智力競賽搶答器電路設(shè)計說明書

1、智力競賽搶答器電路設(shè)計1 技術(shù)指標 設(shè)計一個四組搶答器，有人搶答時，蜂鳴器發(fā)聲，同時優(yōu)先搶答者對應(yīng)的指示燈亮，而后搶答者對應(yīng)的指示燈不亮。主持人具有將搶答器復原的功能。2 設(shè)計方案及其比較2.1 方案一采用74LS175為主芯片的設(shè)計方案圖1為74LSl75管腳圖。其中，CLR是異步清零控制端(低電平有效)。D1D4是并行數(shù)據(jù)輸入端，CLK為時鐘脈沖端，Q1Q4是并行數(shù)據(jù)輸出端，/Q1/Q4是Q1Q4的反碼數(shù)據(jù)輸出端。(注：/Q1代表Q1的非，下同)圖1 74LS175管腳圖表1為74LS175的功能表。當CLK引腳輸入上升沿時，D1D4被鎖存到輸出端（Q1Q4）。在CLK其他狀態(tài)時，輸出與輸

2、入無關(guān)。其異步復位端為低電平時，Q1Q4輸出為低，/Q1/Q4輸出為高。表1 74LS175的功能表清零時鐘輸入輸出工作模式CLK1D2D3D4D1Q2Q3Q4Q0×××××0000異步清零11D2D3D4D1D2D3D4D數(shù)碼寄存11××××保持數(shù)據(jù)保持10××××保持數(shù)據(jù)保持搶答器的電路設(shè)計圖使用Protel繪制，結(jié)果如圖2所示。圖2 搶答器電路設(shè)計圖方案一其工作原理為：電路上電后，按下復位按鍵S0（裁判）實現(xiàn)清零功能，/Q1/Q4 輸出高電平，與之相連接的指示

3、用的四個LED全熄滅。同時以Q1Q4作為輸入的或非門輸出為高電平，經(jīng)非門輸出低電平，蜂鳴器不響；經(jīng)與門使脈沖正常輸入。松開復位鍵，電路進入準備狀態(tài)。假設(shè)有按鍵S3 (3號選手)被按下，Q3輸出變?yōu)楦唠娖剑?Q3變?yōu)榈碗娖?。從而導致對?yīng)得LED被點亮，或非門的輸出將由高變成低電平，經(jīng)非門變?yōu)楦唠娖绞狗澍Q器鳴叫。同時或非門的低輸出經(jīng)過與門使得脈沖信號無法進入CLK端，即芯片的CLK保持低電平，此時芯片處于數(shù)據(jù)保持狀態(tài)，按下除復位之外的任何的按鍵都將不會發(fā)生電路狀態(tài)的變化，即輸入被鎖定，達到阻止其他選手搶答的目標。而后，裁判按下復位，準備進入下一輪搶答。2.2 方案二 采用74LS192為主芯片的設(shè)

4、計方案 74LS192是同步可逆雙時鐘計數(shù)器，具有“異步清零”和“異步置數(shù)”功能，它們的外引線管腳排列見圖3，功能表如表2所示。R為清零端，/LD為置數(shù)端，CP+為加計數(shù)端，CP-為減計數(shù)端，/CO為非同步進位輸出端，/BO為非同步借位輸出端, D0D3為數(shù)據(jù)輸入端，Q0Q3為數(shù)據(jù)輸出端。本次設(shè)計只采用置數(shù)，清零，保持三項功能，不需要計數(shù)功能。圖3 74LS192管腳圖表2 74LS192/193的功能表輸 入輸 出R CP+ CP- D0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q31 X X X X X X X0 0 X X I0 I1 I2 I30 1 1 X X X X0 1 1 X X X

5、 X0 1 1 1 X X X X0 0 0 0I0 I1 I2 I3加計數(shù)減計數(shù)保持搶答器的電路設(shè)計圖使用Protel繪制，結(jié)果如圖4所示。其工作原理為：電路上電后，將CP+（即UP）始終置于高電平，按下清零按鍵S0（裁判），Q0Q3（即QAQD）輸出低電平，與之相連接的指示用的四個LED全熄滅。同時以Q0Q3作為輸入的或門輸出為低電平，蜂鳴器不響，CP-（即DWN）和/LD均為低電平。松開清零按鍵，電路進入準備狀態(tài)（送數(shù)狀態(tài)）。這時，假設(shè)有按鍵S2 (2號選手)被按下，Q2被送入高電平，對應(yīng)的LED被點亮，或門的輸出將由低變成高電平，蜂鳴器鳴叫。同時CP-和/LD均為高電平，此時芯片處于數(shù)

