四人抢答器电路的设计与制作

1、四人抢答器电路的设计与制作作者：严晶【摘要】抢答器是工厂、机关、学校等单位广泛开展知识竞赛活动时不可缺少的设备。我本次毕业设计的四人抢答器电路主要运用集成芯片CD4511等作核心元件，构成四路抢答器，实现设计指标的要求：电路具有自锁及互锁的功能；用数码管显示抢答者的号码，同时该路抢答器发出响声；主持人通过“复位”按钮清除LED数码管的显示和停止响声。【关键词】抢答器 译码显示 RS触发器 编码电路电路前言毕业设计是高校实现培养目标的重要教学环节，对大学生的创新精神、实践能力和综合素质的培养有着十分重要的作用，同时也是衡量高校办学质量和办学效益有重要评价内容。通过设计本课题，让学生对所学过的数字

2、电路知识进行综合复习与运用。并且通过设计，组装与调试硬件电路等的操作，锻炼学生的实践能力与电路调试能力，同时也锻炼学生的论文书写能力。本次毕业设计的内容是：自选适当的数字集成电路及分立元件，设计出一款简易的模拟四人抢答器电路，要求设计出的电路能够实现以下功能：1、4人抢答，每人1个控制开关；2、电路具有自锁及互锁功能；3、有“复位”和“开始”功能，“复位”时不能抢答；4、用数码管显示抢答者的序号。根据以上内容，结合学习过的知识，我对毕业设计内容作了如下分析：1、用数、模电知识完成四路数字抢答器的设计与制作；2、设计的电路可同时供四组选手参加比赛，各用一个按钮，他们的编号分别是A，B，C，D，；

3、3、主持人设置一个控制开关R，用来控制系统的清零和抢答的开始；4、抢答器具有数码锁存功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，禁止其他选手抢答，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止；5、用数码管显示抢答着的序号。第1章 设计方案的论证及选择一 设计方案的论证根据设计任务书的要求，我初步拟定了以下两种设计方案，每种方案的原理框图及简单工作原理介绍如下。1、设计方案一 图1 方案一原理框图该设计方案中的抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的序号显示出来，并且有报警声。当主持人将按钮开关拨到

4、“清除”状态，抢答器电路处于禁止状态；当某选手首先按某一开关时，可通过编码器进行编码，触发锁存电路被触发而开始工作，并在锁存器中执行锁存功能，在输出端产生相应的开关电平信号，同时为防止其它选手的按钮开关随后按下，进而触发而产生影响，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。然后显示相应的序号，并报警。2、设计方案二 图2 方案二原理框图该设计方案中的抢答器实现以下功能：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，数码管显示序号，有报警声，并禁止第二轮抢答。如果再次抢答必须由主持人再次操作复位开关。在该设计方案中：编码电路由按钮开关和二极管组成，利用二极管的单向导电性进行编码，

5、将四路抢答输入电平信号分别编码成对应的BCD码。由于电路工作速度很快，几乎不会出现多人同时刻抢答情况，即使有多人同时抢答，抢答的结果也是无效的。所以将多人同时刻抢答输入看成任意项。抢答输入为高电平，用“1”表示；无抢答输入为低电平，用“0”表示。控制电路由4-7线译码/驱动器CD4511构成。根据输入的高低电平不同进行锁存、复位和译码。锁存器及控制电路由集成CMOS或非门CD4001构成RS触发器。其脚为S输入端，脚为R输入端，接复位开关，按下按钮开关后，输入高电平，脚为Q端输出高电平到控制电路。显示电路由共阴数码管和电阻组成。译码电路输出经220330欧的电阻限流后加到LED数码管各相应的阳

6、极。显示出抢答者的序号。报警电路用三极管和电阻组成，用555定时器构成多谐振荡器，产生振荡信号，供给后续电路使用，采用蜂鸣器作为报警器件。二 设计方案的选择我将第一种和第二种方案比较之后觉得第二种方案更适合设计思想，更能体现毕业设计的要求，可以实现任务书中，要求用数码管显示抢答者序号的要求。同时根据本次毕业设计的精神“电路最简单，调试最方便，元器件来源有保障，安全可靠，成本最低”，同时也为了贯彻毕业设计的“创新，挑战自己”的宗旨。综合各方面因素考虑，设计方案二充分的满足了本次毕业设计的要求，同时在元器件来源上可以得到保障，最终决定选用设计方案二进行毕业设计。 第二章 单元电路设计1、编码电路设

