四路智能抢答器电子系统综合设计

一、设计目的及要求

（一）设计目的

《模拟电子电路》与《数字电子电路》两门课程，是电子信息工程专业的理论性与实际性相结合的专业基础课程，在学习理论的基础上，进行课程设计，以达到以下目的：
（1）培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。
（2）掌握电子电路的一般的设计方法，了解电子产品研制开发过程
（3）提高电子电路实验技能及仪器使用能力。
（4）掌握电子电路安装和调试的方法及故障排除方法。
（5）学会撰写课程设计总结报告。
（6）学会查阅手册和文献资料。
（7）培养创新能力和创新思维。

（二）设计要求

（1）可供4名选手参加比赛的数字式抢答器，每名选手设置一个抢答按钮供抢答者使用。给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。
（2）抢答器具有数据锁存和显示功能，抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即被锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出声响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手的抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
（3）抢答器具有定时抢答的功能，能设定抢答时间，当主持人按下开始按钮时，定时器立即倒计时，并显示。选手在设定的时间内抢答有效，超过时间抢答无效，定时器显示00。
（提示：使用555定时器）

二、系统总体解决方案

相关资料如下：经本人调试能正常运行且运行效果较好。
智能抢答器电子系统综合设计：包含Altium Designer总项目、各芯片数据手册、Proteus仿真项目、元器件清单。网址：https://download.csdn.net/download/weixin_44410704/19705309
智能抢答器电子系统综合设计AD Project：https://download.csdn.net/download/weixin_44410704/19705405
智能抢答器电子系统综合设计Proteus schematic：https://download.csdn.net/download/weixin_44410704/19705440

    本系统主要分成三个模块，分别是按键保持与封锁电路、倒计时电路、倒计时时间预置电路。
    按键保持与封锁电路中使用D触发器及逻辑门实现按键锁存与封锁，从而当一个选手按下抢答按钮时，其他选手不能再抢答；使用数码管及编码器和译码器实现选手编号显示，使用逻辑门实现音响电路，从而实现视听提示的效果。
    倒计时电路中，使用555定时器产生周期为1s的振荡电路,将其作为74LS192的时钟输入，使用74LS192的倒计时功能，从而实现系统的倒计时，并用数码管显示出倒计时时间。
    倒计时预置电路中，通过拨码开关控制74LS192的初始值，通过单刀双掷开关控制74LS192的预置，从而实现倒计时时间预置的功能。

三、系统硬件设计方案

（一）系统整体硬件框图

（1）系统仿真图

（2）系统原理图

（二） 模块介绍

（1）按键保持与封锁电路
①选手按键电路

    选手按键的状态作为D触发器的时钟输入，当选手按下抢答按钮时，发送一个脉冲给D触发器。
②选手按键保持与封锁电路

    当收到来自选手按键电路的脉冲时，D触发器触发，使得D触发器的输出Q为高电平并保持，同时，将Q的状态作为五输入或非门的输入，使得五输入或非门输出低电平，将其作为其他D触发器R（Reset）端的输入，从而封锁其他D触发器，达到按键封锁的效果。
③选手按键显示电路
    将四个D触发器的输出Q非按顺序分别作为74LS148编码器的输入，对选手的编号进行编码，然后将74LS148的四个输出按顺序作为74LS248译码器的输入，将74LS248与数码管相连，从而显示出当前抢答选手的编号。
④选手按键扬声器电路

    将四个D触发器的输出Q作为四输入或非门（CD4002）的输入，当一个选手抢答时，四输入或非门的输出为低电平，从而驱动有源蜂鸣器发出声音。
（2）倒计时电路
①1秒计时电路

    用Ne555定时器设计多谐振荡器，使得方波周期为1秒。
其波形图为：
②倒计时电路

    使用两个74LS192设计两位倒计时计数器，将Ne555产生的方波作为低位74LS192的输入，从而实现倒计时，将高位74LS192的DN端与TCD端作为两输入或非门74LS02的输入，再将该或非门的输出作为五输入或非门74S260的输入，从而实现当计时器计时到00时，选手不能再抢答；使用74LS248和数码管设计显示电路，将74LS192的输出作为74LS248的输入，从而实现倒计时显示。
（3）倒计时时间预置电路
①倒计时时间设置电路

    使用拨码开关上设置74LS192的预置值，当拨码开关掷向ON方向时，其对应的74LS192的预置位为高电平，反之，预置为低电平。
②主持人按键 倒计时时间预置电路

    将单刀双掷开关连接到74LS192的预置使能位，当该开关拨到3时，74LS192预置成功，再将该开关拨到1处，D801灯亮，等待主持人拨动抢答开始开关控制抢答开始。
（4）其他重要电路
①主持人按键 控制抢答开始

    将开关1处作为五输入或非门的输入，从而实现控制选手抢答开始；将开关1处作为三输入与门CD4073的输入，从而实现控制倒计时开始；所以，当该开关拨到1处时，D901亮，在D801亮的条件下，抢答开始；当开关拨到3处时，抢答停止。
②各种逻辑门电路

    两输入与门74LS08的输入为CD4073的输出，计数器高位的TCD，实现对倒计时的控制作用，并且当倒计时到00时保持不变；
    两输入或非门74LS02的输入为计数器高位的DN脚和TCD脚，实现当倒计时到00时，禁止抢答的功能；
    三输入与门CD4073的输入为四输入或非门的输出，1秒计时器的输出和锁存器SR的输出，从而实现各模块对倒计时的控制功能；
    两输入与非门74LS00设计为SR锁存器，实现主持人控制抢答开始开关的锁存。
③电源电路

    使用USB为系统供电，并使用开关控制电源的接通与断开。
（5）元器件列表

四、系统的实现

（一）使用Altium Designer画PCB

（1）PCB正面
①PCB正面2D

②PCB正面3D

（2）PCB反面
①PCB反面2D

②PCB反面3D

（二）在线下单送嘉立创打板

（三）在线购买元器件

（四）焊接

    焊接过程中，一个小模块焊好之后测试是否正常，保证焊接正确。

（五）系统测试

    在完成焊接之后，使用充电宝或者电源适配器给电路板供5V的电源，测试电路板的各种功能；第一次调试时发现按键保持与封锁电路无法正常工作，使用万用表测试相关输入输出是否正常，发现D触发器的输出异常，最后确定是74LS74芯片损坏，换了芯片以后，按键保持与封锁电路运行正常，但是当选手按下抢答键时，蜂鸣器无法正常工作；经过各方面调试，发现蜂鸣器获得的“低电平”为2.56V，考虑到蜂鸣器接了一个10K的电阻，认为可能时该电阻对蜂鸣器的负极产生了升压，所以我将该电阻换成了0欧，然后蜂鸣器能够正常工作了，但是当选手按下抢答按钮时，倒计时不能暂停；所以我又测试了相关电路，发现各输入输出正常，所以认为是CD4002的输出电流太小，无法为蜂鸣器提供足够的功率，所以我使用了一个三极管，E极接蜂鸣器负极，蜂鸣器正极接+5V电源，B级接四输入或非门的输出，C极接地，让三极管驱动蜂鸣器，最后调试成功，各模块都能正常工作了。

（六）结果

    各模块正常工作，达到题目的要求。
    下图附成品图：