四人智力竞赛抢答器.docx
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四人智力竞赛抢答器
四人智力竞赛抢答器
设计题目：
一、设计题目：
四人智力竞赛抢答器二、1、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。
2、设计任务与要求、
1）设计任务）设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。
用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1秒。
选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。
2）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，同时扬声器给出音响提示，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。
（4）抢答器具有定时（9秒）抢答的功能。
当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续1秒。
参赛选手在设定时间（9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
（5）如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。
系统扬声器报警（音响持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。
（6）可用石英晶体振荡器或者555定时器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。
3、四人智力竞赛抢答器电路原理及设计、
电路主要由脉冲产生电路、锁存电路、编码及译码显示电路、倒计时电路和音响产生电路组成。
当有选手抢答时，首先锁存，阻止其他选手抢答，然后编码，再经4线7段译码器将数字显示在显示器上同时产生音响。
主持人宣布开始抢答时，倒计时电路启动由9计到0，如有选手抢答，倒计时停止。
电路系统结构如图13：
脉冲电路
主持人
倒计时器
译码器
数码显示
扬声器选手
锁存器
编码转换电路3
译码器
数码显示
扬声器
图：
四人智能抢答器原理框图三、单元电路设计及元器件选择1）以锁存器为中心的编码显示电路
（1）方案比较三种方案的电路图如下所示：
A）备注：
下与门接1kHZ的5v的脉冲电源。
5V74LS32D74LS21N
4512131981D2D3D4D~CLRCLKGNDVCC1Q~1Q2Q~2Q3Q~3Q4Q~4Q16237610111514161312111091514
CK
71263548
ABCD~LT~RBI~BI/RBOGND
Key=AKey=BKey=CKey=D
74LS32D
VCCOAOBOCODOEOFOG
ABCDEFG
74LS21N
74LS48D200¦¸200¦¸200¦¸200¦¸200¦¸200¦¸200¦¸
74LS175D
74AS08N
74LS21N
1kHz5V
74LS21D74LS21N
4
2316
~1S1~1S2~1R1~1S3~1R2
1Q1
4
1Q2
7
215VVCC10kSPST0
5
15
231
74LS279D
~1S1~1S2~1R1~1S3~1R21Q271Q14
225V23
71263548ABCD~LT~RBI~BI/RBOGND
162510k26SPSTSPSTSPST0SPST10k10k10k10k3110k2710k283010k
10111213123458D0D1D2D3D4D5D6D7EIGNDVCCA0A1A2GSEO169761415
65
VCC
VCCOAOBOCODOEOFOG161312111091514
74LS279D17
2316~1S1~1S2~1R1~1S3~1R21Q271Q14
24
0
5671234
GFEDCBA
810k
CK
0
29
18019
74LS148D
20
74LS48D
5
74LS279D
23165~1S1~1S2~1R1~1S3~1R21Q271Q14
74LS279D
分析三个方案电路，都能实现分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号同时禁止其他选手按键操作无效的功能。
以锁存器为中心的编码显示电路的方案一的编码器使用了芯片74LS148，具有优先编码功能，方案二的编码转换电路用了普通的门电路构成，虽然也能相应地编码，但连接起来较麻烦。
方案三：
当按键松开即按下时，74LS148的YEX=1,此时由于仍为1Q＝１，使ST＝１，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。
如有再次抢答需由主持人将Ｓ开关重新置于“清除”然后再进行下一轮抢答，但有时会出现误差，而芯片数量也繁多，不宜连接。
以此，选用方案一比较合适。
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方案一的电路是以四D触发器74LS175为中心的编码锁存系统，74LS175而为一四路的锁存器，通过输出4个位的~Q相与，然后控制175的~CLR端，来锁存现有的“组”状态。
如当第一组按下时，通过编码，再取反码后翻译显示在7段数字显示器上。
对应的是显示“1”可见，抢答信号的锁存可通过D触发。
器的输出相“与”反馈门控触发脉冲实现，当无人抢答时，4个D触发器的输出Q非相与，为“1”时，脉冲能够进入触发器，有一人抢答时，与门中有一个变为“0”，使脉冲不能进入触发器，从而防止其他人抢答，而显示器上只显示先抢答人的编号。
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。
