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1、智力竞赛抢答器电路设计1 技术指标 设计一个四组抢答器，有人抢答时，蜂鸣器发声，同时优先抢答者相应的指示灯亮，而后抢答者相应的指示灯不亮。主持人具有将抢答器复原的功能。2 设计方案及其比较2.1 方案一采用74LS175为主芯片的设计方案图1为74LSl75管脚图。其中，CLR是异步清零控制端(低电平有效)。D1D4是并行数据输入端，CLK为时钟脉冲端，Q1Q4是并行数据输出端，/Q1/Q4是Q1Q4的反码数据输出端。(注：/Q1代表Q1的非，下同)图1 74LS175管脚图表1为74LS175的功能表。当CLK引脚输入上升沿时，D1D4被锁存到输出端（Q1Q4）。在CLK其他状态时，输出与输
2、入无关。其异步复位端为低电平时，Q1Q4输出为低，/Q1/Q4输出为高。表1 74LS175的功能表清零时钟输入输出工作模式CLK1D2D3D4D1Q2Q3Q4Q00000异步清零11D2D3D4D1D2D3D4D数码寄存11保持数据保持10保持数据保持抢答器的电路设计图使用Protel绘制，结果如图2所示。图2 抢答器电路设计图方案一其工作原理为：电路上电后，按下复位按键S0（裁判）实现清零功能，/Q1/Q4 输出高电平，与之相连接的指示用的四个LED全熄灭。同时以Q1Q4作为输入的或非门输出为高电平，经非门输出低电平，蜂鸣器不响；经与门使脉冲正常输入。松开复位键，电路进入准备状态。假设有按
3、键S3 (3号选手)被按下，Q3输出变为高电平，/Q3变为低电平。从而导致相应得LED被点亮，或非门的输出将由高变成低电平，经非门变为高电平使蜂鸣器鸣叫。同时或非门的低输出通过与门使得脉冲信号无法进入CLK端，即芯片的CLK保持低电平，此时芯片处在数据保持状态，按下除复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，即输入被锁定，达成阻止其他选手抢答的目的。而后，裁判按下复位，准备进入下一轮抢答。2.2 方案二 采用74LS192为主芯片的设计方案 74LS192是同步可逆双时钟计数器，具有“异步清零”和“异步置数”功能，它们的外引线管脚排列见图3，功能表如表2所示。R为清零端，/LD为置数端，
4、CP+为加计数端，CP-为减计数端，/CO为非同步进位输出端，/BO为非同步借位输出端, D0D3为数据输入端，Q0Q3为数据输出端。本次设计只采用置数，清零，保持三项功能，不需要计数功能。图3 74LS192管脚图表2 74LS192/193的功能表输 入输 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 X0 1 1 1 X X X X0 0 0 0I0 I1 I2 I3加计数减计数保持抢答器的电路设计图使用Protel绘制，结果如图4所示。其工作原理为：
5、电路上电后，将CP+（即UP）始终置于高电平，按下清零按键S0（裁判），Q0Q3（即QAQD）输出低电平，与之相连接的指示用的四个LED全熄灭。同时以Q0Q3作为输入的或门输出为低电平，蜂鸣器不响，CP-（即DWN）和/LD均为低电平。松开清零按键，电路进入准备状态（送数状态）。这时，假设有按键S2 (2号选手)被按下，Q2被送入高电平，相应的LED被点亮，或门的输出将由低变成高电平，蜂鸣器鸣叫。同时CP-和/LD均为高电平，此时芯片处在数据保持状态，按下除复位之外的任何的按键都将不会发生电路状态的变化，即输入被锁定，达成阻止其他选手抢答的目的。而后，裁判按下清零，准备进入下一轮抢答。图4 抢
6、答器电路设计图方案二2.3 方案比较 方案一与方案二整个设计思绪是同样的，重要区别就在于根据不同的主芯片稍加改造电路布局。可以发现，方案二设计较简便，只使用了2个芯片，并且不需要外加时钟脉冲，在条件相对简陋的情况下具有优势。3 实现方案以CC4042锁存器为主芯片设计方案图5为4D锁存器CC4042的外引线排列图，表3为其功能表。其中， D1D4是数据输入端，CP为时钟输入端，M为时钟方式控制端，Q1Q4是并行数据输出端， /Q1/Q4是Q1Q4的反码数据输出端。图5CC4042是四D锁存器外引线排列图表3CC4042功能表CPMDQLLDDL锁存HHDDH锁存本次设计采用低电平控制，即置M（
7、POL）为低电平，电路设计如图6所示。图6 抢答器电路实现方案工作原理为：电路上电后，复位按键S0（裁判）打向低电平，通过与门作用使CP处在低电平。由于此时4位选手按键均未按下，故Q1Q4输出低电平，与之相连接的指示用的四个LED全熄灭。/Q1/Q4输出高电平，以其作为输入的与非门输出为低电平，蜂鸣器不响。将S0打向高电平，电路进入准备状态。这时，假设有按键S1 (1号选手)被按下，Q1输出高电平，相应得LED被点亮。同时/Q1变为低电平，与非门的输出将由低变成高电平，蜂鸣器鸣叫。同时与非门的输出再通过与门使得CP 变为高电平，产生一个上升沿，芯片立即锁存，即输入被锁定，达成阻止其他选手抢答的
