonlywiththehostofthesubjectivejudgment,itisveryeasytocreatethefalselyaccused,misjudgment.Forthis,weneedtodesignakindofhavetobeautomaticlocktosave,buya,resetfunctionofintelligentviestoanswerfirstdevicetosolvetheseproblems.
Thiscircuitisdesignedforquizviestoanswerfirst,areactionrapid,accurateandcorrect,simpleoperation,etc.Themaincircuitofthreeparts:
thedigitalviestoanswerfirstcircuit,sequentialcontrolcircuitandalarmcircuit.Whichdigitalviestoanswerfirstpartshavea74LS74flip-flop,74LS160counter,74LS190andLEDdigitaldisplayoftube,canwillbefiveviestoanswerfirstthesignalthroughthebuttoncoding,locktosaveandafterdecodingoutput,driveLEDdigitaldisplayfirstviestoanswerfirstthetubeouttheNumbers.Andthesequentialcontrolcircuitfunctioniswhentheparametersaccordingtothenextplayerviestoanswerfirst,makethespeakersendsoutthealarmsound.
Keyword:
respondercodinglatchdoublekillgiveanalam
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1选题意义1
1.2设计思路及目标1
1.3设计要求1
1.4国内外研究现状2
1.5抢答器目前存在的主要问题2
第2章抢答器的概述3
2.1系统的主要功能3
2.2系统需求分析4
2.3抢答器的工作流程4
2.4抢答器的优点5
第3章抢答器的程序设计与仿真实现6
3.1程序结构6
3.2抢答电路的设计7
3.3倒计时电路的设计8
3.4声响电路的设计10
3.5总电路的设计10
第4章设计难点与解决方法及不足12
附录：
程序使用说明13
参考文献14
致谢15
第1章绪论
1.1选题意义
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。
本抢答器通过十分巧妙的设计仅用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。
本抢答器采用了数字显示器直接指示剩余时间，自动锁存显示结果的设计思想，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声响使效果更为生动。
1.2设计思路及目标
五个参赛者没人一个开关，主持人控制总开关，主持人制高电平后，系统进入准备工作，有人抢答时，相应的二极管发光，并且此时其他人按下按钮抢答不会有反应。
抢答完毕后主持人制低电平是复位归零，然后主持人再制高电平进入下一轮抢答，依次循环下去。
五路抢答器要具有主持人控制的功能，同时在抢答控制中将五个抢答输入端与D触发器的输入端相接，在高电平时钟信号的触发下实现最先抢答者优先通过，并在有人抢答后立刻屏蔽时钟信号，是较晚的时钟信号无效。
此时，喇叭鸣响2秒，表示有人抢答成功。
同时，倒计时电路启动，开始进行10秒回答倒计时，倒计时结束启动鸣响电路，使喇叭鸣响2秒，提示回答超时。
在回答过程中，一旦抢答者回答完毕主持人可以按动按键是倒计时结束，同时取消喇叭鸣响。
另外，主持人还具有在任意时间停止抢答的功能。
1.3设计要求
①五人参赛每人一个按钮，主持人一个按钮，按下就开始；
②每人一个发光二极管，抢中者灯亮；
③有人抢答时，喇叭响；
④答题时限为10秒钟，从有人抢答开始，用数码管倒计时间，0、9、8…1、0；倒计时到0的时候，喇叭发出两秒声响。
1.4国内外研究现状
抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作,可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块,而专用集成块的购买又很困难。
为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器，这种抢答器具有电路简单，元件普通,易于购买等优点,很好地解决了制作者制作困难和难于购买的问题。
在国内外已经开始了普遍的应用。
1.5抢答器目前存在的主要问题
随着改革开放事业的不断深入，促使人们学科学、学技术、学知识的手段多种多样，抢答器作为一种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。
但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，减少兴致。
作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使（电子器件的）抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。
但目前多数抢答器存在3个不足之处:
第一，现场线路连接复杂。
因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。
