數字課程設計五人智力搶答器

EDA數字課程設計題目五人智力搶答器學院通信與電子工程學院專業(yè)班級通信093學生姓名張美玲指導教師祁曉玉2012年6月摘要隨著科學技術的不斷發(fā)展，促使人們學科學、學技術、學知識的手段多種多樣。搶答器作為一種工具，已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率較低，且有的要么制作復雜,要么可靠性低，減少興致。做為一個單位若專購一臺搶答器雖然在經濟上可以承受,但每年使用的次數極少,往往因長期存放使(電子器件的)搶答器損壞,再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展，因此設計了本搶答器。智力競賽是一種生動活潑、寓教于樂的活動形式,而搶答是智力競賽中非常常見的一種答題方式。在進行智力競賽時,往往都是幾個組搶答問題，這就要求在時間上嚴格地區(qū)分先后。若是僅憑主持人的主觀判斷,則很容易造成錯判、誤判。為此，我們需要設計一種具備自動鎖存、置位、清零等功能的智能搶答器來解決這些問題。該電路就是為智力競賽搶答所設計，具有反應迅速,精確無誤,操作簡單等特點。電路主要由三部分組成:數字搶答電路、時序控制電路以及報警電路。其中數字搶答部分有一個74LＳ７4觸發(fā)器、７4LS16０計數器、74LS190和ＬED數碼管顯示器組成,可以將五位搶答者的按鈕信號通過編碼、鎖存及譯碼后輸出,驅動LED數碼管顯示出最先搶答者的編號。而時序控制電路的功能是當參數選手按下搶答器時,使揚聲器發(fā)出報警聲。關鍵字:搶答編碼鎖存譯碼顯示報警AbsｔrａctAlongwiｔｈthedｅｖelopmentofscieｎcｅａndtechnology,ｍａkｅpｅoｐlelｅarｎscienｃe,technｏｌogｙ,anｄｋnｏwledgetolearｎtheｔechniquｅsｏfdiverｓiｔy．Vｉeｓtoanswerfirsｔdevｉceａsａt(yī)ool，hasｂeenwidｅlyｕseｄｉnallkｉndsofinｔｅlligenｃeａndknｏwleｄgｅｃｏmpetitioｎsituation.Butviestoanｓwｅrfirstｔｈｅusｅｆreqｕencyｏｆdeｖiceｉsqｕitelｏw,andsｏmｅeiｔｈermakｉnｇｃompｌicａｔedoｒlｏｗreliａbilitｙ,ｒeｄｕcetheiｎtｅrｅｓt．Asaunitｉfonlｙｐurcｈaseｄaviestoanswｅrfirｓtdevicｅonthｅeconoｍycanｗｉｔhstａｎdthｏｕgｈ,ｂｕtｔhenumｂeroｆtimｅseａcｈｙeａrｔoｕseveryｌiｔtle,oｆteｎforlong-teｒmstoｒａｇｅ(elｅctrｏnicparts)vieｓtoanswｅrfirsｔisdamagｅd,ａgａinｔhｅｔroubｌeanｄtimｅlinesｓｐurchasewoｕldaffｅctactiｖities,sothedeｓiｇnofｔhiｓｖiestoaｎsｗerfirstｄevｉｃeIｔiｓalivelycoｍｐeｔitｉoｎ,funacｔiviｔｉesｉnthefoｒmoｆ,ａndviesｔｏaｎswerfirｓｔisvｅrycomｍoninｔheｑｕiｚansｗｅraｗaｙ.Ｉｅlｌiｇenceｃonｔｅsｔ,ｏftenarｅsevｅralgrｏupviestｏanswｅrfirstprobleｍ,itiｓｒequｉreｄinｔｉmｅinthｅregiｏnhasstrictｌｙ.Ifoｎlywｉththｅｈostｏｆｔhesubjectiｖejuｄgｍent，ｉtisvｅrｙeasytocreａt(yī)ethefalselｙaｃcused,misjudｇment.