1、儿童 、教授对决赛抢答器1菏泽学院 蒋震机电工程学院菏泽学院本科生课程设计（论文）任务书设计（论文）题目 儿童教授对决赛抢答器 院、系专业 蒋震机电工程学院自动化 学生姓名 门学明 学 号 201017165 指导教师姓名 侯建华 职称 副教授 设计（论文）的主要内容（技术指标）与要求：主要内容：抢答器是在知识竞赛、文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确、公正、直观的判断出抢答者的机器。要求：1.调研，查阅资料，分析比较，确定方案；2.对硬件系统的设计，并完成外部接线；3.对软件系统的设计，并完成调试；4.编写设计说明书。进度安排：第 1 天 调研，收集资料（书籍和案例） ，撰写开题报告； 第 2
2、 天 总体方案设计；第 3 天 系统的调试（包括测试）和修改； 第 4 天 整理并撰写毕业设计说明书，完成初稿 ；第 5 天 经老师审阅后修改毕课程设计说明书；院、系意见：年 月 日注：1. 任务书由指导老师填写. 2. 任务书必须在第七学期第 13 周前下达给学生PLC 课程设计2目 录课程设计任务书1儿童、教授对决赛抢答器2摘要2关键词2Children，Professor finals Responde 2ABSTRACT 2Key words21 课程设计目的31.1 课程设计使用的仪器和器件31.1.1 定时器41.1.2 三极管51.2 PLC 的简介1.3 PLC 的特点2 课程
3、设计方法和内容72.1 封锁电路72.2 定时电路92.3 报警电路 10 2.4.程序源代码133 儿童、教授对决赛抢答器总电路图 4 系统功能调试5 参考文献 16儿童 、教授对决赛抢答器3儿童、教授对决赛抢答器自动化专业学生 门学明指导教师 侯建华摘要：抢答器是在知识竞赛、文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确、公正、直观的判断出抢答者的机器。通过抢答者所处位置的指示灯显示、语音提醒、数字显示、警示显示等手段筛选出抢答违规者或一个抢答成功者。此设计一个抢答器，在抢答比赛中，儿童二人参赛且其中任一人按钮可抢得，学生一人组队。教授二人参加比赛且二人同时按钮才能抢得。主持人宣布开始后方可按抢答按钮
4、。主持人台设复位按钮，抢得及违例由各分台灯指示。有人抢得时有幸运彩球转动，违例时有警报声。关键词：封锁电路 定时电路 三极管Children，Professor finals ResponderStudent majoring in Automation major menxuemingTutor houjianhuaABSTRACT：Responder is a knowledge contest, sports and entertainment activities (Responder activities) in an accurate, fair and intuitive det
5、ermine the answer in those machines. Answer by location through the lights display, voice reminders, digital display, warning display and other illegal means to filter out the answer or an answer winner. The design of a responder responder, in the game, children two contestants and any button can ha
6、ve a team of people, students. Professor two people to participate in the competition and the two people at the same time button to grab. The moderator announced before by the answer button. The host set reset button, grab and violation by the lamp indicator. Some people have a lucky ball rotation,
7、violation when the sirensKey words：Blocking circuit Timing circuit Transistor方案设计与论证PLC 课程设计4抢答器的基本工作原理：1、 当主持人按下“开关”按钮后，选手可以通过按按钮的快慢来决定由谁来回答，按得快的选手的编号显示在电子显示管上并伴有响声。2、 此后选手输入被锁住，如果主持人按下复位键则编号显示处不作任何显示。3、 然后主持人就按下计时开关，选手开始作答，作答的时间少于 60 秒，以倒数的方式进行，而且通过显示屏把时间显示出来。4、 当选手作答仅剩 10 秒时，开始通过喇叭响来做提示。如果到了显示“00
8、”时，计时器不再进行倒数而停留在“00”状态。5、 此时选手仍没有作答成功，则主持人会对该选手进行减分处理，如果在“00”之前作答成功则加分，分数也是通过计分器显示出来。6、 之后主持人按下开关，所有的显示及工作状态回到初始状态以便进行下一次答题。原理框架图（图 1）主持人选手抢答声音提示记分器控制电路 定时电路 显示时间封锁电路 编码器 台号显示图 1.原理框架图方案一、对照上面原理框架图，各个主要的部分选用对应功能的芯片进行设计，儿童 、教授对决赛抢答器5如果在仿真时没能找到相应的芯片则用相近的。比如在选手抢答时的输入用 74148 优先编码器进行编码让一个输入有效，并用七段显示译码器显示
9、出台号。方案二、对照框架图，选用各种逻辑站以及相关的逻辑函数进行设计，编号进直接把锁存器的输出转化 8421BCD 码，并通过逻辑函数表达式的方式输入到显示译码器中让其显示出来。通过比较可以得出方案一更可行，理由在于芯片组上集成的功能要强大些，且用的元器件的数目会相对少一些这样会更美观而且不容易出错。1 课程设计目的一、设计内容与要求设计抢答器，在某抢答比赛，儿童二人参赛且其中任一人按钮可抢得，学生一人组队。教授二人参加比赛且二人同时按钮才能抢得。主持人宣布开始后方可按抢答按钮。主持人台设复位按钮，抢得及违例由各分台灯指示。有人抢得时有幸运彩球转动，违例时有警报声。本设计为四人参赛的抢答器，能