选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。
第二，电路复杂。
因为单片机只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。
采用单片机扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。
第三，选手抢按成功。
第2章抢答器的概述
2.1系统的主要功能
本系统是借用单片机采用模块化设计的智能抢答器，主控与参赛者设为终端分系统。
参赛者分系统设有：
抢答按纽、计时显示、提示功能等（根据需要可另设或多设相关功能）；主控分系统有：
开始与结束控制按钮、时限设定、各种相关显示调控功能等（根据需要也可另设或多设相关功能）。
参赛者系统，除享有抢答按纽的权利功能外[1]，还有人性化的提示功能和时间提示功能，也可设定由主控控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按钮做开始与结束控制，根据活动参赛者的层次，对提前抡答者的行为设定为非法或阻隔，若设有非法抢答控制功能时，在主控处带有公示性显示的非法抡答者的台位号，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时式，并有公示性显示。
图2-1系统主要功能模块
本系统采用模块化设计智能抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按钮。
主持人有开始和结束复位键。
在后台主持人可以修改，抢答时间和选手回答问题的时间设置，原始状态下抢答时间为15s，回答问题时间为10s。
通过加键和减键修改上述时间，改完后结束键确定。
新时间开始有效，主持人按键开始后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示。
如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的代号，扬声器持续发生。
主持人可按键结束，新一轮抢答开始。
系统的主要功能模块方框图如2-1所示。
抢答主板：
抢答主板是整个抢答器的核心，其关键是单片机AT89C51。
内部电路设计用汇编语言编写。
它完成了时间参数的设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢按及答题倒计时功能等。
显示及指示：
本设计中，有一个共阴的数码管组，四个数码管。
其中两个显示时间，一个空位，一个显示抢答号码。
主持人依次按下复位键（RESET），开始键后开始抢答。
可以抢按：
超时数码管显示“FFF”，当抢按超过规定时间或答题超过规定时间后数码管显“FFF”。
若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。
若在按开始键前抢答表示违规，数码管显示“FF”并显示选手号码。
2.2系统需求分析
1、在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。
2、抢答限定时间和回答问题的时间可是在1～99s设定。
3、可以显示是哪位选手有效抢答和无效抢答，正确按键后有音乐提示。
4、抢答时间和回答问题时间倒记时显示，时间完后系统自动复位。
5、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。
2.3抢答器的工作流程
抢答器的基本工作原理:
在抢答竞赛或呼叫时[2]，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。
在整个抢答器工作过程中，显示电路、语音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。
抢答器的工作流程分为、系统复位、正常流程、违例流程等几部分，如图2-2所示，下面分别予以介绍
图2-2抢答器工作流程
2.4抢答器的优点
在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。
如果在抢答中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。
利用本抢答器，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。
第3章抢答器的程序设计与仿真实现
3.1程序结构
根据系统功能要求，须设计有抢答电路、译码显示电路、主持人控制电路、定时电路、响铃电路，各个电路都有其自己的功能。
通过主持人控制按键，电路进入就绪状态，等待抢答。
按下五个按键，程序就会判断是谁先按下的，然后从五个发光二极管输出抢答功能，同时开始回答计时。
如果在设定的时间里没有完成问题的回答，一到时间，则产生报警信号表示已经超时。
当要进行下一次抢答时，有主持人先打开开关，再闭合，即可实现电路复位，进入下一次抢答的就绪状态。
根据系统的要求，可以得到系统的框图如下：
3.2抢答电路的设计
抢答电路采用D触发器7474作为核心芯片，由一片触发器组成矩形发生器，发出频率为10KHZ，最大幅度为6V的脉冲信号作为D触发器的时钟脉冲。
在D触发器的输入端，根据五个按键的状态决定D端得状态。
当有一个D触发器的输入端为高电平时，就在时钟信号的作用下将状态传递到Q端。
此时，与Q端相连接的发光二极管将Q端得状态显示出来。
同时与Q端相连接门电路根据五个Q端的状态判断是否对脉冲信号进行屏蔽。
即只要有一个Q端得状态是高电平，则通过组合逻辑使输入脉冲被禁止。
从而实现了在有人抢答的第一时间显示出抢答状态，并对当前状态进行保存，防止其他人的抢答对当前状态的影响。
另外，将主持人的开关与7474芯片的CLR端相连接，实现主持人对电路的可控性。
当CLR信号有效时，实现对电路的清零;当CLR信号无效时，即开关闭合时候，允许进行抢答。
