四路抢答器设计

09电子信息工程专业技能训练总结
题目：四路抢答器设计
班级：电子信息工程092班
姓名：
学号：
2012年5月
四路抢答器设计
一、设计要求及方案设计
1.1设计任务和要求
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。

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（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1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。

的脉冲信号，作为
(6)可用石英晶体振荡器或者555定时器产生频率为1H
z
定时计数器的CP信号。

1.2方案设计
1、方案：
倒计时电路：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被置为9，同时将选手编号的数码管清零并消隐，并开始倒计时，并通过74LS48编码器将即时时间进行编码，并送到7段共阴数码管，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74LS175锁存，禁止选手抢答，停止倒计时并显示抢答的选手号码。

如果倒计时9秒无人抢答，则停止倒计时，显示0并封锁74LS175芯片。

抢答电路：使用74LS175芯片，当有人抢答时，时钟脉冲上升沿将输入数据传送到输出端，经74LS20的一个与门后将时钟脉冲关闭，74LS175立即锁存，这时他人抢答无效，使用74LS148作为编码器，对输入的信号进行编码，输出BCD 码，由74LS48译码，得到7段码输入共阴数码管里显示出抢答者的编号。

时钟脉冲电路：由一个555时基芯片产生1KHz脉冲供抢答电路，另一个产生1Hz脉冲给倒计时电路。

2、电路流程图：
二、原理电路设计和仿真
2.1时钟电路的设计
555芯片完成产生时钟脉冲的功能。

其中556构成多谐振荡器，振荡频率为：f0=1/(R1+2R2)*C*ln2=1.43/(R1+2R2)*C
1KHz和1Hz时钟振荡器仿真：
图2.1时钟电路
2.2抢答电路的设计
抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按键的的先后，并锁存先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。

选用优先编码74LS148和锁存器74LS175可以完成上述功能，其电路组成如图所示：
图2.2Multisim仿真的抢答电路
当复位开关J5按下¡清零¡时，锁存器输出端（~4Q～~1Q）全部为高电平。

于是74LS48的BI=0，显示器灭灯。

J5弹起后J1~J4只要有一个按下，经74LS175锁存74LS148编码即可得到相应按键的BCD编码，仿真时按下J2，输出端（A2~A0）为010的BCD码，正好是2号按键的BCD码。

2.3BCD译码显示电路
74LS48能将4位BCD码转换成7段码驱动共阴数码管显示相应的数字，需要注意的是其4脚为消隐引脚，接低电平时消隐不显示，接高电平才显示，这在选手号码显示时需要用到。

A3~A0是BCD码输入端，a~g是7段码输出端，接到共阴数码管相应段上。

表174LS48BCD七段译码驱动器真值表
图2.3译码电路
2.4报警电路的设计
由74LS123组成单稳电路和三极管构成的报警电路如图3-3所示：
图3.4报警电路
2.5整体电路的设计仿真
图3.4整体电路仿真图
工作过程为：抢答开始前，先按下复位键复位，74LS192的置数端为低电位，输出非端~Q4-~Q1为高电平，经与门U5B输出低电平控制U3（74LS48）的4脚为低电平，选手号码数码管不显示，U5B输出同时送U8A非门使其输出高电平，分别控制1Hz和1KHz时钟与门U5A和U6A，U5A输出1KHz到74LS175，U6A输出1Hz
到74LS190，倒计时数码管从9开始倒计时。

倒计时未到0时可以抢答，按下J3，74LS175输入变为0010，输出为1101，经74LS148编码和74LS48译码使选手数码管显示为3，同时与门U5B输出变为1，经非门U8A出0，将时钟门U5A和U6A关上，74LS175无时钟信号输出保持1101，74LS190无时钟保持当前计数值（图中为8）。

若倒计时到0时仍无人抢答，则74LS190的12脚（MAX/MIN端）输出1，经非门U8E输出0，将时钟门U5A和U6A关上，74LS175无时钟信号而不能再抢答，74LS190无时钟保持显示0，直到按下复位键在进行下一轮抢答。

在无选手抢答和倒计时时间没到0时，非门U8A和U8E输出都为1，与门U12A 输出0，报警器BUZZER不响。

当有选手抢答或倒计时到0时，非门U8A和U8E输出有一个为0，与门U12A输出1，报警器BUZZER响。

三、PCB布线
设计仿真全部通过后开始画PCB，用protel99se软件画相应的原理图，生成网络表，再倒入PCB设计，最后布线即可。

3.1整体原理图
3.2封装
按元件清单对原理图进行封装
3.3制作开关封装
有时我们安装的封装库不一定有我们需要的全部封装，这就需要我们自己设计满足要求的元件封装，形成自定义的封装库，其具体操作为
1.右击工程打开add new to project，PCB libraries，操作区中便出现灰色网格状的PCB元件绘制图，点击菜单栏中的tools，component wizard，会出现设置向导，这时可以根据自己的需要的封装形式宽度等参数进行设定。

2.回到原理图界面，选中元件，点击add footprint，browse到刚刚设计的封装库找到相应的封装形式进行封装，这时所有的元件都有了相应的形式的封装了，最后保存下。

因为protel封装库中没找到所用开关的封装，就自己画开关的封装，如图：
3.4制作数码管封装
3.5布局与布线
3.63D效果
五、焊接与调试
5.1PCB雕刻
PCB检查无误后就可以用雕刻机雕刻了，正在雕刻中：
5.2雕刻好的板子
5.3先焊接过孔和电阻等低矮元件
5.4焊接完成，两面都焊接
5.5通电调试
开始时因为提供的数码管封装有误，本来顺时针按a、b、、、g数的提供的却是逆时针数的，网上都没找到相对应的数码管，开始做数码管封装时也很担心。

最后还是b和f、c和e段给反了，显示的数字都镜像的。

只好将b和f、c和e段铜线割断，从新按正确的顺序焊接上，最后调试成功，实现了所有设计要求。

最后正确的显示：
六、电路元件清单
名称及标号型号及大小封装形式数量锁存器74ls175DIP161个编码器74ls148DIP161个译码器74ls48DIP162个计数器74ls190DIP161个4与非门74ls20DIP142个2与非门74ls00DIP141个非门74ls04DIP141个
556NE556N DIP141个单稳触发器74ls123DIP141个复位开关SW-PB SW-PB5个
电阻200ΩAXIAL-0.35个47k AXIAL-0.32个35k AXIAL-0.31个4.7k AXIAL-0.32个10k AXIAL-0.31个10ΩAXIAL-0.31个
电容100uf RB.3/.61个10uf RB.2/.41个
104RAD-0.21个
103RAD-0.12个九针排阻1k SIP92个
7段共阴数码管¡¡¡¡2个NPN三极管8050T092-A2个
蜂鸣器¡¡¡¡1个
九、设计总结
制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，电路的焊接要一步一步来，焊点多，走线复杂。

这又要我们要灵活处理，一边操作一边构思，在不影响试验的前提下加快进度。

另外就是要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。

这是应用课本知识的大好时机。

总之，通过这次练习我有了很多收获。

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，增强了动手能力。

在改进电路的过程中，同学们共同探讨，最后的电路已经比初期设计有了很大提高。

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。