四人智力競賽搶答器課程設(shè)計報告

1、<p><b>　　四人智力競賽搶答器</b></p><p><b>　　一、設(shè)計目的</b></p><p>　　1.掌握四人智力競賽搶答器電路的設(shè)計、組裝與調(diào)試方法。</p><p>　　2.熟悉數(shù)字集成電路的設(shè)計和使用方法。</p><p><b>　　二、設(shè)計任務(wù)與要求

2、</b></p><p><b>　　1、設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計一臺可供4名選手參加比賽的智力競賽搶答器。 用數(shù)字顯示搶答倒計時間，由“9”倒計到“0”時，無人搶答，蜂鳴器連續(xù)響1秒。選手搶答時，數(shù)碼顯示選手組號，同時蜂鳴器響1秒，倒計時停止。</p><p><b>　　2、設(shè)計要求</b>

3、;</p><p>　　(1)4名選手編號為：1，2，3，4。各有一個搶答按鈕，按鈕的編號與選手的編號對應(yīng)，也分別為1，2，3，4。</p><p>　　(2)給主持人設(shè)置一個控制按鈕，用來控制系統(tǒng)清零（搶答顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。</p><p>　　(3)搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，該選手編號立即鎖存，并在搶答顯示器上

4、顯示該編號，同時揚聲器給出音響提示，封鎖輸入編碼電路，禁止其他選手搶答。搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。</p><p>　　(4)搶答器具有定時（9秒）搶答的功能。當(dāng)主持人按下開始按鈕后，定時器開始倒計時，定時顯示器顯示倒計時間，若無人搶答，倒計時結(jié)束時，揚聲器響，音響持續(xù)1秒。參賽選手在設(shè)定時間（9秒）內(nèi)搶答有效，搶答成功，揚聲器響，音響持續(xù)1秒，同時定時器停止倒計時，搶答顯示器上顯示選手的編號

5、，定時顯示器上顯示剩余搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。</p><p>　　(5)如果搶答定時已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效。系統(tǒng)揚聲器報警（音響持續(xù)1秒），并封鎖輸入編碼電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器顯示0。</p><p>　　(6)可用石英晶體振蕩器或者555定時器產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號，作為定時計數(shù)器的CP信號。</p><p>　　

6、三、四人智力競賽搶答器電路原理及設(shè)計</p><p><b>　　1、設(shè)計方案</b></p><p>　　搶答器具有鎖存、定時、顯示和報警功能。即當(dāng)搶答開始后，選手搶答按動按鈕，鎖存器鎖存相應(yīng)的選手編碼，同時用LED數(shù)碼管把選手的編碼顯示出來，并且開始搶答時間的倒計時，同時用LED數(shù)碼管把選手的所剩搶答時間顯示出來。而在選手按鍵搶答以及搶答時間倒計時到時的時候都有報

7、警以提醒主持人和選手。搶答時間設(shè)定9秒，報警響聲持續(xù)1秒。接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態(tài)開關(guān)

8、。</p><p><b>　　2、系統(tǒng)框圖 </b></p><p>　　當(dāng)主持人宣布開始，定時電路開始秒脈沖電路的作用而進行倒記時，并通過譯碼器在顯示器中顯示。報警電路給出聲音提示。當(dāng)選手首先按某一開關(guān)鍵時，可通過觸發(fā)鎖存電路被觸發(fā)并鎖存，在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)電平信息，同時為防止其它開關(guān)隨后觸發(fā)而產(chǎn)生紊亂，最先產(chǎn)生的輸出電平變化又反過來將觸發(fā)電路鎖定。然后在譯

9、碼器中譯碼，將觸發(fā)器輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)。最后在顯示電路中顯示出所按鍵選手的號碼。若有多個開關(guān)同時按下時，則在它們之間存在著隨機競爭的問題，結(jié)果可能是它們中的任一個產(chǎn)生有效輸出。如圖1.</p><p><b>　　圖1系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　3、方案比較</b></p><p>　　

10、方案1：采用CD4511芯片作為搶答信號的觸發(fā)、鎖存和譯碼輸出。這樣雖然比較簡便，但實際在實現(xiàn)鎖存功能時比較繁瑣難實現(xiàn)。</p><p>　　方案2：采用D觸發(fā)器和譯碼器來完成搶答部分。雖然元件較多，但在實現(xiàn)鎖存功能時可以簡單的實現(xiàn)。</p><p>　　經(jīng)過對比兩方案的優(yōu)缺點，決定采用搶答信號鎖存簡單實現(xiàn)的方案2。然后利用軟件Multisim來進行仿真調(diào)試，再進行逐步改進。</p&

