多路智力抢答器正文.docx
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多路智力抢答器正文
1前言
1.1序言
数字电路产品在生活中有着极其广泛的应用，包括计算机、数字通信、智能仪器仪表、自动控制与航天等领域中。
这些给人们生活，工作等方面带来了极大的方便。
数字电路设备实现简单，速度和可靠性好。
抢答器广泛用于电视台,商业机构与学校,为竞赛增添了刺激性,娱乐性,在一定程度上丰富了人们的业余生活.。
本文所要设计的多路智力竞赛抢答器设计，正是在要求竞赛智能化的背景下，为了满足人们对竞赛要求而设计的。
由于本次设计的主要目的在于加深对电子技术的了解，故没有采用单片机之类低成本元器件，而是较多的选择了常用数字芯片和门电路等元器件。
1.2目前抢答的概况
随着社会的发展，人们对智力竞赛的计分、报警提示、抢答与显示的要求已不满足于现状，人们希望抢答设备向自动化、人性化、高科技化发展，希望在竞赛中给人公平、公正、公开的竞争环境。
人们希望将先进的科学技术与抢答设备相结合，使其能更好的为我们服务。
在我国，竞赛检测设备的智能化已处于快速发展阶段，各种抢答设备正在不断完善的过程中，我们需要更好的学好电子技术课程，设计出更好的方案以满足社会的需要。
鉴于竞赛的环境，我们的设计更加全面，更加的人性化，同时保证竞赛的公正性。
1.3未来抢答设备的展望
各种比赛抢答设备的智能化、人性化已经成为未来的发展方向，我们可以期待它为我们的生活带来更方便的一面。
如今，人民生活已从温饱型向小康转变，人们在生活的质量上有了更高的要求，特别是在和各种比赛环境的公平公正上有了更多的关注。
作为竞赛主持人和参赛选手的工具，智力抢答设备将成为必备的设备取代现阶段所用的人主观判断现状，这也能提高比赛的公正性，从某种程度上来说，为创建和谐社会带来了一定帮助。
1.4论文主要工作概述
针对竞赛环境的现状，可见抢答设备的自动化、人性化、智能化是竞赛设备今后的改进方向。
本课题要设计的多路智力抢答器，是针对竞赛主办方对参赛选手的规则要求、参赛选手对竞赛的实时互动以与观众对选手得分的关注这些要求，依托于电子技术而建立起来的，和现如今判断选手优先权的现状相比，它具有智能显示、人性化提示和抢答公正的优点。
本文所要介绍的多路智力抢答器，是由矩形波产生电路、抢答电路、数字显示选手编号电路、抢答提示报警电路和选手计分显示电路组成的。
本设计实现的功能是当竞赛开始后，主持人按下准备按钮，各选手计分板上显示预置分数300分，待主持人念完比赛题目按下开始按钮后，倒计时电路开始从预置的30S开始倒计时，参赛选手在规定的抢答时间进行抢答，当有人抢答时，蜂鸣器报警提示，并在选手编号显示器上显示参赛选手编号，倒计时停止。
若在规定时间无人抢答，LED灯亮，蜂鸣器报警提示，本次抢答结束。
主持人根据选手回答情况，通过一组“加分按钮”“减分按钮”对回答问题选手进行相应的加分减分，并由三位数码管显示选手得分。
本课题容属于硬件电路的设计与应用方面，实现过程包括总体方案的提出比较与选择、电路原理设计、元器件（芯片）选择、元器件（芯片）参数计算。
2总体方案设计
2.1方案比较
方案一：
本方案使用的是数字编译码集成电路模块，可显示抢答选手的编号0，1，2...6,但无法显示7，可实现选手得分的加减与显示。
此系统所选编码器为74LS148，以实现抢答信号的编码。
控制电路在接收到主持人信号后控制计分显示电路与集成锁存电路，集成锁存电路在控制电路与抢答按钮的共同作用下显示抢答选手编号。
系统总体构成包括主持人控制部分、控制电路、计分显示电路、抢答按钮、集成锁存电路与编码显示电路源部分共六个模块，系统组成框图如图2.1所示。
图2.1多路智力抢答器组成框图
方案二：
本方案利用数字方式实现抢答信号的获取和处理。
可显示抢答选手的编号1，2,3...8，实现选手得分加减与显示、倒计时时间显示以与报警提示。
控制电路接受主持人所发出的抢答开始信号后，与抢答信号与倒计时电路信号一起控制锁存电路，进而控制编码显示电路显示选手抢答信息。
此外，一秒脉冲产生电路控制倒计时电路以实现倒计时功能，并实现数字显示，当计时满预置时间实现报警提示，此后抢答无效。
系统组成框图如图2.2所示。
图2.2多路智力抢答器设计框图
2.2方案论证
方案一：
该系统是利用数字编译码集成电路模块。
当主持人按下开始抢答按钮后，锁存电路与编码电路控制计分电路和抢答信号显示电路。
