多路(十路)智力竞赛抢答器设计报告(完全版).doc

1、多路智力竞赛抢答器设计报告一、题目：任务设计一个多路智力竞赛抢答器。设计要求1、基本要求（1）设计一个4路（14）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（110）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。二、设计方案选取与论证：获得如图所示十路30秒倒计时抢答器的原理图。原理图由倒计时部分和抢答器部分组成。1、 原理分析抢答器部分原理：用10个选手按键通过二

2、极管直接控制4511输入端，一旦按键接通，4511则使7段数码管显示相应的数字。初始状态个位和十位数码管均显示“10”，其锁存端电位为0。在显示数字19时，十位数码管保持显示“0”，a段输出是高电平，与个位数码管的f端输出进行运算后接入4511的锁存端。将个位数码管的g端输出也接至此锁存端。观察4511真值表：可知，和g端输出在110的显示过程中至少其中之一输出高电平。故，当抢答器部分因为按键的输入导致4511输出使得数码管显示从“00”跳变到“01”“10”的数字时，使得两个4511连接起来的锁存端电位同时从低电平跳变为高电平，从而实现锁存功能。锁存以后，无论按键如何输入，也不会改变数码管显

3、示，仅当清零按键清零之后才可使锁存端电位置零。倒计时部分原理：倒计时部分与抢答器部分的连接控制（1）抢答器部分4511的锁存端（2）倒计时部分555的端。倒计时部分由555定时器组成多些振荡器，产生时间脉冲，由两片74LS192计数器芯片实现减法计数。当主持人开关打开时，倒计时预置初始数值为30减数至0，当计数至0时，锁存555使振荡器不再输出脉冲，并通过与抢答器部分的连接使抢答器部分4511的锁存端置高电平，因此当计时器从30秒倒计时至0期间无按键输入后，会同时锁存倒计时部分和抢答器部分，知道主持人开关清零为止。数码显示译码器电路抢答按钮蜂鸣器锁存器主持人开关译码器电路减数电路定时电路2、

4、整机原理框图报警电路数码显示3、 优缺点初步分析初步分析，此原理图满足设计要求，是一个十路倒计时抢答器。倒计时时间为30秒，主持人开关可控制清零使得电路处于初始状态，即：抢答部分显示“00”，倒计时部分时间显示初始时间“30”秒。当主持人清零开关打开时，正常进行倒计时和抢答功能。在情况（1）选手抢答，（2）倒计时结束，两种情况下，电路锁存，不再受选手开关影响。缺陷在于，蜂鸣在抢答结束或倒计时结束时会长鸣，而不是短促的一声。所以我在原理图的蜂鸣电路上加了一个开关，以使得在适当时候关闭蜂鸣功能，此开关在蜂鸣支路上，并不会对其他电路产生任何影响。 三、单元电路设计 倒计时部分 倒计时部分由555定时

5、器组成的多些振荡器参数选择需满足公式选择电阻15千欧，68千欧。为10u电解电容，代入数值，获得f1HZ。此外元件用到：或非门选用芯片74ls02，二极管IN4148，计数器74LS192，4511译码芯片,7段共阴数码管，0.01u电容,470欧电阻，680欧电阻。抢答部分所用元件：译码器4511,7段共阴数码管，与非门74LS00，三极管8085，二脚蜂鸣，二脚开关，6脚开关（功能类似双向闸刀开关），触点开关，二极管IN4148，470欧、10千欧电阻。此处在蜂鸣支路上加了一个开关，用以在蜂鸣长鸣时关闭蜂鸣。主持人开关为S11，双向闸刀开关，清零时令4511锁存端及按键一端接地，此时按键即

