四人智力抢答器设计.docx

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四人智力抢答器设计

四人智能抢答器

设计报告

摘要---------------------------------------------------------------------------3

前言---------------------------------------------------------------------------4

第一章设计要求----------------------------------------------------------5

1.1设计任务-------------------------------------------------------------5

1.2基本要求-------------------------------------------------------------5

1.3选用器材-------------------------------------------------------------5

第二章系统工作原理------------------------------------------6

2.1系统的工作原理-----------------------------------------------------6

第三章电路设计--------------------------------------------------------------7

3.1方案的选择-----------------------------------------------------------7

3.1.1方案一----------------------------------------------------------7

3.1.2方案二----------------------------------------------------------7

3.1.3确定方案-------------------------------------------------------7

3.2单元电路设计--------------------------------------------------------8

3.2.1以锁存器为中心的编码显示电路----------------------------------------------8

3.2.2倒计时显示电路的设计---------------------------------------------8

3.2.3报警电路的设计---------------------------------------------9

3.2.4脉冲产生电路的设计----------------------------------------------10

3.3整体电路--------------------------------------------------------10

3.4555多谐振荡器的脉冲波形图--------------------------------------------------------11

3.5电路元件选择--------------------------------------------------------12

第四章电路实验与调试---------------------------------------------------13

4.1焊接--------------------------------------------------------------------13

4.2调试中出现的问题及解决-----------------------------------------13

4.3PCB板图--------------------------------------------------------14

4.4焊接的实物图--------------------------------------------------------14

第五章设计总结-----------------------------------------------------------15

参考文献-----------------------------------------------------------15

摘要

介绍了数码显示四人智力抢答器电路的组成、设计及功能，电路采用74系列常用集成电路进行设计。

该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有倒计时和报警功能。

主持人通过一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始，系统将完成自动倒计时。

若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能，若超过抢答时间则抢答无效。

该抢答器主要运用到了编码器，译码器和锁存器：

它采用74LS148来实现抢答器的选号，采用四D触发器74LS175芯片实现对号码的锁存，采用74LS190实现十进制的同步减法计数，采用555芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时功能。

通过课程设计提高和巩固了所学的专业知识，以及知识的综合应用和焊接技术。

关键词:

抢答器编码译码定时报警

前言

进入21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛,抢答记分器是必要设备。

过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。

人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。

因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。

今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。

但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是酒无法实现，例如参赛人数的增加。

随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。

而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了四人智力竞赛抢答器的设计。

第一章设计要求

1.1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。

1.2基本要求

（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2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2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。

1.3选用器材

1.直流稳压电源

2.小规模集成电路

3.数码管

4.电阻、电容元件

5.蜂鸣器、微动开关

第二章系统的工作原理

2.1系统的工作原理：

定时抢答器的总体框图如下图2.1：

图2.1抢答器工作框图

如图2.1所示电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。

同时电路完成定时抢答的功能以及报警功能。

图2.1所示电路的工作过程是：

接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（10s），当主持人将控制开关置于“开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。

当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：

（1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；

（2）扬声器发出短暂声响；

（3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；

（4）控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。

第三章电路设计

3.1方案选择

3.1.1方案一

电路大致可以由四个功能模块组成：

以锁存器为中心的编码显示电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，音响电路部分。

在锁存器为中心的编码显示电路部分中，由锁存器74LS373，编码器74LS148，显示器和门电路组成。

使用74LS373作为锁存电路，当有人抢答时，利用锁存器的输出信号将时钟脉冲置零，74LS373立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效，使用74LS148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入数码管里显示出抢答者的编号；在脉冲产生电路部分中，用555定时器予以实现，通过调节电阻的阻值最后得到符合要求的脉冲，因为可以通过改变电阻电容微调频率，取代了用分频器对高频信号进行分频，从而使电路简单了；在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS190，显示器组成。

利用74LS190计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS190被置九，同时将显示上次抢到题目的选手编号的数码管清零，并开始倒计时，，并通过74LS148编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间。