7、计 图3 编码电路编码电路由按钮开关和二极管组成，利用二极管的单向导电性进行编码，将四路抢答输入电平信号分别编码成对应的BCD码。由于电路工作速度很快，几乎不会出现多人同时刻抢答情况，即使有多人同时抢答，抢答的结果也是无效的。所以将多人同时刻抢答输入看成任意项。抢答输入为高电平，用“1”表示；无抢答输入为低电平，用“0”表示。如表43线编码器真值表。43线编码器真值表输入输出（8421BCD码）备 注DCBAdcba00000xxx无人抢答,=0，LED不亮00010001A抢答，显示100100010B抢答，显示201000011C抢答，显示300000100D抢答，显示4用卡洛图化简输出a

8、、b、c、d与输入A、B、C、D的逻辑函数表达式：a=A+C,b=B+C,c=D,d=0根据化简后逻辑函数表达式，用二极管D1和D2分别表现a=A+C,b=B+C。4输入或门电路，实现S=A+B+C+D控制电路由4-7线译码/驱动器CD4511构成。根据输入的高低电平不同进行锁存、复位和译码。2、RS触发器设计锁存器及控制电路由CMOS的集成或非门CD4001构成RS触发器。其脚为S输入端，脚为R输入端，接复位开关，按下开关后，输入高电平。脚为Q端输出高电平到控制电路。3、编码译码电路设计 图4 RS触发器电路 图5 编码译码电路译码电路和译码显示电路由4-7线译码/驱动器CD4511构成。将

9、编码电路输出的信号进行编码，译码。显示电路由共阴数码管和七个电阻组成。译码电路输出经220330欧的电阻限流后加到LED数码管各相应的阳极。显示成抢答者相应的序号。4、报警电路设计图6 报警电路报警电路用二极管D3、D4、D5、D6和电阻R5组成用集成555定时器构成多谐振荡器。采用蜂鸣器作为发音器件。CD4511译码输出经220330欧的电阻限流后加到LED数码管各相应的阳极。第三章 主要元器件功能介绍1、BCD码47线译码/驱动器（CD4511）CD4511是具有锁存功能的BCD码47线译码/驱动器。CD4511能将输入的二一十进制码（8421BCD码）译成七段码（ag）,驱动共阴极LED

10、数码管。它是16脚双列直插式COMOS的集成器件，引脚排列如图所示。其各引脚功能如下：VCC、GND分别是正、负电源端，电源电压范围是318V.A1、A2、A3、A4是8421BCD码输入端。ag是七段译码输出，高电平有效。是灯测试端。当=0时，无论其它输入端状态如何，此时ag全为1，LED所有段全亮。可利用 此来检查数码管的好坏。是消隐控制端。当=0，且=1时，ag全为0，数码管不亮。LE是琐存控制端。当LE=0时选通，LE=1时锁存。2、NE555时基电路用555时基电路组成的自激多谐震荡器时，它的5脚为控制端，片内接比较器的同时输入端其电位为2/3VCC。用555时基电路组成自激多谐振荡

11、器时，一般将5脚通过一个小电容接地，以防止外界干扰对阈值电压的影响。1脚GND为接地端。2脚加在比较器C2的信号输入端也称触发输入端，由此输入触发脉冲UI2，当2端的输入电压高于1/3VCC时，C2的输出为“1”，当输入电压低于1/3VCC时，C2的输出为“0”，使基本RS触发器置“1”。3脚OUT为输出端，输出电流可达200mA,因此可直接驱动继电器，扬声器等。输出高电压略低于电源电压VCC。4脚为直接复位输入端，由此输入负脉冲时，触发器直接复位，正常工作必须接高电平。5脚CO为控制电压输入端，经0.01UF的滤波电容接“地”，以防止干扰的引入，提高参考电压的稳定性。6脚为阈值输入端。7脚为

12、放电端，都要外接上拉电阻。8脚为电源端。3、四2输入正或非门（CD4001）把四2输入正或非门（CD4001）的各任意输入端并联在一起就成了非门，利用或非门的一个输入端受控，就可以组成脉冲键控多谐振荡器。根据其逻辑关系，当控制端为低电平时，电路停止振荡，当控制端为高电平时，电路振荡。因此，在控制端加上控制脉冲，就组成了脉冲振荡器。第四章 电路的组装与调试1、 编码电路组装与调试按照编码单元电路设计图在面包板上进行合理插接，接通+5V直流电源到编码单元电路。测试编码电路，当按下按钮开关A之后，将万用表打到直流电压档测试，分别测试输入端A、输入端B、输入端C、输入端D。输入端A输出高电平，输入端B

