小学期实验设计任务
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第1章绪论...................................... 错误!未定义书签。
1.1课题研究的相关背景 (1)
1.2选题的目的和意义 (1)
1.3课题研究的内容 (2)
1.4抢答器目前存在的主要问题 (3)
第2章抢答器的系统概述 (4)
2.1抢答器的系统功能简介 (4)
2.2抢答器的工作原理简介 (4)
2.3抢答器系统的需求分析 (5)
2.4抢答器的工作流程 (5)
2.5抢答器的工作过程 (6)
第3章抢答器的单元电路设计 (7)
3.1抢答器设计中的数字编码电路 (7)
3.2抢答器设计中的译码/优先/锁存电路 (9)
3.3抢答器设计中的数码显示电路 (13)
3.4抢答器设计中的报警电路 (15)
第4章抢答器的电路设计图 (18)
4.1抢答器工作原理电路图 (18)
4.2抢答器实物电路图 (20)
第5章总结 (21)
摘要
随着科技的日新月异，促使人们开始学科学、学技术、学知识。
抢答器是一个机关学校开展智力竞赛活动必不可少的设备，广泛应用于学校、教育部门、企事业工会组织、俱乐部等单位组织举办各种知识、技术竞赛及文娱活动时作抢答使用。
八路数字抢答器电路包括抢答，编码，优先，锁存，数显，复位及报警电路。
抢答器数字优先编码电路由D1-D12组成，实现数字的编码。
CD4511是一块含BCD-7段锁存/译码/驱动电路于一体的集成电路。
抢答器报警电路由NE555接成音多谐振荡器构成。
抢答器数码显示电路由数码管组成，输入的BCD码自动地由 CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示。
经过布线、焊接、调试等工作的八路数字智能抢答器成形，更具有实用性。
关键字：CD4511 数码显示电路报警电路数字编码电路
第1章绪论
１.１课题研究的相关背景
在这个竞争激烈的社会中，知识竞赛，评选优胜，选拔人才之类的活动愈加频繁。
在竞赛中，都是多个选手一起参加，如果采用举手回答问题的这个方式来进行竞赛已经不适应社会的需要。
并且在主持人提出的问题时候，如果让选手用举手等方法来进行抢答，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。
而在当今社会里，比赛要追求准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这时候智能抢答器就派上用场了。
智能抢答器是一种应用十分广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它都能客观、迅速地判别出最先获得发言权的选手。
早期的抢答器只是由几个三极管、可控硅、发光管等器件组成的，能通过发光管的指示辩认出选手号码。
现在大多数智能抢答器都由单片机或数字集成电路构成的，并且新增了许多功能，如选手号码显示，抢按前或抢按后的计时，选手得分显示等功能。
随着科技的发展，现在的抢答器向着数字化、智能化的方向发展，这就必然提高了智能抢答器的制造成本。
鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器肯定很有市场。
因此，我选择简易逻辑数字抢答器这一课题。
八路智能抢答器主要由数字优先编码电路、锁存/译码/驱动电路于一体的CD4511集成电路、数码显示电路和报警电路组成。
优先编码电路、C D4511集成电路将参赛队的输入信号在数码显示管上输出，用报警电路对时间进行严格控制，这样就构成了八路智能抢答器电路。
1.2 选题的目的和意义
通过这次毕业设计,让我了解到了八路智能抢答器的结构组成和工作原理，也初步掌握八路智能抢答器的调整及测试方法，提高实践动手能力和思考问题的能力。
同时通过本次毕业设计，也让我巩固了以前学习的理论知识，建立逻辑数字电路的理论和实践的结合，了解了八路智能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响。
初步掌握了八路智能抢答器的调整及测试方法。
本毕业设计通过参考大量文献对八路智能抢答器的工作原理进行了系统的介绍，通过详细的调查和权威技术资料及相关情报的收集，为我们更深刻的了解电子技术提供了很好的平台，使得更好的让理论与实践相结合。
1.3 课题研究的内容
八路智能抢答器是采用了CD4511集成芯片来实现功能要求的，在抢答过程中，每个选手都有一个抢答按钮。
在主持人按下复位键宣布抢答开始的时候，选手就开始进行抢答，在指定时间内选手进行抢答，数码显示屏上会显示最先抢答选手的编号。
如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的编号，扬声器持续发生。
主持人可按复位键，新一轮抢答开始。
通过研究后发现，采用数字电路技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比优点还是有很多的。
