智力竞赛抢答器电路课程设计说明书

1、智力竞赛抢答器电路设计1技术指标设计一个四组抢答器,有人抢答时,蜂鸣器发声,同时优先抢答者对应的指示灯亮, 而后抢答者对应的指示灯不亮.主持人具有将抢答器复原的功能.2设计方案及其比较2.1 方案一采用74LS175为主芯片的设计方案图1为74LS175管脚图.其中,CLR异步清零限制端低电平有效.D1D4是并行 数据输入端,CLK为时钟脉冲端,Q1Q4是并行数据输出端,/Q1/Q4是Q1Q4的反码 数据输出端.注：/Q1代表Q1的非,下同图1 74LS175管脚图表1为74LS175的功能表.当CLK引脚输入上升沿时,D1D4被锁存到输出端Q1Q4o在CLK其他状态时,输出与输入无关.其异步

2、复位端为低电平时,Q1Q4输出为低,/Q1/Q4输出为高表1 74LS175的功能表清零时钟输入输出工作模式CLRCLK1D2D3D4D1Q2Q3Q4Q0XXXXX0000开少泊令1T1D2D3D4D1D2D3D4D数码存放11XXXX保持数据保持10XXXX保持数据保持抢答器的电路设计图使用Protel绘制,结果如图2所示图2抢答器电路设计图方案一其工作原理为：电路上电后,按下复位按键 S0 裁判实现清零功能,/Q1/Q4输 出高电平,与之相连接的指示用的四个 LED全熄灭.同时以Q1Q4作为输入的或非门输 出为高电平,经非门输出低电平,蜂鸣器不响；经与门使脉冲正常输入.松开复位键,电 路进

3、入准备状态.假设有按键 S3 3号选手被按下,Q3输出变为高电平,/Q3变为低电 平.从而导致对应得LED被点亮,或非门的输出将由高变成低电平,经非门变为高电平使 蜂鸣器鸣叫.同时或非门的低输出经过与门使得脉冲信号无法进入CLK端,即芯片的CLK保持低电平,此时芯片处于数据保持状态,按下除复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化,即输入被锁定,到达阻止其他选手抢答的目标.而后,裁判按下复位,准 备进入下一轮抢答.2.2 方案二采用74LS192为主芯片的设计方案74LS192是同步可逆双时钟计数器,具有“异步清零和“异步置数功能,它们的 外引线管脚排列见图3,功能表如表2所示.R为清零端

4、,/LD为置数端,CP函加计数端, CP-为减计数端,/CO为非同步进位输出端,/BO为非同步借位输出端,D0D3为数据输入 端,QgQ3为数据输出端.本次设计只采用置数,清零,保持三项功能,不需要计数功能.图3 74LS192管脚图表2 74LS192/193的功能表输入输出R LD CP+ CP- D0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q31 X XX X X XX000000 X XI0 I1 I2 I3IO I1 I2 I301T1 X X X X加计数o 11TX X X X减计数0111X X X X保持抢答器的电路设计图使用Protel绘制,结果如图4所示.其工作原理为：电路上

5、电后,将 CP+即UP始终置于高电平,按下清零按键 S0裁判,QO-Q3即QA-QD输出低电平,与之相连接的指示用的四个LED全熄灭.同时以Q0-Q3作为输入的或门输出为低电平,蜂鸣器不响, CP-即DWN和/LD均为低电平.松 开清零按键,电路进入准备状态送数状态.这时,假设有按键S2 2号选手被按下,Q2被送入高电平,对应的LED被点亮,或门的输出将由低变成高电平,蜂鸣器鸣叫.同时 CP-和/LD均为高电平,此时芯片处于数据保持状态,按下除复位之外的任何的按键都将不 会发生电路状态的变化,即输入被锁定,到达阻止其他选手抢答的目标.而后,裁判按下2.3 方案比较方案一与方案二整个设计思路是一