锁存电路选用57HC573编码电路采用74LS148编码器，当选手按下自己所对的抢答按钮，抢答信号经由57HC573锁存器传与74LS148编码器，通过译码电路显示选手编号，主持人再通过选手回答问题情况进行相应的加分减分。
该电路设计简单，能实现选手的优先编码，但显示选手编号从0开始，且当7号选手按下抢答按钮，编码器输出无效，无法显示该选手编号。
方案二：
本方案利用数字方式实现抢答信号的获取和处理。
主持人按下贮备按钮，数码管上显示各位选手的预制分数。
主持人念完题后，按下开始按钮，通过由两输入的或门和异或门组成的控制电路，进而控制锁存电路，从而达到控制计分电路和编码电路的目的，最终通过数码管显示抢答选手编号和该选手所得分数。
同时在主持人按下开始按钮后，通过一秒脉冲产生电路产生周期为一秒的矩形波，进入倒计时电路，当计时满预设值时，通过由74121组成的报警电路提示抢答时间已到，并控制锁存器使得此后的抢答无效。
在规定时间若有人抢答，锁存电路和编码电路显示抢答选手编号，主持人根据选手回答问题情况，用一组按钮对选手得分进行加减，该计分电路中，每组选手用两片74LS190来实现。
本组抢答完毕后，主持人重新按下开始按钮方可进行下一轮抢答。
该电路功能多样，数码管显示选手得分与抢答选手编号使得比赛更加公开、公正；有人抢答或是抢答时间已到时所发出的报警信号提示使得比赛设备更加人性化。
2.3方案选择
上述两个方案最大的区别就是，方案一采用的是74LS148作为编码器，但该编码器实现编码功能时不能实现对8号选手的编码，而且编码数字为0-6，与设计要求的显示1-8有一定差别，若要选用它作为编码器，还需设计一个加计数电路。
而方案二是用门电路组成的编码电路，可以编码1-8由数字电路组成，且选用这个编码器，方便扩展倒计时功能和报警功能。
基于上述比较，最后选择方案二。
3.单元模块电路设计
3.1主持人控制部分
主持人控制部分包括准备按钮、开始按钮、加分按钮与减分按钮。
其原理图如图3.1所示：
图3.1主持人控制部分电路
系统运行前保持开始按钮断开，上电后，主持人按下准备按钮，选手获得预置分数300分。
当主持人按下“开始按钮”后，选手方可进行抢答。
在给定的倒计时时间，若有选手抢答，主持人根据选手回答问题情况，通过“加分按钮”和“减分按钮”对该选手进行相应的加分、减分。
无人抢答时“加分按钮”、“减分按钮”均无效。
3.2抢答部分
该部分主要包括两部分：
锁存电路，编码显示电路
3.2.1锁存部分：
锁存器选用74HC573锁存器，74HC573是比较常见的数字电路器件，能很好的用在抢答电路中，实现传输功能，其输出还可以用在后来的计分电路的74LS190的使能端来控制计分电路的加、减记分。
OE为优先编码控制端，低电平有效。
LE为锁存控制端，当LE=1时，Q=D，当LE=0时，数据锁存保持。
其功能表如表3.1所示：
表3.174HC573锁存器功能表
图3.2为它的引脚图：
图3.274HC573引脚图
本电路中，锁存器的输入端接上拉电阻和选手抢答按钮。
LE=1时，当且只当一组选手抢答后，该选手所对的输入端输入为0，输出Q=D。
其工作原理为：
当主持人控制开关处于“清除”时，清零端为低电平，使74HC573OE为1，输出全为0。
当主持人将开关拨到“开始按钮”时，OE为高电平，输出等于输入，开始抢答由数码管显示抢答组数并且74HC573LE端为0实现锁存,其他组抢答无效，当选手回答计分完毕，主持人控制开关S是抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。
本部分电路所对的原理图如图3.3所示：
图3.3锁存电路部分
3.2.2编码显示部分：
这部分是用抢答按钮和门电路组成的8421BCD码编码器，E1~E8分别对应十进制数1~8，编码器的输出为ABCD和LE，该编码器为输入低电平有效；当输入信号中有一个为低电平时LE=1，表示有信号输入，BCD编码的数码管显示选手的编号。
而当E1~E8均为高电平时LE=0，表示无信号输入，此时的输出代码0000为无效代码，数码管显示为0。
该部分所对的原理图如图3.4所示：
图3.4编码显示电路
3.3控制电路
该部分电路由两输入与门和两输入异或门组成。
其输入信号为TART，EMP，LE。
STARTA
图3.5控制电路
由主持人所按的“开始按钮”产生，TEMP为倒计时电路的输出信号经一八输入或非门处理后的信号，LE为编码电路的输出电路。
其输出START_IN作为锁存器输入端的控制信号，用以控制锁存器的锁存功能。
3.4倒计时电路
倒计时电路也分为两部分：