6、據(jù)保持狀態(tài)，按下除復位之外的任何的按鍵都將不會發(fā)生電路狀態(tài)的變化，即輸入被鎖定，達到阻止其他選手搶答的目標。而后，裁判按下清零，準備進入下一輪搶答。圖4 搶答器電路設(shè)計圖方案二2.3 方案比較 方案一與方案二整個設(shè)計思路是一樣的，主要區(qū)別就在于根據(jù)不同的主芯片稍加改造電路布局?？梢园l(fā)現(xiàn)，方案二設(shè)計較簡便，只使用了2個芯片，而且不需要外加時鐘脈沖，在條件相對簡陋的情況下具有優(yōu)勢。3 實現(xiàn)方案以CC4042鎖存器為主芯片設(shè)計方案圖5為4D鎖存器CC4042的外引線排列圖，表3為其功能表。其中， D1D4是數(shù)據(jù)輸入端，CP為時鐘輸入端，M為時鐘方式控制端，Q1Q4是并行數(shù)據(jù)輸出端， /Q1/Q4是Q

7、1Q4的反碼數(shù)據(jù)輸出端。圖5CC4042是四D鎖存器外引線排列圖表3CC4042功能表CPMDQLLDDL×鎖存HHDDH×鎖存本次設(shè)計采用低電平控制，即置M（POL）為低電平，電路設(shè)計如圖6所示。圖6 搶答器電路實現(xiàn)方案工作原理為：電路上電后，復位按鍵S0（裁判）打向低電平，經(jīng)過與門作用使CP處于低電平。由于此時4位選手按鍵均未按下，故Q1Q4輸出低電平，與之相連接的指示用的四個LED全熄滅。/Q1/Q4輸出高電平，以其作為輸入的與非門輸出為低電平，蜂鳴器不響。將S0打向高電平，電路進入準備狀態(tài)。這時，假設(shè)有按鍵S1 (1號選手)被按下，Q1輸出高電平，對應(yīng)得LED被點亮

8、。同時/Q1變?yōu)榈碗娖?，與非門的輸出將由低變成高電平，蜂鳴器鳴叫。同時與非門的輸出再經(jīng)過與門使得CP 變?yōu)楦唠娖?，產(chǎn)生一個上升沿，芯片立即鎖存，即輸入被鎖定，達到阻止其他選手搶答的目標。而后，裁判置開關(guān)于低電平，CP重新回到低電平，此時由于4選手的按鍵也都回到了低電平，Q1Q4輸出又全為低電平，燈全滅，蜂鳴器停止鳴叫，實現(xiàn)了復位功能。等待進入下一輪搶答。各元器件功能：CC4042鎖存器，與非門，與門：實現(xiàn)搶答功能。開關(guān)：選手和裁判用于搶答或復位。發(fā)光二極管：指示搶答成功的對應(yīng)選手。蜂鳴器：提示有人搶答。電阻：控制電流大小，防止電流過大燒毀元件。實物連線所用元器件清單如表4所示。表4 四人搶答器

9、電路元件清單序號品名型號/規(guī)格數(shù)量配件圖號實測情況1數(shù)字集成電路CC40421U1正常2數(shù)字集成電路74LS201U2A正常3數(shù)字集成電路74LS081U3A正常4按鍵SW-PB4S1S4正常5按鍵SW-SPDT1S0正常6碳膜電阻1 K5R5R9正常7碳膜電阻5004R1R4正常8發(fā)光二極管4D1D4正常4 調(diào)試過程及結(jié)論第一步：再次核對原理圖與連線，并利用萬用表測量各條線路是否接通。經(jīng)測量檢驗電路基本無誤。第二步：檢查完畢后，上電調(diào)試。一次上電發(fā)現(xiàn)的問題：可以多人同時搶答（多人燈亮），裁判無法實現(xiàn)復位功能。原因：仔細查找發(fā)現(xiàn)連線錯誤。解決：更改連線使之正確后全部再復查一遍確保無誤，并再次上

10、電測試。二次調(diào)試發(fā)現(xiàn)的問題：芯片搶答功能在5V電壓同時下正常工作，蜂鳴器不響；蜂鳴器在6V左右電壓下正常鳴叫，芯片無法正常工作，出現(xiàn)多人同時燈亮原因：芯片正常工作電壓為5V，而此時作用在蜂鳴器上的電壓不足以使其鳴叫或聲音極其微?。欢旊妷簽?V左右，蜂鳴器可以正常鳴叫時，74LS175輸出的所謂低電平實際上已經(jīng)超過了額定低電平上限值，電路仍認為輸出高電平，即產(chǎn)生不了低電平，芯片無法鎖存，就出現(xiàn)多人燈亮情況。解決：先用發(fā)光二極管代替蜂鳴器進行測試，燈亮即代表蜂鳴器鳴叫。經(jīng)測試此時一切功能均正常，搶答，復位，燈的指示均可以實現(xiàn)。只要再尋找合適參數(shù)的蜂鳴器即可。結(jié)論：經(jīng)過測試，實現(xiàn)方案可以實現(xiàn)預期功