Ｆoｒｔｈiｓ,wｅnｅedtｏｄesignakiｎdofhaｖeｔobeaｕtomａt(yī)iclocktosave,buya,reseｔfunｃtionofｉntellｉgentvｉeｓtoａnｓｗerfiｒsｔdｅvicetoｓolｖｅtheｓｅprobｌemｓ．Thisｃirｃuｉｔｉsdesiｇnedfoｒquｉzｖiestoａnswerｆirst,areaｃｔｉonrapid,accurａt(yī)ｅaｎdｃorｒect，ｓｉmpｌeoperatｉon，etc.Themainｃｉrcuｉtofｔhrｅeｐarｔs:ｔhｅdigitalviestoaｎswerfｉrsｔｃircuit,sequentialｃｏntrｏlｃircuitandalaｒｍciｒcｕit.Ｗhicｈｄｉｇitalｖｉestｏansｗｅrfiｒstpaｒtshavea74LS74fｌiｐ-ｆlop,7４LＳ１６0couｎter，7４LＳ190ａnｄLEDdｉgitaldisplayｏｆtubｅ,ｃaｎwｉｌlbeｆivｅviestｏanswerfirstthesｉgnalｔhｒoｕghtheｂｕttoncｏdiｎg,locktｏsavｅandaｆteｒdｅcodiｎgoutpｕt,driｖeLEＤdｉｇｉｔaldiｓplayｆirstｖieｓtoanｓwerfirsｔthetｕbeｏｕttheNumbｅrs.Andｔhｅｓequenｔｉalcｏｎtｒoｌｃircuiｔfunctionisｗｈｅnthｅｐａrametersaccｏrｄiｎgｔothenextpｌaｙerviｅstｏanｓwerfiｒｓt,ｍaketheｓpeａkersendsoutthealarmsounｄ.Keｙword:resｐonderｃodinｇlatｃhdoublｅkillgiveａnalａm目錄TＯＣ\o"1-3＂\ｈ\z\uＨYPＥＲＬINＫ＼l"_Toｃ３２873８2６8"摘要?PＡGＥＲＥF_Ｔoc32８7３8２６8＼hＩＨYPＥRLINK\ｌ"_Toc328738269"Abstraｃt?PAGＥREＦ_Tｏｃ３287382６9＼hIＩＨYＰERLINK\ｌ"_Toc328７３8270"第１章緒論?ＰＡＧＥＲEF＿Toｃ3287３82７0\ｈ1ＨYPＥRＬINK＼l"＿Toc３2８738271＂1.1選題意義?ＰAGEＲEF_Toc328738２71\h1HYPＥRLINK＼l"＿Tｏｃ328７3８27２＂1.2設計思路及目標 ＰAGＥREF_Toc32873827２\ｈ1HＹPＥRＬＩNＫ\ｌ＂_Toc３28738273"1.3設計要求 PAGEＲＥF＿Toc328738２７３\ｈ1ＨＹPERLＩＮK\l＂_Tｏｃ3287３82７4"１.4國內外研究現狀?PAＧEＲEＦ＿Toｃ3２８73８274＼h2HYPERLINK＼l"_Ｔoｃ３２8738２75"１．5搶答器目前存在的主要問題?ＰＡGERＥF_Toc32８7382７5\h２HYPERLIＮＫ\l＂_Toc3２8738276"第2章搶答器的概述 PAＧEREF_Toc32８738２76\h３HYPERLIＮK＼l"_Toｃ328738277"2.1系統(tǒng)的主要功能 PＡGEＲEＦ_Toc328７３8277＼ｈ３HYＰＥRＬIＮK\ｌ"_Tｏc32８7382７8"２.2系統(tǒng)需求分析 ＰAGＥREＦ_Toc３28７3827８\ｈ４HYPＥＲLＩNK2．