假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，蜂鸣器鸣叫一秒，停止倒计时。

在音响电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。

3.1.2方案二

电路大致可以由四个功能模块组成：

以锁存器为中心的编码显示电路部分，脉冲产生电路部分，倒计时显示电路部分，音响电路部分。

在锁存器为中心的编码显示电路部分中，由锁存器74LS373，编码器74LS148，显示器和门电路组成。

使用74LS373作为锁存电路，当有人抢答时，利用锁存器的输出信号将时钟脉冲置零，74LS373立即被锁存，同时蜂鸣器鸣叫1s，这时抢答无效，使用74LS148作为编码器，对输入的型号进行编码，输出4位的BCD码，再将这四位的BCD码输入数码管里显示出抢答者的编号；在脉冲产生电路部分中，用石英晶体振荡器予以实现，由于石英晶体的稳定性和精确性比较高，所以用其产生的脉冲信号更加稳定，同时在显示更能接近预定的值，受外界环境的干扰较少；在倒计时显示电路部分中，由计数器74LS190，显示器组成。

利用74LS190计数器作为倒计时的芯片，当主持人按下抢答按钮时，74LS190被置九，同时将显示上次抢到题目的选手编号的数码管清零，并开始倒计时，，并通过74LS148编码器将即时时间进行编码，并送到数码管，显示此时的时间。

假如在9秒内有人抢答，则计数器停止倒计时，将锁存器锁存，禁止选手抢答，蜂鸣器鸣叫一秒，停止倒计时。

在音响电路部分中，由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器，产生所需要的脉冲，然后接入蜂鸣器构成。

3.1.3确定方案

选择结果：

方案一。

原因：

虽然用555定时器构成的多谐振荡器的稳定性和精确性没有石英晶体振荡器高，但由于前者设计方便，操作简单，成为了设计时的首选。

3.2单元电路设计

3.2.1以锁存器为中心的编码显示电路

抢答信号的判断和锁存可采用触发器或锁存器。

若以四D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统，编码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。

其电路组成如图3.2.1所示：

图3.2.1编码显示电路

其工作原理是：

四D触发器74LS175的输出Q非控制显示模块显示组号。

当无人抢答时，4个D触发器的输出Q非均为“1”，相与后结果为“1”，脉冲能够进入触发器，且此时74LS48的四个输入均为“0”，经译码后数码管固定显示0。

有一人抢答时，与门中有一个变为“0”，脉冲不能进入触发器，从而防止其他人抢答，并停止计时。

将与非后的信号用于控制声音模块报警。

3.2.2倒计时显示电路的设计

该电路可采用十进制同步减法计数器74LS190，主持人宣布开始时，按下按钮，同时使计数器置数为“9”，并在脉冲作用下开始倒计时并在显示器上显示，到零时停止。

其电路组成如图3.2.2所示：

图3.2.2定时电路

1、其工作原理是：

由74LS190十进制计数器计数，（U/D）为高电平时进行减计数。

LOAD端为异步并行置入控制端，其4个输入端口固定接入“1001”，经74LS48译码后数码管显示数字“9”。

当主持人按下按键后，用于倒计时的数码管就显示“9”。

其输出端驱动BCD数码器。

190的进位输出信号（低电平输出）和抢答信号控制1HzCP信号的输入，当有选手抢答后开始倒计时，计数到0时不会再倒回9计时，同时进位输出信号控制蜂鸣器模块报警。

当主持人按下按键后，190置入预置数“9”。

图中CLK端的电容为了防抖动，使数码管倒计时正常显示。

3.2.3报警电路的设计

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。

其电路组成如图3.2.3所示：

图3.2.3报警电路

其工作原理是：

当有选手抢答时，图中的“50”端口为高电平“1”，蜂鸣器鸣叫；当主持人按下清零键时，“52”端口为低电平“0”，经过非门后为“1”，蜂鸣器鸣叫；当倒计时模块计到0时，“51”端口为低电平“0”，经非门后为“1”，蜂鸣器鸣叫。

