多路(十路)智力竞赛抢答器设计报告(完全版)

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（1～4）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（1～10）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1—9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1—10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。

2、 整机原理框图

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

抢答按钮

锁存器 译码器电路 数码显示

报警电路

译码器电路 数码显示 定时电路 减数电路 主持人开关

倒计时部分

倒计时部分由555定时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，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。