課題：四人智力競賽搶答器電路設計與製作
內容摘要
在許多比賽活動中，為了準確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，通常設定一臺搶答器。通過搶答器的數顯，燈光和音響等手段指示出第一搶答者。同時還可以設定定時、記分犯規及獎懲等多種功能。
本設計採用手動搶答的方式，有人搶答後，系統自動封鎖其他人的搶答按鈕，使其不能再搶答，從而實現搶答功能。
數字搶答器由主體電路與擴充套件電路組成。優先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊的輸入訊號在顯示器上輸出，組成主體電路。通過定時電路和譯碼電路將秒脈衝產生的訊號在顯示器上輸出實現計時功能，構成擴充套件電路。經過模擬模擬，下載到開發板等工作後數字搶答器成型。
關鍵字 ：編碼電路；鎖存器；譯碼電路。
第1章 概 述
隨著社會的不斷髮展，人們的生活水平也在不斷的提高人們不斷要滿足物質上的要求，同時對精神上的追求也在不斷的提高，現在的社會是一個娛樂的社會。現在各電視臺的活動和課外活動都很多。人們在參加活動的時候都對審判有很多的意見，所以為了比賽的準確和公正，就需要有儀器的輔佐。
智力競賽搶答器就是一種活潑的有趣的供人們娛樂的遊戲裝置，通過搶答方式不僅能引起參賽者和觀眾的興趣，而且能夠提高參賽者的敏捷性，同時我們在參與中能夠增加一些生活常識和科學知識，因此，在許多比賽活動中為了準確，公正的進行每一場比賽，特別設定了一臺具有顯示第一搶答者並鎖定、犯規警告等多種功能的搶答器，該設計針對各種要求設計出可供八名選手參賽使用的數字式競賽搶答器，適用於各大中小電視臺，學校等單位舉行的智力競賽。數位電路組成的數字系統工作可靠，精度較高，抗干擾能力很強，所以智力競賽搶答器的設計就有數位電路來控制。
第2章 四人搶答器電路原理及設計
2.1設計任務和要求：
一．設計目的
1.掌握四人智力競賽搶答器電路的設計、組裝與除錯方法。
2.熟悉數字積體電路的設計和使用方法。
二、實驗內容和要求
設計實現一個可容納四組參賽者的數字智力競賽搶答器。
（1） 計一個智力競賽搶答器，可同時供4名選手參加比賽，他們的編號分別是1、2、3、4，各用一個搶答按鈕
（2） 給節目主持人設定一個控制開關，用來控制系統的清零（編號顯示數碼管滅燈）和搶答的開始。
（3） 搶答器具有資料鎖存和顯示的功能。搶答開始後，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，並在LED數碼管行顯示出選手的編號，同時揚聲器給出音響提示。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。優先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統清零為止。
（4）用555產生頻率為1HZ的脈衝訊號，作為定時計數器的CP訊號。
三、電路原理及設計
電路主要由脈衝產生電路、鎖存電路、編碼及譯碼顯示電路和LED產生電路組成。當有選手搶答時，首先鎖存，阻止其它選手搶答，然後編碼，在經4線7段譯碼器將數字顯示在顯示器上同時產生LED光。主持人宣佈開始搶答，清零顯示和LED。
1. 以鎖存器為中心的編碼顯示電路
搶答訊號的判斷和鎖存可採用觸發器或鎖存器。若以四D觸發器74LS175為中心構成編碼鎖存系統，編碼的作用是把鎖存器的輸出轉化為8421BCD碼，進而送給7段顯示譯碼器。
搶答訊號的鎖存可通過D觸發器的輸出相“與”反饋門控制觸發脈衝實現，當無人搶答時，4個D觸發器的輸出Q非相與，為“1”時，脈衝能夠進入觸發器，有一人搶答時，與門中有一個變為“0”，使脈衝不能進入觸發器，從而防止其他人搶答。
2. 脈衝產生電路：採用555可產生脈衝，電路可通過更改RC引數調整脈衝頻率。
3. LED電路的除錯。
四、晶片管腳圖
1. 圖為74LS175晶片的管腳圖：
2.左圖為晶片74LS00的管腳圖，右圖為晶片74LS20的管腳圖：
3.圖為555晶片的管腳圖：
4. 圖為CD4511晶片的管腳圖：
5.數碼管的管腳分佈圖：2.3、方案比較
方案1：採用CD4511晶片作為搶答訊號的觸發、鎖存和譯碼輸出。這樣雖然比較簡便，但實際在實現鎖存功能時比較繁瑣難實現。
方案2：採用D觸發器和譯碼器來完成搶答部分。雖然元件較多，但在實現鎖存功能時可以簡單的實現。
經過對比兩方案的優缺點，決定採用搶答訊號鎖存簡單實現的方案2。然後利用軟體Multisim來進行模擬除錯，再進行逐步改進。
2.4、單元電路設計及元器件選擇