３搶答器的工作流程 PAGＥREF＿Toｃ3287３8279＼h4ＨＹPERLIＮK＼l＂_Toc328７38281"2.4搶答器的優(yōu)點?PＡGERＥＦ_Tｏc328７382８1＼h５HYPEＲLＩNK\l＂＿Toc328738２８2"第3章搶答器的程序設計與仿真實現?PAGEＲＥF_Toc３2８73８２82\ｈ6HＹＰEＲLINＫ＼l"_Toｃ32８738283"３.1程序結構 PAGEＲEF_Toc328７３8２83\h6HYPERLINK＼l＂＿Toc3287３82８5"3.２搶答電路的設計?PAGＥＲＥF_Toc328７3828５\h７HＹPERＬIＮＫ3．4聲響電路的設計?PAＧEREF_Ｔoc３28７3８287\ｈ10HYPERＬIＮK\l"＿Toc32873８288"3.5總電路的設計?PAGEREF＿Toc３2873828８＼ｈ1０ＨYPERLＩNK＼l＂＿Ｔoc３２8７38２89"第4章設計難點與解決方法及不足 ＰＡGＥREF_Toc328７3828９＼h１2ＨＹPERLINK參考文獻?ＰAGERＥF_Tｏc3２873８２９5\h14ＨYPＥＲLＩNK＼l＂_Toc32873829６"致謝?PAGEREF＿Toc328738296\h1５?第1章緒論?1．1選題意義當今的社會競爭日益激烈，選拔人才，評選優(yōu)勝,知識競賽之類的活動愈加頻繁,那么也就必然離不開搶答器。本搶答器通過十分巧妙的設計僅用數字芯片便實現了數顯搶答的功能,與其他搶答器電路相比較有分辨時間極短、結構清晰、成本低、制作方便等優(yōu)點。本搶答器采用了數字顯示器直接指示剩余時間,自動鎖存顯示結果的設計思想，因而本搶答器具有顯示直觀，不需要人干預的特點，而且在顯示時搶答器會發(fā)出聲響使效果更為生動。１.2設計思路及目標五個參賽者沒人一個開關,主持人控制總開關,主持人制高電平后，系統(tǒng)進入準備工作,有人搶答時，相應的二極管發(fā)光，并且此時其他人按下按鈕搶答不會有反應。搶答完畢后主持人制低電平是復位歸零，然后主持人再制高電平進入下一輪搶答,依次循環(huán)下去。五路搶答器要具有主持人控制的功能，同時在搶答控制中將五個搶答輸入端與D觸發(fā)器的輸入端相接,在高電平時鐘信號的觸發(fā)下實現最先搶答者優(yōu)先通過,并在有人搶答后立刻屏蔽時鐘信號，是較晚的時鐘信號無效。此時，喇叭鳴響２秒，表示有人搶答成功。同時,倒計時電路啟動,開始進行10秒回答倒計時,倒計時結束啟動鳴響電路，使喇叭鳴響2秒,提示回答超時。在回答過程中,一旦搶答者回答完畢主持人可以按動按鍵是倒計時結束,同時取消喇叭鳴響。另外,主持人還具有在任意時間停止搶答的功能。1.3設計要求①五人參賽每人一個按鈕,主持人一個按鈕，按下就開始;②每人一個發(fā)光二極管，搶中者燈亮;③有人搶答時，喇叭響;④答題時限為1０秒鐘,從有人搶答開始，用數碼管倒計時間，０、9、8…1、0;倒計時到0的時候，喇叭發(fā)出兩秒聲響。1.4國內外研究現狀搶答器作為一種電子產品，早已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合，但目前所使用的搶答器有的電路較復雜不便于制作,可靠性低，實現起來很困難；有的則用一些專用的集成塊，而專用集成塊的購買又很困難。為適應高校等多代表隊單位活動的需要而設計一個多功能搶答器,這種搶答器具有電路簡單,元件普通,易于購買等優(yōu)點，很好地解決了制作者制作困難和難于購買的問題。在國內外已經開始了普遍的應用。1．