6、使闭合，输入4511依旧是低电平。所以抢答器部分会清零。见插座J1，清零时各端电平情况为，1:0；2:0。计数器端置0，输出预置数值，显示为“30”倒计时过程中JI插座1:0,2:1。计数器端置1，开始减数。无论清零或是倒计时过程中，多些振荡器一直在产生脉冲。倒计时过程中选手抢答，蜂鸣响起，JI插座1:1,2:1。或非门U2A使555端置0，故倒计时停止。若倒计时结束无人应答，计数器借位端输出低电平经过或非门U2B为1，使得JI插座1:1,2:1，使抢答和倒计时模块均锁存。此时蜂鸣响起。三、系统功能仿真验证和印制版图的设计 Proteus仿真结果如期满足设计要求： 进行protel布线，自己制

7、作数码管，6脚按键封装，布线结果如图（上抢答，下倒计时）四、硬件的装配和调试布线共有7条条线，跳线大多通过焊盘在板正面。由于布线不够有经验，焊盘口径设置得有些小，有些导线与焊盘距离过近，易产生短路，为焊接造成了困难。完成制板之后，接5V电源出现很多错误。首先是抢答器部分个位数码管有1段不亮，其次是倒计时部分显示混乱且不会计时。考虑到数码管1段不亮的情况一定在于其引脚问题，检查得，引脚跳线焊错，重焊后数码管正常显示。单独测试抢答部分发现7号按键不能实现锁存功能，经过详细排查，排除虚焊和短路的情况，且发现1号和10号按键可以照常锁存，从4511的真值表上可以看出，1和7的输出在g和f段是完全一样的

8、，难以解释为什么会期中一个不能锁存。经过长时间的研究排查，才发现所用问题出在所购4511芯片上，我所用的4511在译码7时，显示呈“7”区别于真值对应的4511输出显示“7”即 f段输出为高电平。之后将改为，问题解决。用万用表检查发现倒计时部分出现一段虚焊，修改后可以倒计时。但在将两模块连接进行十路倒计时抢答功能时，发现1,7,10不能锁存，且倒计时不能在计时至0时自动锁存。注意到按1,7,10时蜂鸣会短暂鸣一声，说明会短暂使4511锁存端置1，因此排除线路断路断路问题，并且在不加倒计时部分时，抢答部分可以正常锁存，所以可以肯定是倒计时模块的影响，考虑是R17电阻使拉低电位过低。更换680欧电

9、阻为270欧，2.7千欧，15千欧，测得电压并无大变化，但期间电压稍高时出现10按键可锁存现象，由此确定是电压影响。最后使用4节电池串联得6.4V电压测试，问题全部解决，1,7,10可锁存，且倒计时至零时实现整体锁存。五、结果分析和总结1、设计结果：最终调试测试结果实现：主持人按键清零，抢答模块显示“00”，倒计时模块显示“30”，主持人按键开始抢答，倒计时开始，抢答时数码管显示选手序号且锁存，蜂鸣鸣响，倒计时锁存。倒计时30秒过程无人应答，则倒计时结束电路锁存，蜂鸣鸣响。实现全部设计要求。2、特点分析：设计由两块板组成，便于单独调试，但由于外接短路线连接抢答模块和倒计时模块，造成偶尔有接触不

10、良现象。倒计时部分用了1个555定时器，同时控制2个计数器，因此不会出现竞争冒险，使得示数更加稳定。设计的原理图使用了较少的芯片，例如2个或非门使用同一个74ls02，也省略了编码器，电路清晰明了，功能齐全，是较好的设计。布线实现了较少的跳线，总共7根，且大多通过过孔在板正面，避免断路。缺点在于蜂鸣没有实现短暂鸣响，而是外加开关控制。3、心得体会：这次课程设计我花了很多心思，从研究原理图开始，力求一丝不苟，在布线和制板过程中出现较多问题，首先是对导线粗细没有很好的经验，使得电路险些出问题，其次在制板后发现很多问题，几乎失败，但是还是很耐心地排查错误，从现象推断原因，找到症结，最后终于成功。期间我觉得收获了很多，也复习了数字电路的很多知识，重要的是有了面对困难的坚韧，不气馁不害怕，终于体会到亲手设计制板成功的喜悦。