表5.24.1EI1000I0×1××I1×1××优先编码器74LS148功能表（×代表任意状态）输入输出I2I3I4I5I6I7A2A1A0GS××××××11111111111111×××××00000××××010010
EO1011
0×××××011010010××××0111011010×××01111100010××011111101010×01111111100100111111111101编码器74LS148的作用是把锁存器的输出转化成8421BCD码，进而送给7段显示译码器，然后得到相应的显示。
无人抢答时，输出为零，有人抢答时，D触发器将数据送出同时封锁触发器脉冲，使其他人不能抢答，送出数据经编码器成为8421BCD码，送到七段显示器上，显示抢答选手的号码。
（2）元件选择根据LED的特性，LED二极管反平均工作电流应控制在10～15mA之间。
一英寸以下的LED数码管内，每一笔段含有1只LED发光二极管，导通压降VF为1.2V～2.5V，IF为LED工作电流；VDD为电源电压，VON为导通压降，R为限流电阻。
所以当VDD=5V，VF=2.0V，VON=0.2V，IF=15mA时，根据V−VF−VONV−VF−VON=2.8V≈200ΩIF=DDR=DD15mARIF所以限流电阻R取为200Ω。
6
2）脉冲产生电路
（1）方案比较因为石英晶体振荡器的震荡频率稳定性极高，设计要非常谨慎和恰当才能输出精确稳定的脉冲，因此要求很高。
但由于电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要多次分频，较为复杂，所以宜采用555定时器构成的多谐振荡器，使其产生需要的1秒周期方波作为计数器的CP脉冲。
而在抢答电路中的4D触发器的CP脉冲，宜使用555定时器产生高频方波，使其能准确地锁存。
用555定时器构成的多谐振荡器，其电路如下图所示：
（2）元件选择，参数计算根据555定时器构成的多谐振荡器电路的振荡周期T=（R1+2R2）Cln2=0.7（R1+2R2）C=1S,所以当C取为10uF时，为了让输出波形较为稳定，应使R1和R2两者的值相近，取R1=R2，则根据多谐振荡器电路的振荡周期有R1=R2=T/（0.7*3C）=1/（0.7*3*10*10-6）=47000Ω=47KΩ从仿真的效果看，C分别取10nf和800nf~1uf输出时间比较合理。
3）倒计时显示电路
（1）倒计时显示电路的原理电路图如下所示，该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS190减法计数电路、74LS48译码电路和1个7段数码管等相关电路组成。
74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由555定时器的输出提供。
74LS190的预置数控制端实现预置数，根据设计要求，通过预置时间电路对计数器进行预置时间为9S，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。
主持人宣布开始时，按下按钮后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管显示上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。
由图可知，当倒计时输出不为零时，“或”门输出为“1”，与脉冲同时输入到“与”门中，使脉冲可以送给计数器，当计数器输出为零时，“或”门输出为，使脉冲不能输入到计数器中，从而使计数器停在“0”。
“0”
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倒计时显示电路图
（2）元件选择，参数计算同样在七段数码管电路中，为了获得良好发光效果，LED二极管反平均工作电流应控制在10～15mA之间。
发光二极管的导通压降VF一般为1.2V～2.5V，IF为LED工作电流；VDD为电源电压，VON为导通压降，R为限流电阻。
所以当VDD=5V，VF=2.0V，VON=0.2V，IF=15mA时，根据V−VF−VON=2.8V≈200ΩV−VF−VONR=DDIF=DD15mARIF即数码管的限流电阻R取为200Ω。
理论上：
根据555定时器构成的多谐振荡器电路的振荡周期T=（R1+2R2）Cln2=0.7（R1+2R2）C=1S,所以当C取为10uF时，为了让输出波形较为稳定，应使R1和R2两者的值相近，取R1=R2，则根据多谐振荡器电路的振荡周期有R1=R2=T/（0.7*3C）=1/（0.7*3*10*10-6）=47000Ω=47KΩ而实际仿真时，采用上图电路仿真效果比较好。
4）音响电路
（1）方案比较方案一：
555定时器和三极管构成的音响电路由555定时器和三极管构成的音响电路如图下所示。
其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，T=（R1+2R2）Cln2=0.7（R1+2R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
8
图：
555定时器和三极管构成的音响电路方案二：
集成单稳态触发器74LS121构成音响电路该电路是由集成单稳态触发器74LS121构成一个在下降沿触发的触发器，再接入蜂鸣器，根据单稳态触发器74LS121产生定宽的抢答输出脉冲宽度t=0.69RC计算，使得蜂鸣器的鸣叫时间为1秒。
再由主持人，选手，倒计时共同控制它的输入，使其在主持人开始，选手抢答，倒计时到零时都能鸣叫。
因为集成单稳态触发器74LS121可以保证在触发脉冲宽度大于输出脉冲宽度时输出脉冲的下降沿仍然很陡，具有边沿触发的性质，所以宜用方案二。
由于仿真器上没有集成单稳态触发器74LS121芯片，而multsim软件中没有121芯片。
这里的电路用555定时器接成的单稳态触发器代替74LS121构成的音响电路。
5V74LS11N100k
RSTDISTHRTRICONGNDVCCOUT
BUZZER200mHz
10uF910nF
555_VIRTUAL
图：
集成单稳态触发器74LS121构成音响电路