10、准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者，并用声、光指示；主持人没有宣布抢答开始时，抢答不起作用。主持人宣布抢答开始时，按“开始” 键，抢答开始，同时启动计时器计时；1.1 课程设计使用的仪器和器件1.1.1 定时器 555 定时器内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 BJT T 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。PL
11、C 课程设计6图 1.1 555 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 VI12/3Vcc，VI21/3Vcc 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 VI11/3Vcc 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。表 1.1 555 功能表输入 输出阀值输入（VI1）R 出发输入（VI2）S 复位（Rd）输出（Vo ）放电管 T 0 0 导通2/3Vcc 0 1/3Vcc 1 1 0 导通
12、1/3Vcc 1 1 不变 不变1.1.2 三极管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。儿童 、教授对决赛抢答器7Q?2N3904三极管的三种工作状态：1 当 、 、 三极管正向导通，此时工作在放VBECIB大状态；2 当 、 、 / 时，三极管工作在保和区；3 当 、 时，0BECI 0VBEC三极管工作在截止区。其中三极管的开关作用就是利用了它的 2、3 两点性质。 而这次主要用到的器件都是
13、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。JLRKUJK 出触发器如图功能有：主从 JK 触发器具有置位、复位、保持（记忆）和计数功能； 主从 JK 触发器属于脉冲触发方式，触发翻转只在时钟脉冲的负跳变沿发生； 不存在约束条件，但存在一次变化现象。 产生一次变化的原因是因为在 CP=1 期间，主触发器一直在接收数据，但主触发器在某些条件下（Q=0， CP=1 期间 J 端出现正跳沿干扰或 Q=1，CP=1 期间 K 端出现正跳沿干扰），不能完全随输入信号的变化而发生相应的变化，以至影响从触发器 状态与输入信号的不对应。此次用 3
14、个 JK 触发器主要是构成三位二进制倒计时器计数器，其中前一个 JK 触发器的 Qn 端接下一个 JK 触发器 CP 端。CLR 接主持人控制端。STGDO5H68集成 555 定时器是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在一起的中规模集成电路,因集成电路内部含有 3 个 5 千欧电阻而得名,在控制、定时、检测、放声、报警等方面有着广泛的应用。而这次是将 555 够成一个多谐振荡器。图 5.1 NPN 三极管图 5.2 JK 触发器管图 5.3 555 定时器PLC 课程设计84CLK3D21Q56RPU?A7FMBD 触发器如图，其功能有： D 触发器具有接收并记忆信号的功能，又称为锁存器。 D
15、 触发器属于脉冲触发方式。 D 触发器不存在约束条件和一次变化现象，抗干扰性能强，工作速度快。而这次正是利用了的以上功能来构成一个简单的抢答器。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1.2 PLC 的 简介PLC 是专为在工业环境下应用而设
16、计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC 及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形式一体，易于拓展其功能的原则设计。PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降，使 PLC 的成本下降，同时又由于 PLC 的功能大大增强，使 PLC 的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。1.3 PLC 的特点 抗
17、干扰能力强，可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了图 5.4 D 触发器儿童 、教授对决赛抢答器9大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的 1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 而 PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序
18、所取代，故寿命长，可靠性大大提高。微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁波干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而 PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸收了生产控制经验，主要模块均采用了大规模集成电路，I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前个生产厂家生产的 PLC，平均无故障时间都大大超过了 IEC 规定的 10 万小时，有的甚至达到了几十万小时。 控制系统结构简单、通用性强、应用灵活 PLC 产品均成系列化生产，品种齐全，
19、外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在 PLC 构成的控制系统中，只需在 PLC 的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。同一个 PLC 装置有、用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。 编程方便，易于使用 PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握