首先，设计电路连接简单，因为采用了CD4511集成芯片进行设计的，大多数功能单元都能通过数字电路完成，第二，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。
所以本研究是一个实用的工程设计，具有创新性和实用性。
本论文章节的结构和内容如下:
第一章：绪论。
简要介绍了八路智能抢答器的发展现状；简要概述了本毕业设计的研究内容。
第二章：抢答器系统概述。
说明了八路智能抢答器的工作过程和主要功能。
第三章：抢答器的单元电路设计。
详细概述了本毕业设计中，八路智能抢答器各单元电路的设计。
第四章：抢答器的电路设计图。
展示了八路智能抢答器的电路图、工作原理电路图、PCB板电路图，更形象的表现出电路设计的思路。
第五章：总结与展望。
总结课题设计，指出设计中的一些问题，提出改善的意见，并展望抢答器的未来设计。
1.4抢答器目前存在的主要问题
随着科技技术的不断发展，促使人们开始学科学、学技术、学知识。
抢答器是一个机关学校开展智力竞赛活动必不可少的设备，广泛应用于学校、教育部门、企事业工会组织、俱乐部等单位组织举办各种知识、技术竞赛及文娱活动时作抢答使用。
但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，质量较差。
作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。
目前多数智能抢答器存在一下几点不足：
首先，现场线路连接复杂。
因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。
选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了
现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。
其次，电路复杂。
因为简单逻辑电路只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。
采用简单逻辑电路扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。
最后，容易出现选手抢按成功现象。
第2章抢答器的系统概述
2.1 系统的主要功能简介
八路智能抢答器的主要功能有如下三点：
1. 可同时供8名选手参加比赛，其相应的编码分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应。
2.给主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。
3.抢答器具有数据锁存和显示的功能。
抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。
2.2抢答器的工作原理简介
如图2-1所示为抢答器的结构框图。
电路完成了基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。
而报警电路则是起到提示作用。
其工作原理为：接通电源后，当主持人按下复位键，宣布"开始"抢答器工作。
选手即可开始抢答，当选手按下抢答键后，抢答器完成：编码、优先锁存、译码、数码显示。
当一轮抢答之后，只有主持人按下复位键，才能进行下一轮抢答，否则抢答无效。
图2-1 抢答器结构框图
2.3 抢答器系统的需求分析
1、在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答为无效。
2、可以显示是哪位选手有效抢答，正确按键后有讯响声。
3、按键锁定，在有效状态下，按键无效非法。
4、只有主持人按下复位键，下一轮抢答才能开始进行。
2.4 抢答器的工作流程
抢答器的基本工作原理:在上电之后，系统开始运行，在抢答过程中，会有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部电路和CD4511集成芯片会开始工作，并识别、记录第一个号码。
在整个抢答器工作过程中，编码电路、优先\锁存\译码电路、显示电路、报警电路都会运行。
抢答器的工作流程分为正常抢答流程、主持人复位等几部分，如图2-2所示。
图2-2 抢答器的工作流程
2.5 抢答器的工作过程
1、开始上电之后，主持人按复位键，抢答开始。
如有选手按下抢答键，报警电路会发出讯响声，并且数码显示电路上会显示成功抢答的选手的编号。
2、当有选手抢答成功之后，系统就进行了优先锁存，其他抢答选手抢答无效。
3、如果主持人未按下复位键，而有人按了抢答按键，此次抢答无效，只有当主持人按下了复位键，选手才能进行顺利抢答。
总而言之，本课题利用简单逻辑数字电路设计了智能抢答器，该抢答器具有基本的强大功能，提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，但是此抢答器功能还不够强大，还有很多功能无法实现，需要我们继续学习和研究。
第3章抢答器的单元电路设计
