搜索
四人智力竞赛抢答器一、设计目的1.掌握四人智力竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法。二、设计任务与要求1、设计任务1）设计一个4路（1～4）智力竞赛抢答器，主持人可控制系统的清零和抢答的开始，控制电路可实现最快抢答选手按键抢答的判别和锁定功能，并禁止后续其他选手抢答。（2）抢答选手确定后给出一声音响的提示和选手编号的显示，抢答选手的编号显示保持到系统被清零为止。2、发挥部分（1）扩展为10路（1～10）智力竞赛抢答器。（2）设计抢答最长时间（30秒）限制和倒计时显示。3、选用器材表1序号器件名称数量备注U174LS201四输入与非门U274LS1751D触发器U374LS4817段数码管译码器U474LS14818-3线编码器U574LS0416端非门U674LS3214端或门7S80501NPN三极管8按键59蜂鸣器15v有源10BCD七段数码管1共阴极4、设计要求(1)4名选手编号为：1，2，3，4。各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。(2)给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。(3)抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时蜂鸣器发出响声提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。三、设计方案选取与论证图1系统框图1、系统框图当主持人宣布开始，数码管给出提示，当某选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状态。最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。如图1.2、设计方案抢答器的总体框图如上图所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成定时抢答的功能。抢答器具有锁存、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的编码显示出来，接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。3、方案比较方案1：采用CD4511芯片作为抢答信号的触发、锁存和译码输出。这样虽然比较简便，但实际在实现锁存功能时比较繁琐难实现。方案2：采用D触发器、四输入与非门、或门和非门来完成抢答部分。编码器、译码器用于显示部分。虽然使用元件比较较多，但在实现锁存功能时可以简单的实现。抢答按钮触发器锁存电路编码电路主持人控制开关控制电路报警电路显示电路译码电路经过对比两方案的优缺点，决定采用抢答信号锁存简单实现的方案2。然后利用软件Proteus来进行仿真调试，再进行逐步改进。4、单元电路设计（1）抢答电路电路如图2所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁定74LS175的功能真值表即优先抢答者的编号，二是要使其他选手随后的按键操作无效，即对触发器的输出结果进行锁存。74LS175具有四个独立的D触发器，触发器是数字电路中能够实现记忆功能的基本逻辑器件，是二进制信息存贮器件。触发器具有两种能自行保存的稳定状态，用来记忆0或1两种逻辑状态。0或l两种逻辑状态在实际电路中可以用低电压(逻辑0)和高电压(逻辑l)来实现，就是通常所说的线路中没电、有电两种情况。简单来说，触发器的工作就是将电能存下来或不存[6]。触发器所处的状态通常用其输出端的输出信号来表示。例如，设正信号输出端为变量Q，反信号输出端为变量Q，当Q=0Q，=1时，表示0状态;当Q=1Q，=0时，表示l状态。触发器能够根据其输入端的不同输入信号，将JK所处的状态置成0或l。换句话说，在一定的外界信号作用下，触发器可以从一个稳定状态(0或l)翻转到另一个稳定状态(0或l)。并且，在置数信号消失后触发器能将新置入的0状态或l状态保存下来，其输出端会持续地输出低电压或高电压[6]。触发器的这些功能完全满足智力竞赛抢答电路设计中“记忆”功能的要求。如右图为74LS175引脚图。74LS148为8线－3线优先编码器，表4.1.1为其真值表，表4.1.2为其功能表,图4.1.1为其管脚图。I0I1I2I3I4I5I6I7SY0Y1Y2YEXYsY09761415101112131234574LS148Y01234567874LS148161514131211109I4I5I6I7S(E)Y2Y1GNDVCCYSYEXI3I2I1I0Y0(a)(b)74LS148管脚图表4.1.274LS1488线—3线二进制编码器真值表74LS148工作原理如下：该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。表明编码器处于工作状态，否则为1。由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS＝0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，……，0。输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如5为0。且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理。图2抢答电路其工作原理为：采用74LS175当主持人控制开关处于“清除”时，D触发器的清零端为低电平，使D触发器被强制清零，输入的抢答信号无效。当主持人将开关拨到“开始”时，D触发器Q非端前一状态为高电平，四个Q非端与在一起为高电平，再和抢答按键信号和借位信号与在一起经过或门电路74LS32，只要有一个抢答按键按下，就会给D触发器的脉冲端一个上升沿触发信号，触发器数据锁存，当没人抢答时，抢答信号为低电平，输出端为低电平给D触发器脉冲端，使得抢答信号经D触发器触发锁存再经过编码器器74ls148将四个触发器的输出状态进行BCD编码，然后再经74LS48译码器把相应的信号显示在共阴极的数码管上。另外，当选手松开按键后，D触发器的Q非前一状态为低电平，与在一起后给与非门74LS20,使得与非门的输出端为低电平给D触发器，则D触发器的脉冲输入端恢复原来状态，从而使得其他选手按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性及抢答电路的准确性。当选手回答完毕，主持人控制开关S是抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。5、四路抢答器仿真电路图6、原理图，PCB图绘制使用AltiumDesigner对电路图进行绘制，首先创建一个PCB工程，再加入原理图和PCB图。原理图PCB图四、硬件的装配、调试及测试数据把电路焊好后，首先是对照电路图逐一检查电路有没有漏焊，经检查发现有几个管脚没接，于是细心地接上。然后用万用表逐一检查有没有虚焊或线路断路或线路短路，但没发现有虚焊等问题。结果电源接完之后亮度太暗而且蜂鸣器不响。五、设计过程中的问题和解决办法（1）在设计方案时，遇到了信号不能锁存的问题。经过查找资料，了解如何通过D触发器的输出信号来反馈回D触发器的脉冲端来进行锁存。（2）在仿真时遇到了74LS不能驱动数码管显示。通过翻阅书本了解74LS48如何准确使用和上网搜索来解决。（3）当焊完电路调试时，数码管显示暗，蜂鸣器响应不足。六、设计成品的优点与不足优点：元器件较少，功能满足要求不足：（1）在设计时，用了D触发器来进行抢答信号的筛选和锁存，在同时按下S0和S1时（其同时按下的几率较小，其可精确到微秒甚至纳秒级，但情况还是会存在的）会显示“3”，而按S2时也会显示“3”，所以显示“3”的几率大一点，但几率很小。改良：可改用编码器和锁存器来代替D触发器。（2）电路跳线较多，使得电路板外观不好。改良：焊线路前应细心考虑元件的排布和线路的连接，用双面板焊接。七、心得体会这一课程设计，使我向更高的精神和知识层次迈向一大步。在设计电路中暴露了许多知识上面的不足，遇到问题也找不出具体的解决办法，让我对自己很失望。