六路抢答器的设计与制作.doc

毕业设计 六路抢答器的设计与制作

毕业设计（论文）

（2008届）

题 目 六路抢答器的设计与制作

系 别 信 息 电 子 系
专 业 应用电子技术
班 级
姓 名
指导教师

2008年 5 月 26 日

目 录
摘要 …………………………………………………………………………3
第1章 抢答器的设计要求及功能…………………………………………4
1.1 设计要求 …………………………………………………………4
1.2 扩展功能 …………………………………………………………4
1.3 设计电路方框图 …………………………………………………4
第2章 抢答器主要电路设计………………………………………………5
2.1译码驱动设计………………………………………………………5
2.2 开始提示电路设计 ………………………………………………6
2.3 定时电路设计 ……………………………………………………7
第3章 电路扩展设计 ……………………………………………………9
3.1可预置时间的定时电路……………………………………………9
3.2 报警电路 …………………………………………………………10
第4章 电路的制作与调试…………………………………………………12
心得体会………………………………………………………………………13
参考文献………………………………………………………………………14
致 谢 ………………………………………………………………………15
附录一 六路抢答器的整体电路图…………………………………………16
附录二 电路元器件明细表 ………………………………………………17
附录三 芯片内部结构图及引脚图…………………………………………18

六路抢答器设计与制作

【摘要】数字电路在日常生活中的应用很多，随着它的发展，其应用将会越来越广泛。工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力比赛，抢答器是必要设备。抢答器是一名公正的裁判员，它由主体电路与扩展电路组成，其基本原理是主持人按开始按钮示意开始，利用一个优先编码器，译出最先抢到答题权的选手的编号，并经LED显示器显示出来，同时还要封锁电路以防其他选手再抢答。本文所介绍了一种六路抢答器的设计与制作。
【关键词】抢答；锁存；计时；显示

第1章 抢答器的设计要求及功能
1．1设计要求：
1、设计一个同时可供6名选手或6个代表队参加比赛，他们的编号分别为“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”各用一个抢答按钮，编号与参赛者的号码一一对应，分别为“S0”、“S1”、“S2”、“S3”、“S4”、“S5”。
2、抢答器具有数据锁存功能，并将锁存的数据用LED数码管显示出最先抢答成功者的编号。抢答器对抢答选手动作的先后有很强的分辨能力，即使他们的动作仅相差几毫秒，也能分辨出抢答者的先后来，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。抢答后显示优先抢答者序号，同时发出音响。并且阻止其它抢答者的序号。
3、给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统清零“S8”和抢答开始“S9”。
1.2 扩展功能
1、当主持人按下“S8”开关，使得抢答器再次进入禁止状态，选手编号的LED数字显示器灯熄灭，电路进入原来的初始状态，准备进入下一轮的抢答。
2、抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间长短由主持人设定，当主持人启动“S9”开关后，定时开始绿灯亮红灯灭允许作答，定时结束绿灯灭红灯亮不得作答。
1.3 设计电路方框图
根据抢答器的功能要求，电路框图如图1.1所示：
七段显示译码器
抢答按钮
编码器
数码显示器
锁存器
开始按钮
振荡器
扬声器
复位按钮
定时按钮
定时器
显示器