根据设计原理，使用multisim绘制电路图如下：
使用multisim对上面的电路进行仿真，结果如下：
①按下主持人按键，在无人抢答的时候，发光二极管不发生任何变化；
②若主持人按键未按下，按动选手抢答开关，发光二极管状态不发生变化；
③当按下主持人按键后，再按选手抢答按键，则相应的发光二极管发光；
④当有一个选手抢中时，再按其他选手的按键，发光二极管组的状态不变，即实现了对最先抢答的判断；
⑤在二极管发光后，断开主持人开关，发光的二极管熄灭，即实现了主持人对抢答的重置和控制。
3.3倒计时电路的设计
为实现有人抢答后，系统开始10秒回答问题期限的倒计时，必须给出相应的倒计时电路。
其基本框图如下：
使用74LS190芯片的减一计数功能来实现时间的递减计数，并通过一个七段数码管来显示芯片的输出状态。
为使显示数字在计数结束后停止继续计数，应该在计数结束后对74LS190的输出进行锁存。
使用两片74LS160芯片，实现当两片74LS160组成的计数电路计数到达10时，即74LS190倒数计数达到0时，对74LS190的输入时钟信号进行屏蔽，从而使74LS190芯片不再进行倒数计数。
具体方法如下：
①当两片74LS160组成的计数器计数达到10时，通过门电路生成置数信号接至74LS160芯片的置数端，使74LS160的下一状态仍为10，即实现了到达10时对电路状态的保存。
②当两片74LS160组成的计数器计数达到10时，将信号以高电平的形式接到74LS190的CTEN端，使计数停止。
由于当到达10是计数电路保存10的状态，故实现了抢答开始10秒后倒计时停止的功能。
74LS160功能真值表：
输 入
输 出
CLK
ENP
ENT
Q
×
×
0
×
×
置零
↑
0
1
×
×
预置数据
↑
1
1
1
1
计数
×
1
1
0
×
保持
×
1
1
×
0
保持
使用multisim绘制倒计时电路原理图如下：
当仿真开始时，7段译码管依次显示0、9、8、7、6、5、4、3、2、1、0并停止计数，可见，本电路很好的实现了既定的功能。
3.4声响电路的设计
为了使抢答者和主持人能够知道抢答成功或者抢答超时，故应该有一个声响电路来提示当前的状态。
本设计在有人抢答成功和回答超时的时候都会发出2秒的声响。
为了实现本功能，系统使用一片74LS160计数芯片，当计数值达到2时对输出进行锁存，并通过门电路，使74LS160芯片输出的二进制数为0000和0001时接通喇叭，发出长为2秒的声响。
当2秒时间过去后，输出端状态保持为0010，门电路此时给喇叭的信号为低电平，便实现了鸣响的结束。
使用multisim绘制声响电路原理图如下：
当仿真开始时，七段数码管显示为0，同时替代喇叭进行仿真的灯泡发光，随后显示1，然后显示2，并在显示2的同时熄灭灯泡。
可见，本电路很好的实现了控制声响（灯泡发光）的作用。
3.5总电路的设计
将上面设计的各个模块相互连接起来，组成总电路，方法如下：
①只有在有人抢答成功时候才启动倒计时电路，故将有人抢答成功的信号通过一个与门与1HZ的时钟信号作与运算后接到74LS190的CLK端，即实现在有人抢答成功后，才允许CLK信号输入74LS190芯片。
②由于鸣响电路也是在有人抢答成功才启动，故其CLK端采用与74LS190芯片相同的接法。
③对于74LS190芯片，由于在期接通和完成一个以10为周期的计数后，都会在RCO端给出一个低电平脉冲。
为完成鸣响的目标，将RCO端接至鸣响电路的74LS160芯片的CLR端。
即每当有低电平脉冲发来（有人抢答成功和倒计时结束）便将计数器置零，使其重新计数，从而实现了2秒的鸣响。
在multisim环境下仿真总电路如下：
第4章设计难点与解决方法及不足
设计难点：
设计抢答电路时主持人开关的控制问题？
解决方法：
将主持人的开关与7474芯片的CLR端相连接，实现主持人对电路的可控性。
当CLR信号有效时，实现对电路的清零;当CLR信号无效时，即开关闭合时候，允许进行抢答。
不足：
智力竞赛抢答器在抢答过程中，主持人在选手同时抢答时，不能中断选手的抢答，以至于竞赛抢答器不是很完美。
附录：
程序使用说明
为了使用者能够获得正确的程序运行结果，防止未按设计者要求输入，导致程序退出，现在说明内容如下：
（1）程序运行环境：
计算机，multisim.10软件
（2）文件组成说明：
文件由三个模块电路和一个总电路组成。
（3）实验器材：
74LS190、74LS160、7474、触发器、门电路、数码管、发光二极管、开关、电阻、蜂鸣器、灯泡等。
（4）操作说明：
运行multisim程序，打开总电路设计图，运行电路，实现电路的仿真。
系统功能以上已介绍，此处不再赘述。
参考文献
【1】阎石.数字电子技术基础.第五版.北京：
高等教育出版社，2006
【2】高仁景.数字电子技术基·础与设计.大连：
大连理工大学出版社，2004
【3】21IC中国电子网.www.21IC.com
【4】杨晓辉、张彤、姜俊海.智能抢答器的设计与制作.长春大学学报,2000年06期
【5】杨刚、龙海燕等.现代电子技术.电子工业出版社,2004
致谢
通过一个多星期的课程设计，我们掌握了书本以外的电子技术知识，进一步了解有关集成电路的功能和使用方法。
熟悉数字电路系统的计算机仿真设计方法及调试技术，培养了专心致志的工作学习习惯，懂得了相互之间的理解与体谅，可谓获益匪浅。
该五路智力竞赛抢答器具有电路简单、成本低廉、操作方便等优点。
取得了这样的收益，和在这段期间内帮助我的老师和同学是分不开的。
你们不仅在技术上指导我，让我学会了很多以前没有接触到的知识和技术。
而且还在精神上鼓励我，告诉我，不要因为一点点挫折，就放弃，要坚信自己会成功，持之以恒。
教会我一个道理就是：
世上无难事，只怕有心。
通过这次课程设计，我获益匪浅。
同时也为毕业设计打下了一个良好的基础。
最后。
由衷感谢帮助过我的老师和同学。
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