六路抢答器的设计与制作

1、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 日毕业设计六路抢答器的设计与制作- 2 - 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

2、件明细表17 附录三芯片内部结构图及引脚图18 毕业设计六路抢答器的设计与制作- 3 - 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；显示毕业设计六路抢答器的设计与制作- 4 - 第 1 章 抢答器的设计要

3、求及功能11 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

4、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：图 1.1 电路框图抢答按钮编码器数 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七 段 显示 译 码器毕业设计六路抢答器的设

5、计与制作- 5 - 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

6、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

7、 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

8、 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 消隐毕业设计六路抢答器的设计与制作- 6 - 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

9、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 =300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

10、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 集成电路的第脚与开关s8相连，当 s8按下时，脚接地，电路起振，产生约9001khz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，输毕业设计

11、六路抢答器的设计与制作- 7 - 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 v

12、cc 。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t 10.7( r1+r2)c，放电时间 t 20.7 r2c ，那么振荡周期 t = t 1 + t 2。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 s

13、9，6 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、脚为高电平， u4 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、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 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 集成毕业设计六路抢答器的设计与制作- 8 - 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

14、 4 脚输出 3 脚d7 d8 0 0 亮不亮小于vcc32小于vcc311 1 不亮亮大于vcc32大于vcc311 0 亮不亮小于vcc32大于vcc311 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

15、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 。毕业设计六路抢答器的设计与制作- 9 - 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

16、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

17、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 hh a b c d l l l l a b c d 加计数减计数表 3.1 74ls193功能表毕业设计六路抢答器的设计与制作- 10 - +5vtr2out3r4uco5th6d7ucc8gnd15551k68k&74ls4 874ls4 8定时 到信 号1 0ks控制 开关数据预置端数据预置端15k10uf0.1uf1q定时到信号+5v+5v+可预置时间的

18、定时电路a37a12a26a0345ya3yga37a12a26a0345ya3yg151109cpu5cpd43267bo13ld11rd14151109cpu5cpd43267bo13ld11rd1474ls1 9374ls1 9374ls4 874ls4 8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r11 5kr26 8k

19、37268415r51 k5 10c21 00fpr+5vc10.01 ufc555+5vr45 10rl8毕业设计六路抢答器的设计与制作- 11 - 振荡频率0f1.43 （ ri2r2 ）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

20、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。毕业设计六路抢答器的设计与制作- 12 - 第 4 章 电路的制作、调试和检测41 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

21、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

22、，以检查线路板上的虚焊、搭焊和错焊点。42 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、抢答电路的调试毕业设计六路抢答器的设计与制作- 13 - 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

23、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。43 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

24、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

25、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毕业设计六路抢答器的设计与制作- 14 - 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

26、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 20004、刘征宇电子电路设计与制作，福建科学技术出版社200