图1.1 电路框图

第2章 抢答器主要电路设计
2.1译码驱动设计
为了将编码显示出来，需用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电平，这种译码器通常称为７段译码显示驱动器。
显示器件采用7段数码管显示电路。7段数码管显示电路有共阳显示模式和共阴显示模式两种。
如果7段数码管选用共阳显示模式，那就需要选用如74LS47等译码驱动集成电路。连接时将7段数码管的abcdefg7个发光二极管的正极连接在一起并接到5V电源上，而把其余的7个负极接到74LS47相应的abcdefg输出端上。
如果7段数码管选用共阴显示模式，那就是把7段数码管的abcdefg 7个发光二极管的负极连接在一起并接地；同它们的7个正极分别接到译码驱动电路的相对应的驱动端上，并且由译码驱动电路输出高电平时，点亮7段数码管的相应笔划，如果要显示数字1，那么译码驱动电路输出段bc为高电平，其他段扫描输出端为低电平。配接共阴显示模式数码管的译码驱动集成电路有74LS48、CD4511等。
本设计拟采用共阴显示模式的7段数码管显示电路，所以选择CD4511。CD4511功能表如表2.1所示:
表2.1 HCF4511真值表
输 入
输 出
LE
/BI
/LT
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
1
1
1
X
X
X
X
锁 存*
锁存*
CD4511常用于驱动共阴极LED数码管显示器的 BCD 码—七段码译码器。具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路，能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器，方便地将信号传送给7段数码显示管。
但HCF4511与LED数码显示器件连接时要加限流电阻，否则通电后会把7段译码管烧坏。通常数码管的工作电流选取在10-20mA，电流太小了，7段数码管不太亮；电流过大，7段数码管容易损坏。限流电阻的选取为： R = 5 - 发光二极管的工作电压/发光二极管的工作电流。一般发光二极管的工作电压在1.8V--2.2V。理论上我暂时按照3V/10m =300Ω来设计，实际阻值的大小，可以在调试中再调整。
2.2 开始提示电路设计
当节目主持人按动S8按钮的瞬间，扬声器发出声音，提示各参赛人员可以进行抢答，避免了主持人口头说“开始”的主观性，能够给各参赛人员一个更公平的竞争。
开始提示电路由555集成电路、三极管驱动电路和扬声器等构成。电路如图2.2所示。555集成电路与外围元件组成多谐振荡器，555集成电路的第①脚与开关S8相连，当S8按下时，①脚接地，电路起振，产生约900～1KHz的方波信号。
，
图2.2 开始提示电路
其工作过程是：假定初始时刻6脚外接的电容C2两端的电压为0，则当NE555集成电路接通电源并按下S8后，由于电容器两端电压不能突变，6脚电位因此小于1/3 Vcc，输出端3脚为高电平。555内部放电端即7脚与地断路，直流电源通过电阻R14、 R15向电容充电，电容两端电压开始上升，即6脚电位上升，当6脚电位上升到2/3 Vcc时，内部触发器翻转，3脚输出端Vo为低电平。555内部放电管TD导通，放电端7脚与地接通，电容C便通过R15放电，使6脚电位下降。当6脚电位下降到1/3 Vcc时，触发器又被复位，Vo翻转为高电平，电容C2放电结束，555内部放电管TD截止，Vcc又将通过R14、R15向电容C2充电，Vc由1/3 Vcc上升到2/3 Vcc。这时，触发器又发生翻转。如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波。充电时间 t1≈0.7(R1+R2)C，
放电时间t2≈0.7R2C ，那么振荡周期T = t1 + t2。所以，该振荡器的振荡器频率为：
fo=1.43/[(R1+2R2)C]
其输出信号经三极管Q2推动扬声器发声。
2.3 定时电路设计
由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次答题时间，通过调节电位器R16的电阻大小，来改变电解电容C4的充放电时间，从而控制答题的时间长短。定时开始时，绿灯亮，定时结束时，红灯亮。具体电路如图2.3所示。

图2.3 定时电路
本电路采用555作为定时器，电源接通后，按下S9，6脚得到的电压将大于2/3VCC，
3脚输出端输出低电平，D7指示灯亮；松手一刹那，定时开始，此时U4的②、⑥脚为高电平，U4 ③脚输出低电平，发光二级管D7两端的电压大于其导通电压还是发光的，而D8两端的电压低于其导通电压而截止。同时，C4上的电压开始通过R16放电，C4的放电使得②、⑥脚电位逐渐下降，当下降至小于1/3 VCC，时（定时结束），U4输出状态翻转，U4 ③脚变为高电平，两发光二极管中，D7截止不发光，D8导通发光。555集成定时器功能表见表2.4
表2.4 555集成定时器功能表
输入
输出
阀值输入6脚
触发输入2脚
复位4脚
输出3脚
D7
D8

0
0
亮
不亮
小于
小于
1
1
不亮
亮
大于
大于
1
0
亮
不亮
小于
大于
1
不变
不变
不变

因为NE555定时器是双极型的，它具有较大的驱动能力，工作电源电压很宽，并能承受较大的负载电流。其内部是由3个阻值为5K的电阻组成的分压器、2个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电管TD以及缓冲器G组成。NE555定时器的内部电路见附录4。其主要功能取决于比较器、比较器的输出控制RS触发器和放电管TD的状态。 在图2.3中的4端口为复位输入端，当4为低电平时，不管其它输入端的状态如何，3脚输出端口总是低电平。因此，在此电路中，为了保证电路的正常工作，将4脚接为高电平。
由于定时器的主要功能取决于比较器，而555内部的比较器灵敏度高，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响小。因此，在本设计中，定时电路和报警电路的计时器都采用了NE555。