9
（2）元件选择，参数计算蜂鸣器鸣叫时间为1S，也是输出脉冲宽度的时间。
555定时器接成的单稳态触发器的输出脉冲宽度的时间为TW=RCln3=1.1RC=1S,取R为100KΩ，则C为10uF（而集成单稳态触发器74LS121的输出脉冲宽度的公式为TW=RextCextln2=0.7RextCext=1S,通常Rext的取值在2——30KΩ之间，Cext的取值在10pF----10uF之间。
在此
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ad
取Rext的为值30KΩ，则Cext的值为47uF。
）4、系统的电路总图:
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四、元件清单四人智力竞赛抢答器电路总图
元件清单（标号、型号规格及大小、数量）：
序号123456789101112131415161718192021222324名称4输入与门3输入与门2输入与门2输入或门非门电阻电阻电阻电阻电容电容电容电容4D触发器十进制减法计算器译码器编码器七段数码显示器555定时器单稳态触发器开关按钮导线蜂鸣器型号规格74LS2174LS11740874LS327404200Ω47KΩ30KΩ100KΩ47uF10uF1uF1nF74LS17574LS19074LS4874LS148共阴74LS121数量12111162131121112122114若干1
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五、电路和程序调试过程与结果：
电路和程序调试过程与结果：
四人智力竞赛抢答器电路的设计逻辑流程：
（1）组装调试抢答器电路。
把上面所设计的单元电路连接起来可得到整机电路。
然后可在印刷电路板上焊接分立元件并进行调试。
（2）可预置时间的倒计时电路，并进行组装和调试。
当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行减计时，当减计时到零时，选手抢答无效。
（3）调试声响电路。
检查主持人开始、选手抢答、倒计到0时，蜂鸣器是否鸣叫1秒。
（4）定时抢答器的联调，注意各部分电路之间的时序配合关系。
然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。
四人智力竞赛抢答器电路调试的过程：
1.测试使用的主要的仪器和仪表是万用表。
2．调试电路的方法和技巧是用红黑表笔测试接电源处是否有电压显示，再用表笔分别测试各集成块和电阻，电容的电压，注意用手背触摸一下，检查各仪器是否发热工作。
3．测试的数据高电平显示为5V，低电平为0V，蜂鸣器鸣叫是的电压为3.0V左右等。
四人智力竞赛抢答器电路测试结果：
1、刚开始，即主持人宣布开始并按下开关时，蜂鸣器鸣叫1S，选手抢答时鸣叫1S，倒计时器到0无人抢答时鸣叫1S。
2、当有一个选手抢答后，数码管立即显示该选手的编号，并且其他选手再抢答时无效。
3、倒计时器的倒计时时间为9S，倒计开始时数码管显示为9，倒计结束时显示为0。
综述，测试的结果基本符合设计要求。
误差分析：
误差的来源主要有系统误差（固有误差）和偶然误差（随机误差）。
而产生系统误差的原因有：
仪器本身的缺陷、理论公式和测量方法的近似性、环境的改变和个人存在的不良测量习惯等。
系统误差来源有工具误差、装置误差、人身误差、外界误差、方法误差等。
偶然误差主要是某种未知的偶然因素对实验者、仪器、被测物理量的影响而产生的。
本设计中，器件实际测量参数跟理论参数不吻合是引起误差的最大原因。
例如，设计要求的倒计时9秒，可跟实际时间相比，当电路工作时却只有8点多秒，比实际时间偏小。
由于仿真与实际不同的问题，而仿真的时候用的电阻阻值也不与理论值一样，因此导致很多不准确的因素产生。
如显示器在做减数计算时，显示频率比较快，不到一秒的频率。
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六、总结与体会总结与体会
本次课程设计，利用上学期的数电的知识和电路理论知识，亲手设计一个电路——抢答器。
虽然最后审核的时候，功能不能通过，但经过了两个星期的调试，和重新焊接了另外的两个板，收获很大，特别是调试的时候，和文龙同学一起合作调试，其中有喜悦的时候，也有很纠结的时候。
不用protel布线，直接用万用版去做这个焊接工作，其结果真的很难和仿真的一致，另我俩感觉到了multisim的各种不完善和对比的quarter2的真正强大之处。
不管结果怎么样，在这个过程中，也体验到了熬夜复习数电知识和查各种芯片参赛的味道。
是的，理论知识总是容易遗忘的东西，但是重新重实践中复习，先得更加容易接受和体味更深。
本次抢答器设计，一开始设计的时候，按照设计框图的提升，然后对照各部分电路的设计基础来进行总的设计构想，然后。
在电路元件的参赛选择，如电阻阻值和电容大小的选择，真是挺靠理论知识的。
同时自己也参考了一些文献，总体上，这次课程设计除了不能调试成功的失败之处外，其他算基本另自己感到满意，打算在暑假有空的时候，也做做交通灯的设计电路。
通过这次的课程设计，我想了很多东西，也问了自己很多东西。
看到了现实生活中很多电器的控制，原来都是这么容易实现的。
不知道为什么，越来越发现自己电子专业的趣味性，并且对自己专业的了解深了很多。
在学习理论知识的同时，也动手动脑去实现一些有趣的电路设计，令人很畅快。
然而，当遇到一些暂时能力不能实现的东西，真的有点不尽人意。
例如有些程序需要很强的理论知识，有些知识需要买一些很贵的板才能实现。
在这里，很希望学校能更新我们的教学设施设备，能让我们也享受这电子的风味。
【参考文献】七、参考文献】1、阎石.《数字电子技术基础》高等教育出版社，第五版2、康华光.《电子技术基础》高等教育出版社3、周誉昌、蒋力立，《电工电子技术实验》4、彭华林等编.《数字电子技术》湖南大学出版社5、互联网相关资源搜索
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