八路智能抢答器主要由数字编码电路、译码\优先\锁存驱动电路、数码显示电路和报警电路组成。
现简单介绍八路智能抢答器设计中的各单元电路的设计的情况。
3.1抢答器设计中的数字编码电路
参考电路如图3-1所示，S1—S8组成1—8路抢答器，D1—D12组成数字编码器。
该电路完成的功能是：通过编码二极管编成BCD码，将高电平加到CD4511所对应的输入端。
从CD4511的引脚可以看出，引脚6，2，1，7分别为BCD码的D、C、B、A位（D这高位，A为低位，即D、C、B、A分别代表BCD码8、4、2、1位）。
工作过程：当电路上电，主持人按下复位键，选手就可以开始抢答。
当选手1按下S1抢答键，高电平通过编码二极管D1加到CD4511集成芯片的7脚（A位），7脚为高电平，1、2、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0001”；当选手2按下S2抢答键，高电平通过编码二极管D2加到CD4511集成芯片的1脚（B位），1脚为高电平，2、6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0010”；当选手3按下S3
抢答键，高电平通过编码二极管D3、D4加到CD4511集成芯片的1、7脚（B、A位），1、7脚为高电平，2、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0011”；当选手4按下S4抢答键，高电平通过编码二极管D5加到CD4511集成芯片的2脚（C位），2脚为高电平，1、6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0100”；当选手5按下S5抢答键，高电平通过编码二极管D6、D7加到CD4511集成芯片的2、7脚（C、A位），2、7脚为高电平，1、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0101”；当选手6按下S6抢答键，高电平通过编码二极管D8、D9加到CD4511集成芯片的1、2脚（B、C位），1、2脚为高电平，6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0110”；当选手7按下S7抢答键，高电平通过编码二极管D10、D11、D12加到CD4511集成芯片的1、2、7脚（B、C、A位），1、2、7脚为高电平，6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0111”；当选手8按下S8抢答键，高电平加到CD4511集成芯片的6脚（D位），6脚为高电平，1、2、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD 码为“1000”。
输入的BCD码就是键的号码，并自动地由 CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示。
图4-1 数字编码系列电路
图3-1 数字编码系统电路
输入输出
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 D C B A
1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0
0 1 1 1
1 0 0 0
表3-1 数字编码电路功能真值表
3.2抢答器设计中的译码/优先/锁存电路
CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD 码—七段码译码器，特点：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。
CD4511 是一片CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图3-2-1所示。
其中A、B、C、D为BCD 码输入，a为最低位。
LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。
BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。
另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。
LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。
a～g是7 段输出，可驱动共阴LED数码管。
另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观。
（1）、CD4511的引脚图
图3-2-1 CD4511的引脚图
CD4511 是常用的七段显示译码驱动器，它的内部除了七段译码电路外，还这有锁存电路和输出驱动器部分，具有输出电流大，最大可达25mA,可直接驱动LED 数码管。