其一是产生1S矩形波电路，其二是倒计时与显示部分。
3.4.1产生周期为1S的脉冲电路
产生1S矩形波采用555定时器组成的多谐振荡器产生。
555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。
只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成施密特触发器、单稳态触发器与自激多谐振荡器等脉冲信号产生于变换电路，它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
其部结构如图3.6所示：
图3.6555的部结构
555定时器含一个分压器，由三个5K的等值电阻串联而成。
分压器为比较器A1、A2提供参考电压，比较器A1的参考电压为2/3VCC，加在同相输入端，比较器A2的参考电压为1/3VCC，加在反相输入端。
比较器由两个结构一样的集成运放A1、A2组成。
电容充电时，定时器输出Uo=1,电容放电时Uo=0，电容不断进行充、放电，输出端便获得矩形波。
多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。
原理图如图3.7所示：
：
图3.71S矩形波产生电路
设计所需方波的周期为1S，故可根据公式：
f=1/（tPH+tpl）=1.43/（R5+R6）C
计算出R28=48K,R29=48K,C19=10uf
此电路产生的周期为1S的矩形波为倒计时电路提供脉冲。
3.4.2倒计时与显示部分：
该部分电路主要采用74LS192十进制同步加/减计数器（双时钟）以与门电路组成。
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。
（BCD，二进制），LD为预置输入控制端，异步预置。
CR为复位输入端，高电平有效，异步清除；CO为进位输出：
1001状态后负脉冲输出，BO为借位输出：
0000状态后负脉冲输出。
74LS192引脚图如图3.8所示：
图3.874LS192引脚图
接线时，CUPCDN接单次脉冲或1HZ时钟脉冲信号。
输出端QDQCQBQA接数码管。
74LS192的功能表如表3.2所示：
表3.274LS192功能表
原理图如图3.9所示：
图3.9倒计时电路
E、START与PA_1S四个信号共同控制，同时，经八输入或门处理的输出信号TEMP可控制锁存电路，以实现只有在有效时间才可进行抢答这一功能，同时TEMP信号作为控制电路的输入信号，控制报警电路产生报警提示。
数码管则显示倒计时间。
3.5报警电路
这部分主要是由74121组成的单稳触发电路和555组成的多谐震荡电路两部分组成。
单稳态触发器的特点是电路有一个稳定状态和一个暂稳态。
在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，在出发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保持的状态。
集成单稳态触发器74121是脉冲电路中广泛应用的中规模集成器件。
在实际应用中,它主要用于单稳态电路和多谐振荡器,而多谐振荡器的常用电路是由2片74121构成的环形振荡器
其原理图如图3.10所示：
图3.10报警电路
该电路将控制电路的输出信号baojing作为74121的输入信号。
当该信号由低电平变为高电平后，74121的B输入端产生一个上升沿脉冲，经由不可重复触发的集成单稳态触发器后产生一个脉冲信号，该脉冲信号进入由555定时器产生的单稳态触发电路，产生报警。
74121的功能表如表3.3所示：
表3.374121状态变量表
3.6计分显示电路
该部分电路用三位数码管显示每组选手得分情况，每组选手分数由两片74LS190（十进制同步加、减计数器）来控制显示，其功能如表3.4所示：
表3.474LS190功能表
其一组选手得分显示电路如图3.11所示：
以1号选手的得分显示电路为例：
图3.11一组选手得分显示电路
IC16的使能端E由抢答信号E1控制，当抢答器按下后，E1为低电平，使得U20有效，IC12的CLKD/UPL端分别接主持人控制按钮所控制的CLK、D/U、PL端，当主持人按下“加分按钮”，产生一低电平使得U有效（即加数功能有效），从而实现加分功能。
当主持人按下减分按钮，产生一高平使得D有效（即减数功能有效），从而实现减分功能。
加减计数器产生的输出信号接BCD编码的数码管显示选手得分.
