浅谈数字抢答器的设计与制作

1、学士学位论文浅谈数字抢答器的设计与制作学生姓名：学 号：系 部：专 业： 电子信息科学与技术年 级：指导教师： （副教授） 完成日期：年月日中文摘要本文着重介阐述了利用CMOS系列集成块的功能锁存译码器制作的一种八路数码显示抢答器，讨论了该电路组成、功能、设计制作思路、安装调试等。抢答器除具有基本的优先抢答功能外，还具有显示和报警功能，其中对焊接与实现安装环节做了叙述。同时，本文还概述比较几种抢答器及应用，并总结了各自的特点和应用场合，供设计或实用时进行选择参考。关键字：数码电路；抢答器；原理设计；控制与显示Discusses the design and digital vies to pr

2、oductionAbstractThis paper introduces a kind of using CMOS series latch decode function of making digital display integrated blocks for 8, and its circuit responder component, function, design ideas, installation, debugging, etc. This contest is a basic first vies to answer first except function out

3、side, still have display and alarm function, this paper also to welding and realize this link made narrative. In addition, this paper makes a comparison of various vies to implement, and summarizes the respective characteristics. Key word:digital circuit; Contest manometers; Principle design; Contro

4、l and display 目录中文摘要IABSTRACTI引言11.抢答器的分类组成原理概述1抢答器的分类简介1部分抢答器的电路组成及特点2抢答器的选择依据8抢答器的设计任务与要求9抢答器的设计任务9抢答器的单元电路的设计要求92.抢答器的整体电路10抢答器的各部分电路11抢答电路11电源电路原理结构12报警电路13控制电路14抢答器的整机电路工作原理14抢答器的整机原理15抢答器的PCB图131415抢答器预计要用的器件和仪器仪表设备及元件列表163.抢答器的安装调试及性能分析1731抢答器的安装与调试1732抢答器的调试及性能分析18结语19参考文献20附录21致谢22引 言随着现代科技

5、进步，人民生活水平的不断提高，精神文明建设的不断加强，社会生活竞争的日益激烈，抢答器越来越成为一种应用非常广泛的设备，在多种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观、准确地分辨出最先获得发言权的参赛者的编号。最初的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，功能相对比较简单，现在，各类抢答器日趋完善。目前，大多数场合使用的抢答器，均由单片机或数字集成电路组成，并扩展出许多新功能，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、自动语音提示报警等功能。展望科技的发展，未来的抢答器有着越来越明显的数字化，智能化特点，在技术不断成熟的过程中，必然性地提高了抢答器的成本。鉴于现在小规模的各种竞赛越来

6、越多，制作简单、经济实用的小型抢答器必将占有特殊市场地位。1.抢答器的分类组成原理概述抢答器的出现是伴随着我国电子科技的不断进步而发展起来的，先后经历过由三极管、可控硅、发光二极管等分立元件制作的抢答器，到由数字集成块制作的抢答器，再到由单片机制作的抢答器等。制作工艺越来越趋于成熟，功能越来越多。以下简单介绍下几类抢答电路，并总结其各自的特点。抢答器的分类简介抢答器的分类：、按照控制元件联通情况不同，抢答器可以分为：有触点开关型和无触点开关型两类。 、依据控制电路的组成元器件，抢答器可以分为：由模拟电路元件制作的抢答器、由数字电路元件组成的抢答器、由单片机芯片制作的抢答器等。、按使用场合选用元

7、件的不同和制作工艺地不同，还可以把抢答器划分为：基于74LS373构成的抢答器、多功能智力抢答器、光耦数显抢答器、大容量抢答器、大屏幕竞赛抢答器等。 、根据抢答电路的多少可以分为：四路抢答器、六路数显抢答器、八路数显抢答器、十五路抢答器等。以下简单介绍这几种抢答器的电路组成和各自的特点以便于参考和研究。部分抢答器的电路组成及特点(1) 四路抢答器的电路组成：该抢答器的抢答控制电路由JK触发器CI和抢答开关S1-S4组成；指示部分由3AX81晶体管驱动H1-H4指示灯，若将指示灯换为HJB1-2C小型继电器，则可驱动更大功率的指示电路；发声部分由多只反相器和与非门组成自激振荡电路并由晶体管V5放

8、大推动扬声器发声；电源可由一般5V直流稳压电源供给。四路抢答器的特点：由抢答部分、发声部分、电源部分三部分组成，各部分有较多的基本门电路构成，电路元件较少，线路较复杂，且可靠性低，成本相对较高1；电路结构如图1.1所示。(2) 74LS373构成的抢答器的电路简介：当抢答开关有一路首先闭合置“0”状态并锁存，则其他各路在IC内被置“1”，为无效选择，J2是复位开关，锁存信号被译码后直接驱动LED1-LED8发光二极管显示优先置“0”的抢答信号的顺序编号等情况，该电路无报警部分。74LS373构成的抢答器的特点：使用74LS373（具有锁存-译码功能）作为核心器件，使抢答电路较为简单，可靠性得到

9、改善，制造价格降低，相对功能较少2；电路结构如图1.2所示。(3) 多功能智力抢答器的电路组成：该电路由可控硅和发光二极管和两个三极管以及音乐块KD-153和若干电阻电容组成，电源部分需一6V直流稳压电源即可工作。多功能智力抢答器的特点：具有抢答自锁、灯光指示、暂停复位、电子音乐报警、自动定时等功能，直流交流两用。功能强大，但是它是由分立元件和部分集成电路组成体积较庞大3；电路结构如图1.3所示。(4) 光耦数显抢答器的电路组成：该抢答器的电路大致可以分为这几部分，即显示部分由数字显示译码集成块和LED共阴极数码管共同来实现其功能，八路抢答电路时由自复式分路抢答按钮组成，四块双光耦集成块保证电