3.2.4脉冲产生电路的设计

该单元电路由555定时器和电阻电容接合成多谐振荡器，产生所需要的脉冲。

其电路组成电路如图3.2.4所示：

图3.2.4脉冲产生电路

其工作原理是：

该模块为由555定时器构成的多谐振荡器产生10Hz的方波。

并以74LS160做10分频,产生1Hz的脉冲信号。

其中555构成多谐振荡器，振荡频率为：

，代入参数得输出频率约为10Hz。

74LS160为可预置的十进制同步计数器，RCO为进位输出端，电路中其四个输入均接地，对输入的10Hz方波进行十分频，所以RCO的输出为1Hz的方波信号，作为倒计时模块的时钟信号。

3.3整体电路

由以上几个单元电路就构成了所需功能的完整电路图如图3.3所示：

图3.3整体电路仿真图

3.4555多谐振荡器的脉冲波形图

3.5电路元件选择

元件

电阻

电容

芯片

开关

其他

型号

1k

1.49k

10u

74LS17574LS148

74LS190

74LS04

555

74LS20

74LS04

74LS11

74LS02

微动开关

蜂鸣器1个

共阴数码管2个

数量

各1

2

各1

5

各1

第四章电路实验与调试

4.1焊接

通过实验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊接工艺的重要性：

各个芯片的引脚功能不能混淆，必须了解各个芯片的使用方法，内部结构以及使用时的注意事项，该接电源的一定要接电源，该接地的一定要接地，且不能有悬空。

同时在电路板上要预先确定电源的正负端，便于区分及焊接。

正确焊接各芯片个管脚连接必须查阅各种资料并记录，以确保在焊接过程和调试过程中芯片不被烧坏，同时确保整个电路的正确性。

在焊接完后每块芯片都用万用表检测，看是否有短接等，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路。

4.2调试中出现的问题及解决方法

（1）显示电路不稳定问题

在完成电路的焊接进入调试阶段时发现抢答器数码管显示选手编号不稳定。

主要表现在单选手按下抢答键后数码管显示的不是选手当前号码。

利用万用表测试时并没有发现有连接错误或是虚焊，所以，应当是电路设计有未考虑到的地方。

后来发现是芯片的有些输入管脚处于悬空的状态，当将悬空的管脚接地以后，数码管就可以稳定正常的显示了。

（2）控制开关无法控制电路

在调试是发现当按下主持人开关时，电路没有任何改变，按选手按键时也没有明显的变化。

通过上网查询资料发现按键的一个脚处于悬空的状态，而实际上应当接上下拉电阻使其处于稳定状态，才能使按键起到作用。

（3）数码管不能正常倒计时

在进入定时电路调试时，发现数码管不能正常倒计时，会跳过一些数字。

经过测试芯片74LS190的CLK引脚时发现当示波器探头接到管脚的时候，数码管上显示的数字就会正常显示，所以考虑到可能是产生的信号不稳定，导致数码管不能正常倒计时。

4.3PCB板图

4.4焊接的实物图

元件面：

焊接面：

第五章总结

1、在开关与芯片连接的引脚上接下拉电阻，否则芯片与开关相接的引脚悬空，导致端口电压不稳定，加上下拉电阻后，让其处于稳定的低电平。

2、在74LS190芯片的CLK引脚上接上电容，防抖动，使数码管倒计时正常显示。

3、芯片不用的输入管脚需要接地，防止悬空产生不稳定的电压。

4、由于芯片多，需要连接的管脚多，所以在焊接时需要合理布局，防止虚焊或短路的情况发生。

参考文献：

[1]雍杨陈晓鸽AltiumDesignerSummer09电路设计标准教程北京：

科学出版社，2011

[2]阎石.数字电子技术基础（第五版）.北京：

高等教育出版社，2011