所有选手的CLK、D/U、PL端相连接，与第二数码管相连接的那片74LS190的使能端E接各选手所对抢答按钮输出信号E（1.2……8），以实现该组选手得分的加减与保存。
图3.12所示为计分电路显示全图：
图3.12计分电路全图
4.系统调试
4.1主持人控制电路部分
本电路主要组成为主持人所控制的四个按钮和一个单输入的非门。
在设计无误的情况下，只需选择合适的电阻即可。
4.2抢答电路部分
此部分电路包括锁存部分和编码显示电路。
锁存部分是选用锁存器74HC573，其性能稳定，所以此部分设计调试的重点在于选取合适的控制锁存端，实际调试与设计要求基本一致。
设计编码电路时，先选用的是集成的数字芯片74LS148，但经过多次调试，始终不能对7号选手的编码信号进行编码，编码信号输出为0-6，与设计要求显示1-8有差别，故我们根据计算机的键盘输入方式，采用用门电路组成，经过方案变换和调试，达到了预期的设计要求。
4.3控制电路部分
控制电路也是采用数字门电路，观测4077异或门的输出电平变化，可外接一个发光二极管作指示，同样，设计焊接正确，调试也很简单。
4.4倒计时电路部分
作为系统的扩展功能部分，本部分调试的难点在于选取合适的参数值，根据公式可以计算出大概的R5,R6,C值，利用仿真软件进行仿真，示波器上的输出矩形波的周期为一秒，由于选择参数值时，R5=R6=48K，C=10uf,所以输出的矩形波的上半周时间tPH=0.6S,tLP=0.4S。
由于计时脉冲的输入端由一三输入的与非门的输出控制，故不必严格要求tPH=tPL，为调试带来很大的便利。
倒计时与显示部分采用74LS192集成芯片和其他几个数字门电路，调试时没有什么问题
4.5报警电路部分
这部分的前置电路为单稳态触发器74121组成的不可重复单稳态触发器。
同样，本
部分调试的难点也是选取合适的参数值，由于计算所得值和实际测得值有一定的误差，故调试电路时可选用可调电阻，调试的时候我们先采用的是R1=10K,C=0.1uf，但是，由蜂鸣器发出的声音时间较长，不适合作为竞赛场上的报警提示音，为获得适当的报警时间，最终决定将R1选为1K，C1选为0.1uf.触发器的输出端接在555组成的振荡电路的输入端，刚开始我们将电阻定为10K，电容选为0.1uf，所得声音频率较低，为获得较为优美的声音，经过多次调试，决定采用R3=R4=5.1K的电阻，电容C=0.1uf。
4.6计分电路部分
加减计数指令D/U控制74LS190的加减计分功能。
当D=1时，减计数，U=0时，进行加计数。
同所有数字电路部分一样，这部分电路的调试也不难，问题的关键在于设计合适的电路图。
由于在仿真软件上仿真时，555定时器会严重占用CPU，若将555定时器和电路主题部分放在同一仿真图进行仿真，将导致软件仿真时间严重失真，故将有555定时器组成的报警电路和
1S脉冲产生电路另行建立文件进行仿真。
倒计时时间已到和有选手抢答时BAOJING信号由低电平转化为高电平的电平变化可通过一个单刀双掷开关来模拟。
5.系统功能、指标参数
5.1系统的主要功能
本设计是由支持人控制电路，抢答电路，控制电路、倒计时电路、报警电路和计分电路等六个部分组成。
比赛开始时，主持人按下准备按钮，八位选手可获得预置的三百分，由自己所对的计分显示数码管显示。
主持人念完题目后按下开始按钮，倒计时开始，选手才可以进行抢答，在规定的时间若无人抢答，蜂鸣器发出响声作为报警提示。
若有人抢答，抢答电路上的数码管显示抢答选手编号，蜂鸣器发出警报作为提示，此后的选手抢答无效，主持人根据选手回答问题的情况，通过“加分按钮”“减分按钮”对该选手进行加分减分，并由数码管显示选手所有得分。