11、gt;<p>　　4、單元電路設(shè)計及元器件選擇</p><p><b>　　（1）搶答電路 </b></p><p>　　電路如圖2所示。該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖定74LS175的功能真值表即優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示選手編號；二是要使其他選手隨后的按鍵操作無效。</p><p><b&

12、gt;　　圖2 搶答電路</b></p><p>　　其工作原理為：當(dāng)主持人控制開關(guān)處于“清除”時，D觸發(fā)器的清零端為低電平，使D觸發(fā)器被強制清零，輸入的搶答信號無效。當(dāng)主持人將開關(guān)撥到“開始”時，D觸發(fā)器Q非端前一狀態(tài)為高電平，四個Q非端與在一起為高電平，再和搶答按鍵信號和借位信號與在一起給D觸發(fā)器的脈沖端，當(dāng)沒人搶答時，搶答信號為低電平，與門U11輸出端為低電平給D觸發(fā)器脈沖端，當(dāng)一有人搶答時，搶

13、答信號為高電平，并和U2的輸出信號和借位信號與在一起，使得U11輸出端為高電平給D觸發(fā)器，于是D觸發(fā)器就有一個上升沿，使得搶答信號經(jīng)D觸發(fā)器觸發(fā)鎖存再經(jīng)過譯碼器74ls48譯碼，把相應(yīng)的信號顯示在數(shù)碼管上。另外，當(dāng)選手松開按鍵后，D觸發(fā)器的Q非前一狀態(tài)為低電平，與在一起后給與門U11,使得U11的輸出端為低電平給D觸發(fā)器，則D觸發(fā)器的脈沖輸入端恢復(fù)原來狀態(tài)，從而使得其他選手按鍵的輸入信號不會被接收。這就保證了搶答者的優(yōu)先性及搶答電路的準(zhǔn)

14、確性。當(dāng)選手回答完畢，主持人控制開關(guān)S是搶答電路復(fù)位，以便進行下一輪搶答。 </p><p><b>　?。?）定時電路 </b></p><p>　　節(jié)目主持人通過按復(fù)位鍵來進行搶答倒計時。如圖3。定時9秒，把74LS192</p><p>　　對應(yīng)的9，10，1，15四個端子預(yù)置為“1001”。計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路5

15、55提供。當(dāng)復(fù)位開關(guān)按下時，給74ls192一個低電平，從而開始倒計時，每來一個脈沖信號進行減計數(shù)一次。當(dāng)有選手搶答或借位信號時，就使得74ls192的輸入脈沖變成低電平，從而實現(xiàn)倒計時的停止。再按復(fù)位鍵時，再一次倒計時。</p><p>　　圖3 定時電路</p><p><b>　?。?）報警電路</b></p><p>　　由74l

16、s121和蜂鳴器構(gòu)成的報警電路，但仿真中沒有74ls121，因此用功能相同的MONOSTABLE VIRTUAL（后文簡稱A1）來代替仿真，如圖4所示。其中A1的脈沖輸入端是由復(fù)位信號和Q非的與信號和借位信號與在一起來提供的。當(dāng)其中一個信號為低電平時，使得A1得到一個下降沿脈沖，從而使A1的Q端輸出一個寬度為一秒的高電平，那么蜂鳴器就會響一秒。反之，電路停振，蜂鳴器不響。 </p><p><b>　　

17、圖4 報警電路</b></p><p>　?。?）時序控制電路 </p><p>　　時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下三項功能： </p><p>　　1）主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進入正常搶答工作狀態(tài)。 </p><p>　　圖5 搶答與定時時序控制電路</p>

18、;<p>　　2）當(dāng)參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作。 </p><p>　　3）當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。 </p><p>　　根據(jù)上面的功能要求，設(shè)計的時序控制電路如圖5所示。 </p><p>　　圖5中，U2與門74ls21作為搶答的控制信號；U12與門74ls11

19、和U13與門74ls21的作用是控制時鐘信號CP的放行與禁止；U11與門74ls11的作用是控制74LS175的輸人脈端，U10的作用是控制74ls121的輸入脈沖端。工作原理是：主持人控制開關(guān)從“清除”位置撥到“開始”位置時，74LS175的輸出 Q！=1，U2輸出為1，借位信號為1，則U12輸出為1，使U13輸出為1，則時鐘信號CP能夠加到74LS192的時鐘輸入端，定時電路進行遞減計時。同時，在定時時間未到時，則“定時到信號”為1

