四人智力竞赛抢答器资料.docx
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四人智力竞赛抢答器资料
四人智力竞赛抢答器
4人智力竞赛抢答器
内容摘要：
该抢答器用数字显示抢答倒计时时间，由“9”倒计到“0”时，蜂鸣器连续响0.5秒。
选手抢答时，显示选手号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。
该电路采用石英晶体振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，起振快，定时精度高，使用方便。
抢答器电路：
该电路完成两个功能：
一是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；二是禁止其他选手按键操作无效。
定时电路：
节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置。
抢答具有数据锁存功能。
并将所存数据用LED七段数字显示器显示出来。
同时蜂鸣器发出间歇式声响持续时间为1秒。
主持人清零后声音提示会立即停止。
音响电路：
扬声器发生指示开始抢答、参赛选手按键抢答选中、无人抢答且抢答时间到。
时序控制电路：
时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：
①主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。
②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。
③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
一、设计内容及要求：
1.设计内容：
本课题要求设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。
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（编号显示数码管灭灯）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，改选手编号立即锁存，并在编号显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，同时封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。
优先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，要求定时器开始倒计时，并用定时显示器显示倒计时时间，同时扬声器发出音响，音响持续1秒。
参赛选手在设定时间（9秒）内抢答，抢答有效，扬声器发出音响，音响持续1秒，同时定时器停止倒计时，编号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）如果定时抢答时间已到，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）石英晶体振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。
二、电路工作原理：
电路由脉冲产生电路，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音响产生。
主持人开始时，倒计时电路启动由9计到0，如有选手抢答，倒计时停止。
三、选定系统设计方案，画出系统框图
4人智力竞赛抢答器系统框图如下所示：
主持人
选手
原理简述:
定时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。
定时抢答器的工作过程是：
接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时器倒计时。
当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。
当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：
①优先缎电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；
②扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；
③控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；
④控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。
当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。
四、单元电路设计参数计算及元器件选择
1.以锁存器为中心的编码显示电路:
此电路是以四D触发器74LS175为中心的编码锁存系统，编码器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。
其真值表为：
锁存器输出
编码器输出
Q4
Q3
Q2
Q1
D
C
B
A
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
由真值表可得出A=Q4Q3Q2Q1+Q4Q3Q2Q1，B=Q4Q3Q2Q1+Q4Q3Q2Q1
C=Q4Q3Q2Q1,D=0
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。
该部分电路如下图所示
如图所示，当无人抢答时，4个D触发器的输出Q“与”在一起，为“1”，使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。
2.脉冲产生电路：
该电路是由555定时器构成的多谐振荡器，使其产生需要的方波作为触发器和计数器的CP脉冲，由于电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频，所以采用555定时器构成的多谐振荡器，电路及波形如下图所示：
3.倒计时显示电路：
该电路使用了十进制同步减计数器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。
电路图如下所示：
如图所示，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“0”，使脉冲不能输入到计数器中，从而使计数器停在“0”。
4.音响电路：
它是由集成单稳态触发器74LS121构成一个在下降沿出发的触发器，再接入蜂鸣器，根据74LS121产生的脉冲宽度t=0.69RC计算，使得蜂鸣器的鸣叫时间为0.5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。
电路图如下：
（74LS121用MONOSTABLE代替）
（图中A1,A2为输入端）
五、画出完整的电路图
如图为总电路，锁存电路74LS175的脉冲是由3部分控制的，分别是74LS175的输出Q，555产生的脉冲和计数器的输出，当有一个人抢答或计数器计到零时，都将封锁脉冲，此时不能再抢答。
音响电路则由主持人，计数器及抢答选手控制，当主持人按下开关宣布开始，有选手抢答和计数器计到“0”时，都会给74LS121输入一个上升沿或下降沿，从而使121产生一个时间为0.5秒的脉冲是蜂鸣器发出声响。
六、系统的调试
在电路的安装过程中，为了降低错误查询的复杂程度，我采用分部连接的方法，即先连接七段数字显示器和74LS49译码器电路分别用高低电平控制ABCD端看显示其是否有显示如果成功显示每种状态者可开始下一部分的连接。
接着连接编码器电路，将A、B、C分别与A0、A1、A2、A3连接起来，控制1、2、3、4端，如果显示器显示正确则说明前面的电路一切正常。
接下来连接触发器、选手抢答开关（K1～K4）、裁判控制按钮K5及相应逻辑门电路。
将各触发器
端与74LS148连接起来，将K5离开清零端并将K1～K4有先后的按下看显示器有否显示、显示是否正确，如果正确则开始下面的电路连接，如果不正确则检查各触发器电源，CP端与各抢答开关可连接是否可靠，逐步检查触发器电路直至电路正常。
接下来是发声电路的，将555定时器连接成单稳和多稳，并将输入信号输入到扬声器中使扬声器发声。
调整555定时器相应电阻使单稳频率达到1Hz，多稳频率达到2KHz。
将控制电路与发生电路连接使其实现有人抢答扬声器响，1秒后停止，裁判清零时响声立即停止，频响间距0.5ms。
最后，整体调试，将裁判控制按钮离开清零端，抢答灯亮，开始抢答。
按下各个抢答开关看显示器显示数字是否正常。
调试电路直至显示器显示正常。
七、调试过程中遇到的问题及解决方法
⏹在设计过程中，我们首先遇到的问题是如何把选手的编号锁存起来。
后来经过查阅资料，我们利用4D触发器74LS175的锁存功能，用74LS175的输出来控制CP脉冲的通断，从而完成琐存功能。
⏹如何把74LS175的输出转化成8421BCD码也是我们遇到的一个主要问题。
后来通过列出真值表（见上面），经过反复比较选用2—4输入与门74LS21才得以实现。
⏹设计题目所要求的在主持人，选手，到计时到零时蜂鸣器的响声是最棘手的问题，通多次对电路的改进，上机仿真以及接线调试，我们利用74LS121来驱动蜂鸣器，从而实现此要求。
其工作情况如下图所示：
主持人
到计时到零无人抢答时
有人抢答时
八.设计心得体会
两周的电子课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。
在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如CP脉冲的供给通断，到计时电路的零时刻锁存，和抢答器的选手号锁存等。
在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在老师的耐心指导下，使整个电路可稳定工作。
设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。
总体来说，这次设计我受益匪浅。
在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。
在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。
九、列出参考文献
1.荣君雅等主编，数字电子技术，机械工业出版社
2.标准集成电路数据手册TTL电路，电子工业出版社
3.康华光主编，电子技术基础（数字部分），高等教育出版社
4.黄继昌等主编，数字集成电路应用300例，人民邮电出版社
5.肖景和编著，数字集成电路应用精粹，人民邮电出版社
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