此轮抢答结束，主持人需将开始按钮断开，需进行下一次抢答时，主持人只需将开始开关断开后重新闭合，选手上一轮的得分得到保留。
5.2系统的指标参数分析
．计分电路采用的74LS190十进制同步加/减计数器的fC=25MHz,PD=100mW.电源电源为7V。
．报警电路前部分所用的74121为不可重复触发的集成单稳态触发器。
其部有具有施密特特性的非门，看成一个或非门，它与非门与定时电子（RextRint）电容Cext组成微分型单稳态触发器。
TW=0.7RC.为选取合适的报警时间，令R1=1K，C1=0.1uf。
即有=TW0.7S，是较为合理的报警持续时间。
．报警电路控制报警声音频率的部分选用555定时器组成的多些振荡电路，电容器C放电所需的时间tPL=R3CLn2=0.7R3C，放电结束后，VC由VCC/3上升到2VCC/3所需的时间为tPH=（R3+R4）CLn2=0.7（R3+R4）C.所以f=1/（tPH+tpl）=1.43/（R3+R4）C。
为获得较为悦耳的声音，将R3选为5.1K，而R4也定为5.1K,C=0.1uf。
．电路整体选用5V电源供电即可。
．发光二极管作为指示灯，采用具有警示作用的红（黄）色φ3mm发光二极管。
．倒计时电路的信号输入端接的是由555组成的多谐振荡器的输出脉冲，其周期为1S，故可根据公式：
f=1/（tPH+tpl）=1.43/（R5+R6）C
计算出R5=48K,R6=48K,C=10uf
．其他原件无特殊要求，可参照附录中的总电路图所示数值选用。
6设计总结与体会
生活中，八路数字抢答电路是一个非常实用的电路，应用非常广泛，抢答器具有锁存与显示功能。
即选手按动按钮，锁存相应的编号，并LED数码管上显示。
选手抢答实行优先锁存优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
抢答器由主持人控制，主持人按动开始按钮，选手可以进行抢答，第一个抢答的选手编号显示在数码管上，主持人不清零则其他选手再抢答无效，直至主持人清零，才可再次抢答。
此设计电路主要利用优先编码器，译码器，以与加法器控制，我们可以通过电路的设计来验证平时所学的理论知识，以与各个元器件的实际应用，从中我们学习到在利用的过程中我们应该注意什么，同时也锻炼了我们的动手实践能力。
这次课程设计，我们遇到了重重困难，在当初认为最简单的抢答部分我们就遇到了很到的困难，用74LS148不能达到我们预期的编码功能，若要继续改进还需更多的译码与加计数电路。
在胡兵老师和希军学长的指导和启发下，我们选用了数电教材139页的门电路组成的编码电路。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
此次课程设计，学到了很多课学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。
本次课程设计是对所学的数字电子技术基础以与电工电子技术实验的高度总结应用，在设计的过程中发现了自己在知识上存在很多不足，意识到自己有加强专业和知识拓展的必要性。
在此，我也对对我们悉心指导的老师、学长表示诚挚的意。
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139-143
附录：
多路智力抢答器系统主体电路仿真图
附录秒脉冲产生电路和报警电路仿真图
秒脉冲产生电路仿真图
报警电路仿真图
附录：
多路智力抢答器系统电路原理图
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