５搶答器目前存在的主要問題隨著改革開放事業(yè)的不斷深入，促使人們學科學、學技術、學知識的手段多種多樣,搶答器作為一種工具，已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率校低，且有的要么制作復雜,要么可靠性低，減少興致。作為一個單位若專購一臺搶答器雖然在經濟上可以承受，但每年使用的次數極少，往往因長期存放使(電子器件的）搶答器損壞,再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展。但目前多數搶答器存在３個不足之處:第一,現場線路連接復雜。因為每個選手位于搶答現場的不同位置,每個選手與控制臺之間要有長長的連接線。選手越多,連接線就越多、越亂，這些連接線不僅影響了現場的美觀,而且降低了搶答器的可靠性,增加了安裝的難度，甚至影響了現場人員的走動。第二,電路復雜。因為單片機只完成號碼處理、計時、數據運算等功能,其它功能如選手號碼的識別、譯碼、計分顯示等仍只能通過數字集成電路完成。采用單片機掃描技術識別選手搶按號碼時,電路的延遲時間較大。第三，選手搶按成功。第２章搶答器的概述2.1系統(tǒng)的主要功能本系統(tǒng)是借用單片機采用模塊化設計的智能搶答器,主控與參賽者設為終端分系統(tǒng)。參賽者分系統(tǒng)設有：搶答按紐、計時顯示、提示功能等（根據需要可另設或多設相關功能)；主控分系統(tǒng)有:開始與結束控制按鈕、時限設定、各種相關顯示調控功能等（根據需要也可另設或多設相關功能)。參賽者系統(tǒng)，除享有搶答按紐的權利功能外[１]，還有人性化的提示功能和時間提示功能，也可設定由主控控制在參賽者終端表現的趣味性功能等;主控系統(tǒng)的控制按鈕做開始與結束控制,根據活動參賽者的層次,對提前掄答者的行為設定為非法或阻隔,若設有非法搶答控制功能時,在主控處帶有公示性顯示的非法掄答者的臺位號，對搶答限時及回答問題限時設為倒計時式,并有公示性顯示。主控制器LED顯示聲生器鍵盤顯示時鐘頻率復位電路圖2-1系統(tǒng)主要功能模塊本系統(tǒng)采用模塊化設計智能搶答器,在搶答比賽中廣泛應用,各組分別有一個搶答按鈕。主持人有開始和結束復位鍵。在后臺主持人可以修改,搶答時間和選手回答問題的時間設置，原始狀態(tài)下搶答時間為15s，回答問題時間為10s。通過加鍵和減鍵修改上述時間,改完后結束鍵確定。新時間開始有效，主持人按鍵開始后，選手開始搶答為有效,數碼顯示屏顯示搶答時間倒計時和選手號,在最后五秒揚聲器發(fā)生提示。如果主持人沒有按下開始鍵而選手就搶答視為犯規(guī),數碼顯示屏顯示犯規(guī)者的代號，揚聲器持續(xù)發(fā)生。主持人可按鍵結束,新一輪搶答開始。系統(tǒng)的主要功能模塊方框圖如２－1所示。搶答主板:搶答主板是整個搶答器的核心,其關鍵是單片機ＡT89C51。內部電路設計用匯編語言編寫。它完成了時間參數的設定,搶按號碼的譯碼,保存;顯示;輸出,搶按及答題倒計時功能等。顯示及指示：本設計中，有一個共陰的數碼管組,四個數碼管。其中兩個顯示時間，一個空位,一個顯示搶答號碼。主持人依次按下復位鍵(RESET）,開始鍵后開始搶答。可以搶按:超時數碼管顯示“FFF”,當搶按超過規(guī)定時間或答題超過規(guī)定時間后數碼管顯“FＦF”。若有選手在規(guī)定時間內搶按成功,則可以答題，數碼管顯示搶答時間的同時也顯示選手號碼。若在按開始鍵前搶答表示違規(guī),數碼管顯示“FF”并顯示選手號碼。2.2系統(tǒng)需求分析1、在搶答中,只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效。２、搶答限定時間和回答問題的時間可是在１～99s設定。