CD4511 由4 个输入端A/B/C/D 和7 个输出端a~g，它还具有输入BCD 码锁存、灯测试和熄灭控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测试LT、熄灭控制端BI 来控制
各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示BCD码的A、B、C、D位；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g；上边的引脚表示输入，下边的引脚表示输出；还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
其功能介绍如下：
BI：4脚是消隐输入控制端。
当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：3脚是测试输入端。
当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
如果该端为低电平，则译码器输出全为高电平，该端拥有最高级别权限，只要它为0，既有上述现象，而与其余所有输入端状态无关。
这一功能主要用于测试目的，因此正常使用中应接高电平。
LE：5脚是锁定控制端。
当BI、LT为1时，若该端为高电平，则加在A、B、C、D端的外部编码信息不能进入译码，所以译码器的输出状态保持不变；当LE=0时，则A、B、C、D端的BCD码一经改变，译码器就立即输出新的译码值。
A、B、C、D：为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。
图3-2-2 CD4511内部电路图
图3-2-3 CD4511内部逻辑图
（2）、译码驱动功能
编码器实现了对开关信号的编码，并以BCD码的形式输出，为了将输出的BCD码能够显示出来，需要用译码显示电路，选择常用的七段译码显示驱动器CD4511作为译码电路。
CD4511真值表如图3-2-4所示。
CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
图3-2-4 CD4511真值表
（3）、锁存优先功能
由于抢答器都是多路即须满足多位抢答者抢答要求，这就有一个先后判定的锁存优先电路，确保第一个抢答信号锁存住。
同时数码显示并拒绝后面抢答信号的干扰。
CD4511内部电路与Q1，R7，R8，D13，D14组成的控制电路（见图3-2-5 CD4511真值表）可完成这一功能。
当抢答键都未按下时，因为CD4511的BCD码输入端都有接地电阻（10K），所以BCD码的输入端为“0000”，则CD4511的输出端a、b、c、d、e、f均为高电平，g为低电平。
通过对0-9这10个数字的分析（见图4-2-5锁存优先功能电路图）可以看到，只当数字为0时，才出现d为高电平，而g为低度电平，这时Q1导通，D13、D14的阳极均为低电平，使CD4511的第5脚（即LE端）为低电平“0”，这种状态下，CD4511没有锁存而允许BCD码输入。
在抢答准备阶段，主持人会按复位键，数显为“0”态，正是这种情况下，抢答开始，当S1-S8任一键按下时，CD4511的输出端d为低电平或输出端g为高电平，这两种状态必有一个存在或都存在，迫使
CD4511的第5脚（即LE端）由0到1，反映抢答键信号的BCD码允许输入，并使CD4511的a、b、c、d、e、f、g 七个输出锁存保持在LE为0时输入的BCD码的显示状态。
例如S1按下，数码管应显示1，此时仅e、f为高电平，而d为低电平，此时三极管Q1的基极亦为低电平，集电极为高电平，经D13加至CD4511第5脚（即LE端），即LE 由0-1状态，则在LE为“0”时输入给CD4511的第一个BCD码数据被判定优先而锁存，所以数码管显示对应S1送来的信号是1，S1之后的任一按键信号都不显示。
为了进行下一题的抢答，主持人需要按下复位键S9，清除锁存器内的数值，数显先是熄灭一下，再复显“0”状态，此后若S5键第一个按下，这时应立即显“5”，与此同时CD4511的输出端14脚g为高电平，10脚d为低电平，12脚b为低电平，Q1截止，并通过D14使CD4511的第4脚为高电平，此时LE呈0—1状态，于是电路判定优先锁存，后边输入的其它按键信号被封住，可见电路“优先锁存”后，任何抢答键均失去作用。
图3-2-5锁存优先功能电路图
3.3抢答器设计中的数码显示电路
共阴式LED数码管的原理图（图3-3-1数码显示管原理图），使用时，共阴极接地，7个阳极a~g由相应的BCD七段译码器来驱动。
数码管接0.5寸共阴数码管。
图3-3-2数码显示管的
结构图
显示字符g f e d c b a
0 0 1 1 1 1 1 1
1 0 0 0 0 1 1 0
2 1 0 1 1 0 1 1
3 1 0 0 1 1 1 1
4 1 1 0 0 1 1 0
5 1 1 0 1 1 0 1
6 1 1 1 1 1 0 1
7 0 0 0 0 1 1 1
8 1 1 1 1 1 1 1
图3-3-3共阴极数码管显示字段码
3.4抢答器设计中的报警电路