13、、输入C、输入D都是低电平，切断电源后再次接通电源到该单元电路，按下按钮开关B之后，再按按钮开关A、C、D，再将万用表打到直流电压档测试，分别测试输入端A、输入端B、输入端C、输入端D。B端输出高电平，A端、C端、D端都是低电平。可见，编码电路的工作正常，实现了互锁。2、 RS触发器电路的组装与调试按照RS触发器单元电路设计图在面包板上进行合理插接，接通+5V直流稳压源。测试RS触发器，将万用表打到直流电压档测试，测试RS触发器的Q输出端和S输入端。任意按下按钮开关A、B、C、D之后,RS触发器的S输入端高电平，Q输出端变为高电平。再按任意按钮，Q输出端保持高电平不变。当按下复位按钮R后，R输

14、入端瞬时输入高电平，Q输出端输出低电平。可见，RS触发器工作正常。3、 译码和显示电路组装与调试 按照译码和显示单元电路设计图在面包板上合理进行插接，接通+5V直流稳压源，测试译码和显示电路。当按下按钮开关A，用万用表测试BCD码47线译码/驱动器CD4001输出端A、C为高电平，其余输出端为低电平，数码管显示1。当按下按钮开关B，用万用表测试BCD码47线译码/驱动器CD4001输出端A、B、G、E、D为高电平，其余输出端为低电平，数码管显示2。当按下按钮开关C，用万用表测试BCD码47线译码/驱动器CD4001输出端A、B、G、C、D为高电平，其余输出端为低电平，数码管显示3。当按下按钮开

15、关D，用万用表测试BCD码47线译码/驱动器CD4001输出端F、G、B、C为高电平，其余输出端为低电平，数码管显示4。可见，译码和显示工作正常。4、报警电路组装与调试按照报警单元电路设计图在面包板上进行合理插接，接通+5V直流稳压源，用示波器测试NE555的3号输出端，显示一个幅度3.6V,频率为53.48Hz的方波。并发出报警的声音。5、整机电路调试所有单元电路在面包板上插接完毕之后，接通+5V电源,按照设计的工作流程对整机电路进行系统调试，调试情况如下：依次试验各路抢答按钮开关,要搞清楚数码管的显示与抢答按钮开关的对应关系。某一路按下,与之对应序号就会亮起来，同时有报警声。如果某一路出问

16、题,就应检查与那路相应的元器件是否组装正确。在这过程中的组装与连接还算比较顺利。在整个过程中一定要认真对待每一步，熟练掌握各种电子器件的使用。6、测试参数及波形记录将万用表打到直流档分别测试三极管9013的三个电极电压。 三极管截止时：Ue=0V,Ub=0V,Uc=4.57V，Ue=UbUc； 三极管工作时：Ue=0V,Ub=0.64V,Uc=1.63V，UeUbUc用示波器测试555时基电路的3号端输出波形如下所示：第五章 心得体会本次我毕业设计的课题是四路抢答器电路的设计与制作，运用的是学过的数字电路和模拟电路的知识。在电路方面，我对CD4511、CD4001集成芯片的内部结构不太清楚，在

17、网上查了很都资料才对其有一定的了解。回想起做毕业设计的整个过程，颇有心得体会，其中有苦也有甜。没有接受任务以前觉得毕业设计只是对前面所学知识的一种检验，也是对自己能力的一种提高。不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知如何入手。还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值!有些东西以为学会了，但真正到用到的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用到的时候才是真的学会了。在这个过程里将以前所学的知识进行了综合的运用，发现了自己很多不足的地方，理论知识与实际应用之间的距离也充分的体现了出来。当然，更多的是学到了很多的东西，为以后的设计打好基础。本课题是在穆春林老师精心指

18、导和大力支持下完成的。在此要感谢我的指导老师对我的指导，感谢老师给我这样的机会锻炼。穆春林以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于电子电路方面的知识，实验技能有了很大的提高。另外，我还要感同学们对我的无私帮助，使我得以顺利完成论文。同时感谢实验室的张海燕老师积极为我们提供元器件,还有杨毅德教授对我们设计成品的指导，在此我也衷心的感谢他们。最后，再次对关心、帮助我的同学和老师表示衷心的感谢。【参考文献】1 张庆双. 灯光控制经典实用电路. 机械工业出版社，2007。2 童诗白. 模拟电子技术基础（模拟部分） 北京：高等教育出版社，1988。3 张志悦. 数字电路设计与实用电路. 广州:华南理工大出版社.1991。4 张宪，何宇斌. 电子电路制作指导. 化学工业出版社，2006。5 周良汉，方向乔. 数字电子技术基础. 高等教育出版社，2002。6 叶挺秀. 电工电子学. 北京：高等教育出版社，2000。7 刘秋艳，刘景文，胥宝萍，任志娟. Protel99 SE电路设计. 中国铁