6、样的,主要区别就在于根据不同的主芯片稍加改造 电路布局.可以发现,方案二设计较简便,只使用了 2个芯片,而且不需要外加时钟脉冲, 在条件相对简陋的情况下具有优势.3实现方案以CC4042®存器为主芯片设计方案图5为4D锁存器CC4042的外引线排列图,表3为其功能表.其中,D1D4是数据 输入端,CP为时钟输入端,M为时钟方式限制端,Q1Q4是并行数据输出端,/Q1/Q4是Q1Q4的反码数据输出端.Vdd 4Q 4D 3D 3Q 3Q 2Q 2Q76 1同 |77| |73)回 问问r9i)CC4042L1JILjJLaJIjJL6JIzJL8J 4Q 1Q 1Q 1D CP M 2

7、D Vss图5 CC4042g四D锁存器外引线排列图W-PBL51K本次设计采用低电平限制,即置 M POL为低电平,电路设计如图6所示RSIKR7IE表3 CC4042功能表CPMDQQLLDDDTLX锁存HHDDDHX锁存图6抢答器电路实现方案工作原理为：电路上电后,复位按键 S0 裁判打向低电平,经过与门作用使 CP处于低电平.由于此时4位选手按键均未按下,故 Q1Q4输出低电平,与之相连接的指示 用的四个LED全熄灭./Q1/Q4输出高电平,以其作为输入的与非门输出为低电平,蜂鸣 器不响.将S0打向高电平,电路进入准备状态.这时,假设有按键 S1 1号选手被按下, Q1输出高电平,对应

8、得LED被点亮.同时/Q1变为低电平,与非门的输出将由低变成高电 平,蜂鸣器鸣叫.同时与非门的输出再经过与门使得CP变为高电平,产生一个上升沿,芯片立即锁存,即输入被锁定,到达阻止其他选手抢答的目标.而后,裁判置开关于低电 平,CP重新回到低电平,此时由于4选手的按键也都回到了低电平,Q1Q4输出又全为 低电平,灯全灭,蜂鸣器停止鸣叫,实现了复位功能.等待进入下一轮抢答.各元器件功能：CC404项存器,与非门,与门：实现抢答功能.开关：选手和裁判用于抢答或复位.发光二极管：指示抢答成功的对应选手.蜂鸣器：提示有人抢答.电阻：限制电流大小,预防电流过大烧毁元件.实物连线所用元器件清单如表4所示.

9、表4四人抢答器电路元件清单厅P品 名型号/规格数量配件图号实测情况1数字集成电路CC40421U1正常2数字集成电路74LS201U2A正常3数字集成电路74LS081U3A正常4按键SW-PB4S1S4正常5按键SW-SPDT1S0正常6碳膜电阻1 KQ5R5R9正常7碳膜电阻500 Q4R1R4正常8发光二极管4D1D4正常4调试过程及结论第一步：再次核对原理图与连线,并利用万用表测量各条线路是否接通.经测量检验 电路根本无误第二步：检查完毕后,上电调试一次上电发现的问题：可以多人同时抢答多人灯亮,裁判无法实现复位功能.原因：仔细查找发现连线错误.解决：更改连线使之正确后全部再复查一遍保证

10、无误,并再次上电测试.二次调试发现的问题：芯片抢答功能在 5V电压同时下正常工作,蜂鸣器不响；蜂鸣 器在6V左右电压下正常鸣叫,芯片无法正常工作,出现多人同时灯亮原因：芯片正常工作电压为5V,而此时作用在蜂鸣器上的电压缺乏以使其鸣叫或声音 极其微小；而当电压为6V左右,蜂鸣器可以正常鸣叫时,74LS175输出的所谓低电平实际 上已经超过了额定低电平上限值,电路仍认为输出高电平,即产生不了低电平,芯片无法 锁存,就出现多人灯亮情况.解决：先用发光二极管代替蜂鸣器进行测试,灯亮即代表蜂鸣器鸣叫.经测试此时一 切功能均正常,抢答,复位,灯的指示均可以实现.只要再寻找适宜参数的蜂鸣器即可.结论：经过测