第3章 电路扩展设计
3.1可预置时间的定时电路
定时电路也可采用有LED显示的计时电路，效果会更加好。
作为抢答器还需要一个可以预置时间的定时电路，可以设定一段时间，在这段时间内，如果没有人抢答成功，则到时间后会发出报警声。通过预置时间电路对计数器进行预置。该电路选用双时钟四位二进制同步可逆计数器74LS193进行设计。它的特点是两个时钟脉冲输入端CPu和CPd，在作减计数时，令CPu=1，计数脉冲从CPd端输入。当清零信号Rd=1时，不管时钟脉冲的状态如何，计数器的输出将被直接置零；当Rd==0，LD=0时，不管时钟脉冲的状态如何，将立即把预置数据输入端A、B、C、D的状态置入计数器的Qa、Qb、Qc、Qd端。秒脉冲由秒脉冲信号提供，秒脉冲信号是由图中的NE555定时器组成的多谐振荡器产生。可预置时间的定时电路如图3.2所示。
74LS193组成的计数电路中，可以将第一块集成块的输入端Qa和Qd端置“零”，Qb和Qc置“1”第二块的输入端Qa—Qd端全部置“零”，这样的预置数为60秒。主持人按动开关后，此电路就开始倒计时。74LS193的功能表如表3.1所示

清零
Rd
预置
Ld
时钟
CPu CPd
预置数据输入
A B C D
输出
A B C D
H
L
L
L
×
L
H
H
× ×
× ×
↑ H
H ↓
× × × ×
A B C D
× × × ×
× × × ×
L L L L
A B C D
加计数
减计数
表3.1 74LS193功能表

图3.2可预置时间的定时电路
3.2报警电路
报警控制电路功能是：在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都会产生报警信号，由蜂鸣器或者指示灯显示出来，以提醒主持人和选手。
报警电路的设计也可以采用555集成电路。
将NE555集成定时器与外围元件组成构成多谐振荡器，电路如图3.3所示

图3.3报警电路
振荡频率 ＝1.43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为时序控制电路输出的控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，即报警，这种情况发生的前提条件是有人抢答或者是抢答时间到而无人抢答。当PR为低电平时，电路停振。
本报警电路因选用NE555定时器组成的多谐振荡器和一个三极管，故电路结构简单。在NE555的5脚与地线间，接入了一个0.01uF电容，可以起滤波作用，以清除外来的干扰，确保电平的稳定。
根据抢答器的工作状态发出相应的声音提示，也可以通过音乐集成电路、三极管音频功放电路和扬声器发声。

第4章 电路的制作、调试和检测
4．1 抢答器制作
抢答器的整体电路图如附录1中所示，根据电路图，制作过程如下：
1、检测与查阅元器件
首先检查下所用的每个元件的参数是否符合所设计的要求，再用万用表检测下每个元件的性能与好坏，如有坏的，及时更换。集成电路的话，要用数字集成电路测试仪检测。在通过查阅集成电路手册，标出电路图中各集成电路输入、输出端的引脚编号。
2、连接电路
在插器件之前，要注意线路板的处理，否则可能造成可焊接性差，容易引起虚焊。
在按电路图连接电路的时候，先在电路板上插好元器件，元器件在插装的时候，要注意集成电路的引脚、三极管的极性不要插错，同时也要保证集成电路各管脚与插座接触良好，管脚不能弯曲或折断。
在焊接之前，要重新检查下插好的元件以免插错。例如有极性电容，二极管等正、负极不能接反。
3、电子元器件的焊接
一个电路的最终完成，是在电路板上焊接电子元器件，焊接质量的好坏将直接影响到电路的性能和可靠性。焊件和焊接点要净化，焊接前，应将焊件和焊点表面处理干净，然后蘸上松香，镀上锡，以便焊接。
4、电路调试
在通电以前先用万用表检查各器件的电源接线是否正确，电路是否有短路现象。通电后应先检测电源供电压、电路的各点直流电位是否正常，如果不正常，要用万用表逐点排查，以检查线路板上的虚焊、搭焊和错焊点。
4．2 电路功能调试
制作完成后，按照抢答器的功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障。若某些功能不能实现，就要查找并排出故障，排出故障可按照信息流程的正向（由输入到输出）查找，也可以按信息流程逆向（右输出到输入）查找。
1、抢答电路的调试
抢答电路主要是由一块CD4511和一块TC4068以及一个七段LED数码显示器组成的。在调试时，可以在编码器的各输入端接上开关,当接上电源后,用各开关打开或断开来判断七段LED数码显示器是否显示正常。
2、定时电路调试
清零是由主持人控制的.这个电路比较简单，只有一个指示灯，当主持人开关断开时，指示灯通过接地连接到各触发器的清零端，这时七段LED数码显示器应显示为0，如果不为零则电路不正常。
4．3故障排除与分析
1、蜂鸣器不受控制
当电路通电以后，蜂鸣器马上发出声音，不管复位键怎么按都无效，蜂鸣器发出声音，必须三极管导通，三极管导通的条件，基极必须有正向导通电压，这个电压是或门提供的，经过电阻到达三极管基极，用万用表测量或门电压，发现没有电压，那三极管怎么会导通呢？仔细查看发现，三极管集电极和基极接反了，对调后，蜂鸣器一直叫的问题解决。
2、S1开关无效
按键S1无效，别的有效，说明后面的公共电路是正常，问题出在于S1触发器，通电以后，按下复位键，然后在按下S1，用万用表测量4013的1号脚电压，发现电压为5V正常，而到达开关二极管时电压变0V了，说明从1号脚到开关管的导线有断路，测量发现一处断开，用电烙铁焊接哦，问题解决。
3、数码管G不显示
开关S1按下，数码管显示1，正常，而2那下时。数码管显示的2中间差一横，数了，2由5个信号合成的，而现在只有4个信号，用万用表测量译码器输出，发现译码器，有5处信号（f、a、g、d、c）输出，而显示只有f、a、d、c四处。而g无显示，经过仔细查看测量发现G脚没接上。接上G脚后，少一横的问题解决。