参考电路如图3-4-1所示，抢答器报警电路由NE555接成音多谐振荡器，其中R16=R17=10K，扬声器通过100UF的电容器接在NE555 IC的3脚与地（GND）之间。
C1=0.01，R16 没有直接和电源相接，而是通过四只1N4148组成二极管或门电路，四只二极管的阳极分别接CD4511的1，2，6，7脚，任何抢答按键按下，报警电路都能振荡发出讯响声。
图3-4-1抢答器报警电路
由NE555接成音多谐振荡器构成的报警电路如图3-4-1所示。
其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。
PR 为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
555构成的多谐振荡器的工作原理如图3-4-2所示：接通电源Vcc后，Vcc经电阻R1和R2对电容C充电，其电压u c由0按指数律上。
当u c≧2/3 Vcc时，电压比较器C1和C2的输出分别为u c1=0,u c2=1,基本RS触发器被置0，Q等于0，Q非等于1，输出u O 跃到低电平U OL。
于此同时。
放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。
随着电容C的放电，u c随之下降。
当u c下降到u c≦1/3Vcc时，则电压比较器C1和C2的输出u c1=1和u c2=0，基本RS触发器被置为1，Q等于1，Q非等于0，输出u O 由低电平U OL跃到高电平U OH。
同时因Q非等于0，放电管V截止，电源Vcc又经过R1和R2对电容C充电。
电路又回到第一暂稳态。
因此，电容C上的电压u c在2/3Vcc 和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生振荡，输出矩形脉冲。
图3-4-2 555定时器工作原理图
将NE555多谐振荡器与成音多谐振荡器连接起来，前一个振荡器的输出接到后一个振荡器的复位端，后一个振荡器的输出接到扬声器上。
这样，只有当前一个振荡器输出高电平时，才驱动后一个振荡器振荡，扬声器发声；而前一个振荡器输出低电平时，导致后面振荡器复位并停止振荡，此时扬声器无音频输出。
第4章抢答器的电路设计图
通过对电路的功能分析，我们运用Protel 99 SE软件对电路进行设计，设计出了电路的走线图和PCB板图，并且进行PCB板刻录，开始进行焊接，做出了实物电路板。
4.1抢答器工作原理电路图
通过对电路的一些功能需求分析，我们运用了Protel 99 SE软件对电路图进行了设计，将抢答器工作原理电路图设计出来，如图4-1-1所示。
4-1-1抢答器工作原理电路图
4.2抢答器实物电路图
通过对电路的一些功能需求分析，我们运用了Protel 99 SE软件对电路图进行了设计，并将抢答器工作原理电路图和PCB板电路图设计出来，再进行元器件的焊接，将实物电路制作出来，如图4-3-1所示。
4-3-1抢答器实物电路图
第5章总结与展望
本设计详细介绍了八路智能抢答器的设计方案和功能。
这种八路智能抢答器主要是基于CD4511集成芯片，成本较低，且基本能够使用于学校和一些企业的活动中。
本设计主要讲述了智能抢答器的工作原理和工作过程。
在说明工作原理的过程中，突出了抢答器设计中的基本电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能；结合本设计的内容，指出了各单元电路的设计方法和意义，以及如何进行抢答控制。
在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。
电路设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。
它才是一个设计的灵魂所在。
因此在整个设计过程中大部分时间是用在单元电路的理解和设计上面。
很多单元电路是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个单元电路才是关键的问题所在。
经过这段时间的努力，在老师和同学的帮助下终于彻底的做完了毕业设计的所有工作。
通过这次的毕业设计，我能运用已学的知识解决我在设计中遇到的问题，使我思考问题的能力得到了很大的提高。
在做设计的过程中我查阅了很多的资料，并认真的阅读这些与我的设计相关的资料，从而我的专业涵养得到了提高，知识的储备量也有所增加。
在做设计时，我复习了很多专业课的知识，这使得我的专业知识在离校之前得到了巩固。
通过这次毕业设计，我也发现自己的很多不足之处。
在设计过程中我发现自己考虑问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢固，所掌握的电路应用软件还不够多，我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。
而且，通过这次设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的学习做出了最好的榜样！我将会在以后的学习和生活中不断提升自己。
2012年6月29日。