11、试,实现方案可以实现预期功能,设计方案及布线连接均正确.5心得体会本次课程设计是进入大学以来的第一次设计,也是在初步接触了专业知识后第一次加 以利用,在这历时两个星期学习实践中,我发现了许多,学会了许多.设计的第一阶段就是自己查找资料,根据所学知识自行设计多种方案.这一阶段让我 明白了资料的重要性.以前很多时候做东西都不需要查资料,仅靠课本知识就能完成,或 者就是从网上下资料后原封不动的照搬照抄,甚至搞完之后还不知道资料里说的是什么. 这一次就有所不同,网上没有现成的也根本不允许抄袭,因此对于设计的大大小小各方面 都要靠自己点滴搜寻.从芯片的型号,管脚图,功能表,到电阻的参数,开关的类型,实

12、物连接时的本卷须知,方方面面都要涉及到.这些琐碎的东西也让我掌握了查找资料的技 巧.比方先总体在局部,从主要到次要,理清设计思路,搞懂设计原理后查找起来就方便 快捷多了.在预辩论结束后就进入第二阶段：实物电路的组装与调试.这次是两人一组进行的, 团体协作的重要性就表达出来了.首先我们先进行了元器件的检查,这一步常被初学者忽 略,但又极为关键.通过检查没有发现问题,而另外一组检查发现蜂鸣器坏了,可见如果 不检查,后果就是调试时走向歧途.接着就是布线排版,面包板不大,且布线要求横平竖 直、不能弯曲、贴板进行,如何使布线简洁美观就是个大学问.在我们规划时确实碰到了 不少问题,并没有想象中那么容易.这

13、也警示我们以后做任何一个工程,前期规划是必须 而且要细致进行的.然后开始正式组装了.由于插孔细密,难免看错,于是我们两人一个 插线一个检查,保证一次成功,而且检查不只是插孔有没错误,还有电路是否接通.经过 万用表的测量让我发现面包板有一排插孔有问题,及时修改了规划,更换了线路,有效减 少了调试时间.“检查随时进行一一我得出的又一个心得.而剪线插线过程也是大有技 巧,线头的短了插不牢固,长了浪费且损坏面包板,导线弯折不能太用力且最好一次成型, 否那么容易断.这些技巧都是只有亲自实践过才能体会到的.布线结束,调试发现抢答器不 能实现锁存功能,即可以多人抢答,这让我很失望.但一想到要是这么简单的电路

14、都不能 自己解决问题,以后如何工作于是再次鼓足精神,在再次确定了元件和原理没问题后, 就是艰难的查找过程.一根根导线,一条条线路,逐步排查,幸运的是很快我们就发现有 导线连接错误,待改正后问题解决了.而后碰到的芯片正常工作而蜂鸣器不响,蜂鸣器响 那么芯片无法正常工作,研究发现是提供的元件参数问题.这一阶段结束后,感触颇多.合 作的重要,小技巧的运用,工作要细心,要有坚持不懈的精神,元件参数选择任何一 项都是切身感受的,实践是检验真理的唯一标准,说的果然不假.理论上再好,不经过实 践验证,永远是行不通的.第三阶段就是撰写说明书.成果是用于造福人类的,要是别人看不懂不明白就无从谈 起了,可见成果说明的重要性.既要说的通俗易懂,又要杜绝长篇大论,文笔的技巧包含 其中.那些认为自己动手水平强而轻视文字说明的人就吃了苦头.总的看来,通过这次课程设计,水平上的提升是毋庸置疑的,但我认为更重要的是对 成果的研发实现流程有了大体的了解,开始提升以后工作所必备的综合素质.以前总感觉 设计东西是