课程设计（论文）-4人智力竞赛抢答器.doc

湖南商学院数模设计报告4人智力竞赛抢答器摘要：数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；主持人按开始按钮示意开始，以上两部分组成主体电路。通过定时电路实现计时功能，构成扩展电路。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。在抢答电路中利用一个优先编码器译出最先选手再抢答。当选手问答完成后，主持人将系统恢复至零。关键词：抢答、计时1、设计内容及要求：1. 设计内容抢到答题权的选手的编号并经led显示器显示出来，同时还要封锁电路以防其他：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0.5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0.5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0.5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。2、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。3、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： 振荡器译码器计时器显示器 主持人 显示编码转换电路译码器锁存器显示器显示选手 4、单元电路设计参数计算及元器件选择电路是由双d型触发器cd4013、双四输入与非门cd4012、四二输入端与非门cd4011组成的智力竞赛抢答器。电路工作时，cd4012中的与非门f1四个输入均呈高电平，f1输出低电平。由于按键开关sa1sa2均未按动，cd4013中的a1a4的d端，r端为低电平，则a1a4的q均输出高电平“1”状态，发光二极管vd1vd4不亮，cd4012中的与非门f2输出低电平，cd4011中的与非门f3无信号输出，蜂鸣片bc不发声响。若第一组先按动按键开关sa2时，a1的d1端呈高电平，a1状态发生翻转，a1的q|输出低电平“0”状态，发光二极管vd1显示发光。a1的q1|输出送出两路信号，一路送至f2的输入端，f2输出高电平使f3输出1khz音频信号，蜂鸣片ha发出声响；另一路反馈给f1的输入端，使f1输出呈高电平。因此，无论是第二组，还是其它两组再按键开关时，由于cd4013的cp端为时钟脉冲下降沿，虽d端为高电平而不起作用。故此，a2a4被锁住保持原状态，发光管vd2vd4不亮。当主持人知晓是第一组最先抢答时，便按动按键开关sa1，a1的s1端复位，a1的q1|输出高电平“1”状态，发光管vd1熄灭，bc发声停止，抢答器则又重新开始新的一轮抢答。41单元电路设计4.1.1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q4q3q2q1dcba00010001001000100100001110000100由真值表可得出 a= q4 q3 q2 q1+q4 q3 q2 q1 ，b= q4 q3 q2 q1+q4 q3 q2 q1，c=q4q3 q2 q1, 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4.1.2 抢答电路：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，通过蜂鸣器输出。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。4.1.3 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：4.1.4 报警电路：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）42 电路性能测定二极管的检测:极性的判别：将万用表置于r100档或r1k档，两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结果中，有一次测量的阻值较大（为反向电阻），一次测量出的阻值较小（为正向电阻）。在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红笔接的是二极管的负极。单负导电性能的检测及好坏的判断：通常硅二极管的电阻值为5k左右，反向电阻值为无穷大。正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。正、反向电阻值相差越悬殊。说明二极管的单项导电性越好。若测得二极管的正反向电阻值均接近0或阻值较小。则说明该二极管内部已击穿短路或漏电损坏。若测得二极管正反向电阻值都为无穷大，测管芯断路。43元器件选择集成电路a1a4，f1f2，f3的外形及管脚排列图如下图所示。发光二极管最好选用直径为10mm以上的，这样，显示的亮度清晰，但电阻r1r4的阻值微减少点，其它元器件如图标注选用。 电路中cd4012的输入只有四个，本电路则需要五个输入端。为此，采用了两只二极管vd5、vd6进行扩展，实际上是利用二极管组成一个与门，然后移植到与非门电路上去，其效果一样理想。若感到1n4148的硅二极管导通电压较高，可选项用2ao或2ak型锗二极管。为使抢答器中的按键开关与声音和亮度同步进行，将时钟脉冲的频率选为5khz，这样较高的频率，可使d触发器在发生状态改变过程中，翻转速度加快。5、完整的电路图6、调试过程中遇到的问题及解决方法1、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。2、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24输入与门74ls21才得以实现。3、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7、设计心得体会三周的电子实习，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。实习过程中，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，这次实习我受益匪浅。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。8