11、能，設(shè)計方案及布線連接均正確。5 心得體會本次課程設(shè)計是進入大學以來的第一次設(shè)計，也是在初步接觸了專業(yè)知識后第一次加以利用，在這歷時兩個星期學習實踐中，我發(fā)現(xiàn)了許多，學會了許多。設(shè)計的第一階段就是自己查找資料，根據(jù)所學知識自行設(shè)計多種方案。這一階段讓我明白了資料的重要性。以前很多時候做東西都不需要查資料，僅靠課本知識就能完成，或者就是從網(wǎng)上下資料后原封不動的照搬照抄，甚至搞完之后還不知道資料里說的是什么。這一次就有所不同，網(wǎng)上沒有現(xiàn)成的也根本不允許抄襲，因此對于設(shè)計的大大小小各方面都要靠自己點滴搜尋。從芯片的型號，管腳圖，功能表，到電阻的參數(shù)，開關(guān)的類型，實物連接時的注意事項，方方面面都要涉及

12、到。這些瑣碎的東西也讓我掌握了查找資料的技巧。比如先總體在局部，從主要到次要，理清設(shè)計思路，搞懂設(shè)計原理后查找起來就方便快捷多了。 在預答辯結(jié)束后就進入第二階段：實物電路的組裝與調(diào)試。這次是兩人一組進行的，團體協(xié)作的重要性就體現(xiàn)出來了。首先我們先進行了元器件的檢查，這一步常被初學者忽略，但又極為關(guān)鍵。通過檢查沒有發(fā)現(xiàn)問題，而另外一組檢查發(fā)現(xiàn)蜂鳴器壞了，可見如果不檢查，后果就是調(diào)試時走向歧途。接著就是布線排版，面包板不大，且布線要求橫平豎直、不能彎曲、貼板進行，如何使布線簡潔美觀就是個大學問。在我們規(guī)劃時確實碰到了不少問題，并沒有想象中那么容易。這也警示我們以后做任何一個項目，前期規(guī)劃是必須而且

13、要細致進行的。然后開始正式組裝了。由于插孔細密，難免看錯，于是我們兩人一個插線一個檢查，確保一次成功，而且檢查不只是插孔有沒錯誤，還有電路是否接通。經(jīng)過萬用表的測量讓我發(fā)現(xiàn)面包板有一排插孔有問題，及時修改了規(guī)劃，更換了線路，有效減少了調(diào)試時間?！皺z查隨時進行”我得出的又一個心得。而剪線插線過程也是大有技巧，線頭的短了插不牢固，長了浪費且損壞面包板，導線彎折不能太用力且最好一次成型，否則容易斷。這些技巧都是只有親自實踐過才能體會到的。布線結(jié)束，調(diào)試發(fā)現(xiàn)搶答器不能實現(xiàn)鎖存功能，即可以多人搶答，這讓我很失望。但一想到要是這么簡單的電路都不能自己解決問題，以后如何工作？于是再次鼓足精神，在再次確定了元

14、件和原理沒問題后，就是艱難的查找過程。一根根導線，一條條線路，逐步排查，幸運的是很快我們就發(fā)現(xiàn)有導線連接錯誤，待改正后問題解決了。而后碰到的芯片正常工作而蜂鳴器不響，蜂鳴器響則芯片無法正常工作，研究發(fā)現(xiàn)是提供的元件參數(shù)問題。這一階段結(jié)束后，感觸頗多。合作的重要，小技巧的運用，工作要細心，要有堅持不懈的精神，元件參數(shù)選擇任何一項都是切身感受的，實踐是檢驗真理的唯一標準，說的果然不假。理論上再好，不經(jīng)過實踐驗證，永遠是行不通的。第三階段就是撰寫說明書。成果是用于造福人類的，要是別人看不懂不明白就無從談起了，可見成果說明的重要性。既要說的通俗易懂，又要杜絕長篇大論，文筆的技巧包含其中。那些認為自己動手能力強而輕視文字說明的人就吃了苦頭。總的看來，通過這次課程設(shè)計，能力上的提高是毋庸置疑的，但我認為更重要的是對成果的研發(fā)實現(xiàn)流程有了大體的了解，開始提高以后工作所必備的綜合素質(zhì)。以前總感覺設(shè)計東西是一件多么復雜