20、，U11和U13的輸出為1，使 74LS175和74ls192處于正常工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能（1）的要求。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，Q！＝0，U2輸出為0，封鎖 CP信號，則U12輸出為0，使U13輸出為0，定時器停止倒計時處于保持工作狀態(tài)；同時,U11的輸出為1使D觸發(fā)器觸發(fā)而輸出信號 ，也使U10輸出為0，給了74ls121一個上升沿，使74LS121處于工作狀態(tài)給蜂鳴器一個一秒的高電平，從而實現(xiàn)功能（2）的要求。當(dāng)定時時間到

21、時，則“定時到信號”為0，U10輸出為0，有給了7</p><p><b>　?。?）元器件列表 </b></p><p><b>　　表1 </b></p><p>　　5、四路搶答器總電路圖 </p><p><b>　　圖6 總電路圖</b></p>&l

22、t;p><b>　　四、成品調(diào)試</b></p><p>　　把電路焊好后，首先是對照電路圖逐一檢查電路有沒有漏焊，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有幾個管腳沒接，于是細(xì)心地接上。然后用萬用表逐一檢查有沒有虛焊或線路斷路或線路短路，但沒發(fā)現(xiàn)有虛焊等問題。下一步就接通電源調(diào)試，但電路完全沒反應(yīng)，然后用電源逐個模塊進行檢查，發(fā)現(xiàn)有些管腳還沒接上，于是在對照電路圖細(xì)心地檢查，改進后再進行接電調(diào)試，先測試脈沖的輸出

23、，正常，如圖9和圖10。但下一步發(fā)現(xiàn)倒計時是從“6”開始，然后查找74ls192的相關(guān)資料才知道其輸出端不只是數(shù)字“9”才有“1001”出現(xiàn)，在“6”的時候也是這樣（我把“1001”兩邊的“1”用或門或在一起作為反饋信號），所以修改電路圖把74ls192的反饋信號改接到其借位信號輸出端，再進行調(diào)試，這次欣喜地發(fā)現(xiàn)功能已經(jīng)實現(xiàn)了，最后完善一下電路，宣告成品大功告成。</p><p>　　圖9 555輸出脈沖

24、 圖10 74ls121輸出脈沖</p><p>　　五、設(shè)計過程中的問題和解決辦法</p><p>　?。?）在設(shè)計方案時，遇到了信號不能鎖存的問題。經(jīng)過查找資料，了解如何通過D觸發(fā)器的輸出信號來反饋回D觸發(fā)器的脈沖端來進行鎖存。</p><p>　?。?）在仿真時遇到了555不能仿真和沒仿真元件74ls121的問題。通過翻閱書本了解

25、555如何準(zhǔn)確使用和上網(wǎng)搜索74ls121的代替元件來解決。</p><p>　?。?）當(dāng)焊完電路調(diào)試時，數(shù)碼管沒顯示。于是對照電路圖來逐一檢查，發(fā)現(xiàn)有些管腳沒接上。例如數(shù)碼管的接地端沒接地、74ls192的CLR腳沒接地等等。</p><p>　　六、設(shè)計成品的優(yōu)點與不足</p><p>　　優(yōu)點：元器件較少，功能滿足要求</p><p>

26、<b>　　不足：</b></p><p>　?。?）在設(shè)計時，用了D觸發(fā)器來進行搶答信號的篩選和鎖存，在同時按下S0和S1時（其同時按下的幾率較小，其可精確到微秒甚至納秒級，但情況還是會存在的）會顯示“3”，而按S2時也會顯示“3”，所以顯示“3”的幾率大一點，但幾率很小。</p><p>　　改良：可改用編碼器和鎖存器來代替D觸發(fā)器。</p><

27、;p>　?。?）電路跳線較多，使得電路板外觀不好。</p><p>　　改良：焊線路前應(yīng)細(xì)心考慮元件的排布和線路的連接。</p><p><b>　　七、心得體會 </b></p><p>　　這一課程設(shè)計使我們將課堂上的理論知識有了進步的了解，并增強了對數(shù)字電子技術(shù)這門課程的興趣。了解了更多電子元件的工作原理，如：74LS121、74L

28、S48、74ls192等。但同時也暴露出我在知識上掌握不足等缺點。其次在此次設(shè)計過程中由于我們頻繁的使用一電子設(shè)計軟件如：Multisim等，因此使我熟悉了軟件的使用，同時在電腦的電子設(shè)計和繪圖操作上有了進一步提高。加上在設(shè)計過程中遇到了一些問題，使得我得查找相關(guān)資料，從而增長知識的同時增強解決問題和動手的能力，鍛煉我做事細(xì)心、用心、耐心的能耐。這一課程設(shè)計，使我向更高的精神和知識層次邁向一大步。所以在以后的學(xué)習(xí)生活中，我會努力學(xué)習(xí)，培