20、，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎。 功能完善，扩展能力强 PLC 中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。PLC 内部具有许多控制功能，能方便地实现 D/A、A/D 转换及 PID 运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC 具有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。 PLC 控制系统设计、安装、调试方便 PLC 中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬件齐全，且为模块化
21、积木式结构，PLC 课程设计10并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台 PLC就可进行控制系统的设计可在实验室进行模拟调试。而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。PLC 控制系统的工作状态状态、通信状态、异常状态和 I/O 点的状态均有显示。工作人员通过他可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。 结构紧凑 体积小、重量轻，易于实现机电一体化。由于以上特点，使得 PLC 获得极为广泛的应用。2 课程设计方法和内容2.1 封锁电路封锁电路的主要功能是分辨选手按键的先后，并能把第一
22、个抢答者的编号锁存起来，并使其他选手的按键操作无效。实现该电路的功能的主要芯片是 74175（图 1 为功能表，图 2 为逻辑功能图，图 3 为锁存器电路）表 2.1儿童 、教授对决赛抢答器11图 2.1工作原理：当主持人控制开关处于“清零”位置时该电路清零即当 RD 接低电平时， ， ， 全为低电平，各显示灯均熄灭，即此时封锁器电路不工作，当主持1Q234人将开关拨到“开始”后即 RD 为高电平时，此时锁存器处于工作状态，即抢答器电路处于等待工作状态。这时当有选手将按键按下时（如按下 SW2） 。此时 =1，由 D1触发器的功能可知，此时 =1， =0。当 =0 时， 经过与非门变为 1 再
23、1Q111Q234经过非门变为 0，再和 4 个选手组成的或门逻辑器再与，选手就可以通过开关来抢答，而且只有一次输入变化，因此 CP 只接收到一次的电平变化，因此那就后就保持了第一次的输出所以就封锁了 CP 的输入，此时 74175 不再工作，从而实现了封锁其他选手的作答。只有在第一个人答完以后，由主持人操作清零开关使抢答器电路复位，才能进行下一的抢答。2.2. 定时电路节目主持人通过按复位键来进行抢答倒计时。如图 2.2。定时 9 秒，把 74LS192对应的 9，10，1，15 四个端子预置为“1001”。计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路 555提供。当复位开关按下时，给 74ls192 一个
24、低电平，从而开始倒计时，每来一个脉冲信号进行减计数一次。当有选手抢答或借位信号时，就使得 74ls192 的输入脉冲变成低电平，从而实现倒计时的停止。再按复位键时，再一次倒计时。图 2.2 定时电路PLC 课程设计122.3 报警电路由 74ls121 和蜂鸣器构成的报警电路，但仿真中没有 74ls121，因此用功能相同的MONOSTABLE VIRTUAL（后文简称 A1）来代替仿真，如图 2.3 所示。其中 A1 的脉冲输入端是由复位信号和 Q 非的与信号和借位信号与在一起来提供的。当其中一个信号为低电平时，使得 A1 得到一个下降沿脉冲，从而使 A1 的 Q 端输出一个宽度为一秒的高电平
25、，那么蜂鸣器就会响一秒。反之，电路停振，蜂鸣器不响。 图 2.3 报警电路3 儿童、教授对决赛抢答器总电路图 儿童 、教授对决赛抢答器134.系统功能调试这次设计的抢答器电路图简单，很多芯片的逻辑功能也都很清楚所以在调试时可以前判断该电路会是怎样的结果，对于这个抢答器,它涉及的大多都是数字电路的问题.所PLC 课程设计14需要调试的值并不多.首先将各个模块连接到一起后,注意检查各个部分是否连接正确, 还得仔细地看一下所用器件的型号是不是我们要的那种,在确保连接无误的情况下.那就能将整个电路进行防真了。按动各个按键，看看各管脚的电平变化是不是正确的，同时观察各个集成器件的各个管脚的电平变化情况，
26、以及数码显示器的显示是否正确.如有不正确的就将其逐个问题解决了再进行后面的调试，直到所有问题都解决了为止。当连接好所有电路后，我们小组几个人一起，让一个人当主持人，另外几个当选手进行试验。首先主持人断开控制开关，宣布抢答开始，当有选手抢答时,该选手的指示灯闪烁，并且扬声器也鸣叫提示其他选手停止抢答，但该选手回答玩主持人的问题后，主持人宣布他回答是否正确，正确或错误就用计分器相应给他加（减）分。另外也测试了当主持人合拢抢答开关时，看能否抢答。结果和预测的一样是不能抢答的。本次实验所用的仿真软件为 ISIS,由于 ISIS 比较简单易懂,比较适合初学者使用,但 ISIS 存在仿真元件不齐的问题.所
27、以在仿真过程中会遇到一些找不到元件的问题,这就需要我们寻找其他的相同功能的元器件进行替代.这是我们在用 ISIS 中应该最注意的问题. 总之在用 ISIS 仿真中我们多多少少会遇到一些问题,我们应当尽量去解决这些问题,得到我们所需要的仿真效果. 此抢答器设计是按要求一步一步完成的，因此主要功能有三个： 抢答器的抢答功能，它能准确分辨、记录第一个有效按下抢答键者信息用声、光指示。 具有倒计时功能，这样可以加强现场气氛，增加紧迫感。若预定时间无，倒计时器的显示为 0，并且指示灯亮起，提示选手不能抢答。 还具有计分功能，即统计选手得分情况。5 结论与心得儿童 、教授对决赛抢答器15本次课程设计对于我
28、的课题的要求基本上实现了。这次课程设计时间有点匆忙，虽然大部分的功能都实现了，但是还是会存在不完美的地方，实在是时间有点紧，没办法做长时间的修改。设计进行地比较成功，对常用的芯片无论是从功能上，还是构造上都在了更深的了解，更重要的是锻炼了我们的动手能力，平时看书都能看得明白，但是到了仿真的时候还是会出现很多的问题，有时候一个小失误致使整个电路工作状态出现错误，但是还是能过一次次的调试，一次次地去修改最后得出了成品。也学了一个新的软件，这也是很重要的。反正这次课程设计收获也不少，但是如果时间能够再充分一点，我相信自己能够做得更好。6 参考文献1数字电子技术基本教程 M 阎石 清华大学出版社2.电路与电子技术实验 DB 电工电子实验中心