3、可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示。4、搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，時間完后系統(tǒng)自動復位。5、按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下,按鍵無效非法。2.3搶答器的工作流程搶答器的基本工作原理:在搶答競賽或呼叫時[2],有多個信號同時或不同時送入主電路中，搶答器內部的寄存器工作，并識別、記錄第一個號碼，同時內部的定時器開始工作,記錄有關時間并產生超時信號。在整個搶答器工作過程中,顯示電路、語音電路等還要根據現場的實際情況向外電路輸出相應信號。搶答器的工作流程分為、系統(tǒng)復位、正常流程、違例流程等幾部分,如圖2-2所示,下面分別予以介紹加載程序加載程序運行行開始開始數碼管顯示FFF開始搶按時間倒計時開始前有選手搶按顯示違例選手號碼并伴有語音報警倒計時結束，超時有選手搶按顯示FFF顯示選手號碼，倒計時時間,語音報警，答題,答題時間倒計時正常流程違規(guī)流程若超過答題時間，則數碼管顯示FFF答題完畢根據選手表現，規(guī)則由主持人減分圖2-2搶答器工作流程２.4搶答器的優(yōu)點在知識比賽中,特別是做搶答題目的時候，在搶答過程中，為了知道哪一組或哪一位選手先答題，必須要設計一個系統(tǒng)來完成這個任務。如果在搶答中,靠視覺是很難判斷出哪組先答題。利用本搶答器,使以上問題得以解決,即使兩組的搶答時間相差幾微秒,也可分辨出哪組優(yōu)先答題。第3章搶答器的程序設計與仿真實現3．1程序結構根據系統(tǒng)功能要求,須設計有搶答電路、譯碼顯示電路、主持人控制電路、定時電路、響鈴電路，各個電路都有其自己的功能。通過主持人控制按鍵，電路進入就緒狀態(tài),等待搶答。按下五個按鍵，程序就會判斷是誰先按下的，然后從五個發(fā)光二極管輸出搶答功能,同時開始回答計時。如果在設定的時間里沒有完成問題的回答，一到時間,則產生報警信號表示已經超時。當要進行下一次搶答時,有主持人先打開開關,再閉合,即可實現電路復位,進入下一次搶答的就緒狀態(tài)。根據系統(tǒng)的要求，可以得到系統(tǒng)的框圖如下:3.2搶答電路的設計搶答電路采用D觸發(fā)器7474作為核心芯片,由一片觸發(fā)器組成矩形發(fā)生器，發(fā)出頻率為１０ＫＨＺ,最大幅度為6Ｖ的脈沖信號作為D觸發(fā)器的時鐘脈沖。在D觸發(fā)器的輸入端，根據五個按鍵的狀態(tài)決定D端得狀態(tài)。當有一個D觸發(fā)器的輸入端為高電平時，就在時鐘信號的作用下將狀態(tài)傳遞到Q端。此時,與Ｑ端相連接的發(fā)光二極管將Q端得狀態(tài)顯示出來。同時與Ｑ端相連接門電路根據五個Q端的狀態(tài)判斷是否對脈沖信號進行屏蔽。即只要有一個Q端得狀態(tài)是高電平,則通過組合邏輯使輸入脈沖被禁止。從而實現了在有人搶答的第一時間顯示出搶答狀態(tài),并對當前狀態(tài)進行保存,防止其他人的搶答對當前狀態(tài)的影響。另外,將主持人的開關與7474芯片的CＬR端相連接,實現主持人對電路的可控性。當ＣLR信號有效時，實現對電路的清零；當CＬR信號無效時，即開關閉合時候,允許進行搶答。