該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先後，並鎖定74LS175的功能真值表即優先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示選手編號；二是要使其他選手隨後的按鍵操作無效。
其工作原理為：當主持人控制開關處於“清除”時，D觸發器的清零端為低電平，使D觸發器被強制清零，輸入的搶答訊號無效。當主持人將開關撥到“開始”時，D觸發器Q非端前一狀態為高電平，四個Q非端與在一起為高電平，再和搶答按鍵訊號和借位訊號與在一起給D觸發器的脈衝端，當沒人搶答時，搶答訊號為低電平，與門U11輸出端為低電平給D觸發器脈衝端，當一有人搶答時，搶答訊號為高電平，並和U2的輸出訊號和借位訊號與在一起，使得U11輸出端為高電平給D觸發器，於是D觸發器就有一個上升沿，使得搶答訊號經D觸發器觸發鎖存再經過譯碼器74ls48譯碼，把相應的訊號顯示在數碼管上。另外，當選手鬆開按鍵後，D觸發器的Q非前一狀態為低電平，與在一起後給與門U11,使得U11的輸出端為低電平給D觸發器，則D觸發器的脈衝輸入端恢復原來狀態，從而使得其他選手按鍵的輸入訊號不會被接收。這就保證了搶答者的優先性及搶答電路的準確性。當選手回答完畢，主持人控制開關S是搶答電路復位，以便進行下一輪搶答。
該電路由四個D觸發器、與非門及脈衝觸發電路等組成。其中S1，S2，S3、S4為搶答人按鈕，S5為主持人復位。74LS175為四D觸發器。
無人搶答時，S1~S4均未被按下，1D~4D均為低電平，在555定時器電路產生時鐘脈衝作用下，1Q立即變為高電平，對應指示燈X1發光，同時數碼管顯示為1，將555定時脈衝封鎖，此時送給74ls175的CLK端不再有脈衝訊號，所以74LS175輸出不再變化，其他搶答者再按下按鈕也不起作用，從而實現了搶答。若要清除，則由主持人按S5按鈕完成，併為下一次搶答做好準備。
第3章 安裝除錯
3.1 安裝除錯過程
根據要求，原理圖設計如下：
3.2工作原理：
該電路由四個D觸發器、與非門及脈衝觸發電路等組成。其中S1，S2，S3、S4為搶答人按鈕，S5為主持人復位。74LS175為四D觸發器。無人搶答時，S1~S4均未被按下，1D~4D均為低電平，在555定時器電路產生時鐘脈衝作用下，1Q立即變為高電平，對應指示燈X1發光，同時數碼管顯示為1，將555定時脈衝封鎖，此時送給74ls175的CLK端不再有脈衝訊號，所以74LS175輸出不再變化，其他搶答者再按下按鈕也不起作用，從而實現了搶答。若要清除，則由主持人按S5按鈕完成，併為下一次搶答做好準備。
3.3 成品除錯
1、畫出整個系統的電路圖，並例出所需器件清單。
2、領取器件，並按電路圖接線，認真檢查電路是否正確，注意器件管腳的連線，“懸空端”、“清零端”、“置1端”，電源、接地，要正確處理，
3、單元電路檢測
接通電源後，雙蹤示波器觀察脈衝電路的輸出波形，看其是否滿足設計要求，支援人給開始訊號，再觀察減法計數器的輸出經數碼管顯示是否正確。
觀察選手搶答時鎖存器輸出是否控制其時鐘脈衝的通斷，從而判斷是否自鎖了其他選手的搶答訊號。搶答訊號到BCD碼的轉化可將轉化邏輯的輸出與真值表對照檢查，看設計是否正確。
主持人開始，計時器到零控制，可檢測。
4、系統連調
給整個系統上電，支援人給開始訊號，對選手給搶答訊號和沒有搶答訊號分別進行測試，觀察搶答的顯示結果。
把電路焊好後，首先是對照電路圖逐一檢查電路有沒有漏焊，經檢查發現有幾個管腳沒接，於是細心地接上。然後用萬用表逐一檢查有沒有虛焊或線路斷路或線路短路，但沒發現有虛焊等問題。下一步就接通電源除錯，但電路完全沒反應，然後用電源逐個模組進行檢查，發現有些管腳還沒接上，於是在對照電路圖細心地檢查，改進後再進行接電除錯。
第4章 實習心得
課程設計是培養學生綜合運用所學知識,發現,提出,分析和解決實際問題,鍛鍊實踐能力的'重要環節。回顧起此次課程設計，至今我仍感慨頗多，的確，從理論到實踐，在整整一週的日子裡，可以說得是苦多於甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來。從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠透徹，通過這次課程設計之後，一定把以前所學過的知識重新溫故。
一週的實習，我所收穫的不僅是學習知識方面，更多的是生活方面。我瞭解到，在我們生活中，應該學會與別人共同分享，分享知識，分享問題，這樣更有助於我們的交流，有利於我們共同進步，有利於我們對學習養成良好的興趣。
