多路(十路)智力竞赛抢答器设计报告(完全版).doc
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多路(十路)智力竞赛抢答器设计报告(完全版).doc
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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。
数码显示
译码器电路
抢答按钮蜂鸣器
锁存器
主持人开关
译码器电路
减数电路
定时电路
2、整机原理框图
报警电路
数码显示
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
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。
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