8、目的。而后，裁判置开关于低电平，CP重新回到低电平，此时由于4选手的按键也都回到了低电平，Q1Q4输出又全为低电平，灯全灭，蜂鸣器停止鸣叫，实现了复位功能。等待进入下一轮抢答。各元器件功能：CC4042锁存器，与非门，与门：实现抢答功能。开关：选手和裁判用于抢答或复位。发光二极管：指示抢答成功的相应选手。蜂鸣器：提醒有人抢答。电阻：控制电流大小，防止电流过大烧毁元件。实物连线所用元器件清单如表4所示。表4 四人抢答器电路元件清单序号品名型号/规格数量配件图号实测情况1数字集成电路CC40421U1正常2数字集成电路74LS201U2A正常3数字集成电路74LS081U3A正常4按键SW-PB4
9、S1S4正常5按键SW-SPDT1S0正常6碳膜电阻1 K5R5R9正常7碳膜电阻5004R1R4正常8发光二极管4D1D4正常4 调试过程及结论第一步：再次核对原理图与连线，并运用万用表测量各条线路是否接通。经测量检查电路基本无误。第二步：检查完毕后，上电调试。一次上电发现的问题：可以多人同时抢答（多人灯亮），裁判无法实现复位功能。因素：仔细查找发现连线错误。解决：更改连线使之对的后所有再复查一遍保证无误，并再次上电测试。二次调试发现的问题：芯片抢答功能在5V电压同时下正常工作，蜂鸣器不响；蜂鸣器在6V左右电压下正常鸣叫，芯片无法正常工作，出现多人同时灯亮因素：芯片正常工作电压为5V，而此时
10、作用在蜂鸣器上的电压局限性以使其鸣叫或声音极其微小；而当电压为6V左右，蜂鸣器可以正常鸣叫时，74LS175输出的所谓低电平事实上已经超过了额定低电平上限值，电路仍认为输出高电平，即产生不了低电平，芯片无法锁存，就出现多人灯亮情况。解决：先用发光二极管代替蜂鸣器进行测试，灯亮即代表蜂鸣器鸣叫。经测试此时一切功能均正常，抢答，复位，灯的指示均可以实现。只要再寻找合适参数的蜂鸣器即可。结论：通过测试，实现方案可以实现预期功能，设计方案及布线连接均对的。5 心得体会本次课程设计是进入大学以来的第一次设计，也是在初步接触了专业知识后第一次加以运用，在这历时两个星期学习实践中，我发现了许多，学会了许多。
11、设计的第一阶段就是自己查找资料，根据所学知识自行设计多种方案。这一阶段让我明白了资料的重要性。以前很多时候做东西都不需要查资料，仅靠课本知识就能完毕，或者就是从网上下资料后原封不动的照搬照抄，甚至搞完之后还不知道资料里说的是什么。这一次就有所不同，网上没有现成的也主线不允许抄袭，因此对于设计的大大小小各方面都要靠自己点滴搜寻。从芯片的型号，管脚图，功能表，到电阻的参数，开关的类型，实物连接时的注意事项，方方面面都要涉及到。这些琐碎的东西也让我掌握了查找资料的技巧。比如先总体在局部，从重要到次要，理清设计思绪，搞懂设计原理后查找起来就方便快捷多了。 在预答辩结束后就进入第二阶段：实物电路的组装与
12、调试。这次是两人一组进行的，团队协作的重要性就体现出来了。一方面我们先进行了元器件的检查，这一步常被初学者忽略，但又极为关键。通过检查没有发现问题，而此外一组检查发现蜂鸣器坏了，可见假如不检查，后果就是调试时走向歧途。接着就是布线排版，面包板不大，且布线规定横平竖直、不能弯曲、贴板进行，如何使布线简洁美观就是个大学问。在我们规划时的确碰到了不少问题，并没有想象中那么容易。这也警示我们以后做任何一个项目，前期规划是必须并且要细致进行的。然后开始正式组装了。由于插孔细密，难免看错，于是我们两人一个插线一个检查，保证一次成功，并且检查不只是插孔有没错误，尚有电路是否接通。通过万用表的测量让我发现面包
13、板有一排插孔有问题，及时修改了规划，更换了线路，有效减少了调试时间。“检查随时进行”我得出的又一个心得。而剪线插线过程也是大有技巧，线头的短了插不牢固，长了浪费且损坏面包板，导线弯折不能太用力且最佳一次成型，否则容易断。这些技巧都是只有亲自实践过才干体会到的。布线结束，调试发现抢答器不能实现锁存功能，即可以多人抢答，这让我很失望。但一想到要是这么简朴的电路都不能自己解决问题，以后如何工作？于是再次鼓足精神，在再次拟定了元件和原理没问题后，就是艰难的查找过程。一根根导线，一条条线路，逐步排查，幸运的是不久我们就发现有导线连接错误，待改正后问题解决了。而后碰到的芯片正常工作而蜂鸣器不响，蜂鸣器响则
14、芯片无法正常工作，研究发现是提供的元件参数问题。这一阶段结束后，感触颇多。合作的重要，小技巧的运用，工作要细心，要有坚持不懈的精神，元件参数选择任何一项都是切身感受的，实践是检查真理的唯一标准，说的果然不假。理论上再好，不通过实践验证，永远是行不通的。第三阶段就是撰写说明书。成果是用于造福人类的，要是别人看不懂不明白就无从谈起了，可见成果说明的重要性。既要说的通俗易懂，又要杜绝长篇大论，文笔的技巧包含其中。那些认为自己动手能力强而轻视文字说明的人就吃了苦头。总的看来，通过这次课程设计，能力上的提高是毋庸置疑的，但我认为更重要的是对成果的研发实现流程有了大体的了解，开始提高以后工作所必备的综合素质。以前总感觉设计东西是一件多么复杂困难的事情，自己主线不能胜任。现在我明白了：只要你肯下功夫去做，没有什么是困难的。6参考文献1 康华光主编.电子技术基础 数字部分.北京：高等教育出版社.20232 王廷才.电子线路计算机辅助设计Protel99SE.北京：高等教育出版社.20233 胡奕涛主编