根據設計原理，使用ｍｕlｔｉｓim繪制電路圖如下：使用ｍultisｉm對上面的電路進行仿真,結果如下:①按下主持人按鍵,在無人搶答的時候,發(fā)光二極管不發(fā)生任何變化;②若主持人按鍵未按下，按動選手搶答開關,發(fā)光二極管狀態(tài)不發(fā)生變化；③當按下主持人按鍵后，再按選手搶答按鍵,則相應的發(fā)光二極管發(fā)光；④當有一個選手搶中時,再按其他選手的按鍵,發(fā)光二極管組的狀態(tài)不變，即實現了對最先搶答的判斷；⑤在二極管發(fā)光后,斷開主持人開關,發(fā)光的二極管熄滅，即實現了主持人對搶答的重置和控制。3.３倒計時電路的設計為實現有人搶答后,系統(tǒng)開始１0秒回答問題期限的倒計時,必須給出相應的倒計時電路。其基本框圖如下:使用７4LS１90芯片的減一計數功能來實現時間的遞減計數,并通過一個七段數碼管來顯示芯片的輸出狀態(tài)。為使顯示數字在計數結束后停止繼續(xù)計數，應該在計數結束后對74LS１90的輸出進行鎖存。使用兩片74ＬS１60芯片，實現當兩片7４LS160組成的計數電路計數到達１0時,即74LS1９０倒數計數達到0時，對74LS190的輸入時鐘信號進行屏蔽,從而使74ＬS190芯片不再進行倒數計數。具體方法如下:①當兩片74LS１６0組成的計數器計數達到1０時，通過門電路生成置數信號接至74ＬＳ１6０芯片的置數端，使74LS１60的下一狀態(tài)仍為1０,即實現了到達１０時對電路狀態(tài)的保存。②當兩片7４LS160組成的計數器計數達到１０時，將信號以高電平的形式接到74ＬS19０的ＣＴＥN端,使計數停止。由于當到達１０是計數電路保存１0的狀態(tài)，故實現了搶答開始10秒后倒計時停止的功能。７4ＬS160功能真值表：輸

入輸

出CLKENPＥNＴQ××０××置零↑01××預置數據↑1111計數×1１0×保持×1１×0保持使用multiｓim繪制倒計時電路原理圖如下：當仿真開始時,7段譯碼管依次顯示０、９、8、７、6、5、4、3、２、１、0并停止計數,可見,本電路很好的實現了既定的功能。3.4聲響電路的設計為了使搶答者和主持人能夠知道搶答成功或者搶答超時，故應該有一個聲響電路來提示當前的狀態(tài)。本設計在有人搶答成功和回答超時的時候都會發(fā)出２秒的聲響。為了實現本功能，系統(tǒng)使用一片74LＳ１60計數芯片,當計數值達到2時對輸出進行鎖存,并通過門電路，使74LS160芯片輸出的二進制數為0000和0001時接通喇叭,發(fā)出長為2秒的聲響。當2秒時間過去后，輸出端狀態(tài)保持為０01０，門電路此時給喇叭的信號為低電平，便實現了鳴響的結束。使用multiｓｉm繪制聲響電路原理圖如下:當仿真開始時,七段數碼管顯示為0,同時替代喇叭進行仿真的燈泡發(fā)光,隨后顯示１,然后顯示2,并在顯示2的同時熄滅燈泡?？梢?本電路很好的實現了控制聲響（燈泡發(fā)光）的作用。3．5總電路的設計將上面設計的各個模塊相互連接起來，組成總電路，方法如下:①只有在有人搶答成功時候才啟動倒計時電路，故將有人搶答成功的信號通過一個與門與１HZ的時鐘信號作與運算后接到74LＳ190的CLK端,即實現在有人搶答成功后，才允許CLK信號輸入74LS19０芯片。②由于鳴響電路也是在有人搶答成功才啟動,故其CＬＫ端采用與7４ＬＳ190芯片相同的接法。③對于7４LＳ1９0芯片,由于在期接通和完成一個以10為周期的計數后，都會在ＲCＯ端給出一個低電平脈沖。為完成鳴響的目標，將ＲＣO端接至鳴響電路的74LS16０芯片的CLＲ端。即每當有低電平脈沖發(fā)來（有人搶答成功和倒計時結束）便將計數器置零,使其重新計數，從而實現了2秒的鳴響。在mｕltisim環(huán)境下仿真總電路如下:?第4章設計難點與解決方法及不足設計難點:設計搶答電路時主持人開關的控制問題?解決方法:將主持人的開關與747４芯片的CLＲ端相連接,實現主持人對