心得体会
通过这次毕业设计，我学到了很多东西。首先从自己的所学的数字电路以及电路的知识出发，充分开发自己的潜能。在这次设计过程中，也遇到了各种各样的问题，并认真的解决了它们，从最基本的查元件，找资料做起。在设计之前，参考了许多相关的资料，而且从网络和去书店查找了许多资料。
经过了几天抢答器的制作，留给我印象最深的就是：必须要有耐心和坚持下去的毅力，才能完成每一件事。在整个电路的安装调试过程，是一个非常考验人耐性的过程,那些芯片的管脚会让人眼花缭乱，只要一不留神就会接错线。等知道错了以后，检查起来是多么的麻烦。
在这次过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间检查故障，分析原因，特别烦恼，想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。基础知识要求非常扎实，否则电路出现毛病就不会分析，也就没有办法解决。
另外，由于画电路图的需要，我进一步巩固了PROTEL99 SE的知识，知道了电子电路CAD课堂上没有掌握好的知识。可以说是为了以后的电子领域的道路做了一些有益的尝试，同时也使我增加了对电子方面知识的兴趣，也从中发现了自己的一些不足之处，计数器方面已经基本上掌握了关于置数和清零的知识。而一些理论知识在实际应用上的差距和许多知识的不太理解，尤其是关于编码器和译码器方面，以后我要多多改进。

参考文献
1、杨清学 主编 电子装配工艺 电子工业出版社 2003.4
2、关 健 主编 电子CAD技术 电子工业出版社 2004.1
3、杨志忠 主编 数字电子技术 高等教育出版社 2000
4、刘征宇 电子电路设计与制作，福建科学技术出版社 2003
5、陈新华，魏绍亮 主编 电子技术实践机械工业出版 2003.1
6、陈永甫 555集成电路应用800例 电子工业出版社 1992
7、谢自美 主编 电子线路设计.实验.测试 华中科技大学出版社

致 谢
在本设计中，我看了许多有关抢答器的资料，平时也上网查些有关的内容，使我掌握了许多课本中从没学到的东西，在设计中也遇到了不少的问题，凭本人的水平是无法解决的，我从指导老师身上学到了很多东西。老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。在论文设计中，都给与我很大的帮助，使我得到不少东西，这对于我以后的工作和学习都有很大的帮助，感谢老师耐心的辅导。都是通过老师的精心指导，帮我解决了不解之惑，才使我能够顺利的完成本设计。在此，我要特别感谢我的指导老师，对她说声：“老师，您辛苦了，谢谢！因为有你的辛勤付出，才有我今天的成功”。

附录1六路抢答器的整体电路图

附录2 电路元器件明细表

序号
名称
大小
数量
型号
1
电阻（1）
360
7
R
2
电阻（2）
2K
1
R
3
电阻（3）
5.1K
2
R
4
电阻（4）
10K
2
R
5
电阻（5）
100K
4
R
6
电阻（6）
400K
1
POT
7
普通电容（1）
0.01uF
3
C
8
普通电容（2）
0.1uF
1
C
9
极性电容
100uF
1
C+
10
普通二极管
4118
6
D
11
发光二极管

2
LED
12
三极管
9013
2
NPN
13
555定时器

2
NE555
14
与非/与门

1
TC4068
15
扬声器

1
Y
16
译码器

1
CD4511
17
LED显示器

1
DS1
18
按钮

9
S

附录3 集成电路的引脚功能

CD4511管脚功能

TC4068与非门外观引脚图

555引脚图和典型应用电路

“ 7段数码管

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