10、路的优先抢答，还有支持人复位清零端开关和稳压电路等光耦数显抢答器的特点：该抢答器巧妙地将光耦集成块与单向晶闸管衔接，成功实现优先抢答、强斥分路、音响提醒、数字显示的功能；但是此电路集成度不够高体积略显庞大4；电路结构如图1.4所示。（5）大容量抢答器的电路组成：该抢答器具有11路，555组成的报警振荡电路，扬声器驱动电路，及灯光显示电路等组成。大容量抢答器的特点：采用键盘接线方式，应用扫描方法进行工作，连线简单，成本低，安装维护方便，控制电路性能较好；但是该抢答电路的应用场合受到局限，仅在一些大型娱乐场所使用，在小规模竞赛中使用有较多不便5；电路结构如图1.5所示。（6）八路数显抢答器的电路组

11、成：该电路的核心是CD4017，CD4017是一个十进制计数/脉冲译码器，八路抢答电路，一个三极管为CD4017提供时钟脉冲。八路数显抢答器的特点：该电路是用一块常用数字集成块CD4017为核心构成，成本较低且工作可靠，简单易行，便于制作，也不用编程等；这样一来抢答器的可扩展灵活性自然会受到限制6。电路结构如图1.6所示。（7） 大屏幕竞赛抢答器的电路组成：由三块集成块和一个音乐芯片KD-153和六路晶闸管电路以及显示部分组成，三个集成块分别是六非门CD4069、BCD计数器/时序译码器CD4017、双D触发器CD4013，电源采用6V蓄电池或直流电源即可。大屏幕竞赛抢答器的特点：形象直观，适

12、合大型场合，抢答路数多，扩展性好，采用脉冲扫描方式，抢答效率好，性价比高，造价低。但是电路安装时工艺要求较高，对于一般人而言较为复杂7。大屏幕竞赛抢答器的电路结构如图1.7所示：（8）单片机多路抢答器的电路组成：AT89C2051作为核心，共阳极数码管和音乐芯片以及八路抢答电路组成。单片机多路抢答器的特点：电路简单，造价低廉，易于仿真和实现，制作工艺成熟，灵活性高，需要编程，并烧制程序；对于编程要求较高，使一般人知难而退8；电路结构如图1.8所示。抢答器的选择依据选择制作抢答器时要根据需要，制作工艺能够达到的，线路比较简单，可靠性高，集成度较高，体积小，造价低廉，使用的场合较多，功能比较强大，

13、灵活性较高的抢答器为宜。有以下两种制作方案可供选择：方案一：选用单片机如51系列、PIC系列、AVR系列等作为主控单元，在单片机最小系统的基础上，I/O口外接矩阵键盘、数码管或显示更多信息的液晶屏（1602、12864等）；只需编写一段简单的程序即可实现八路抢答器。方案二：选用中规模集成芯片组合成八路抢答器。如可选用74LS148、74LS48、74LS191、74LS279、74LS74、74LS00、NE555组成的电路。或者可选用CD4511、NE555、数码显示管等组成的电路。选用中规模集成芯片组成的抢答器外围电路简单，可扩展功能较多，选择使用单片机制作的抢答器也可以实现录音、放音，并

14、且更显智能化，但是其造价相对较高。中规模集成电路组成的抢答器电路相对复杂，连线较多，但使用简单元件实现了复杂、可靠性较高的功能，而且造价低廉，更有实用价值，相比较而言，中规模集成芯片制作的抢答器技术相对比较成熟，所以我们应该选择使用中规模集成芯片组成的抢答器。（也有不少专业技术人员通过组装的电路模块，来实现抢答的功能。）抢答器的设计任务与要求抢答器的设计任务抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，设置一个系统清零和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。抢答器具有锁存与显示功能，即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编

15、号一直保持到主持人将系统清零为止。当主持人启动“开始”键后，参赛选手开始进行抢答，抢答有效，显示器上显示选手的编号，并由蜂鸣器发出响声以示提醒报警，抢答期间保持，直到抢答完毕主持人将系统清除为止。如果长时间无人抢答，本次抢答无效，定时显示器上显示09。抢答器的单元电路的设计要求该抢答器电路使用集成电路来实现，需要掌握足够的有关集成块的知识，并且需要使用专业的multisim仿真软件和制作PCB图的protel DXP软件,需要会使用基本的焊接工具（如电烙铁、试电笔、钢丝钳、螺丝旋具、尖嘴钳、斜口钳、活扳手、千分尺、钢卷尺、梅花起子、平口起子、万用表、松香、焊锡丝、焊板等），掌握基本的焊接机巧，

16、会看印刷电路板，懂得如何安装元件，会识别元件（如二极管、晶体管、晶闸管、运算放大器、功率放大器、稳压器、交直流电源、集成音乐芯片、电阻器、电容器、电感器、石英谐振器、敏感元件、继电器、保护元件、开关等），会进行安装与调试，具备调试的常识，能能够准确无误判断出电路的哪一部分焊接不良，要及时进行电路板与原理图以及实物元件之间的“三对照”2。2.抢答器的整体电路电路包括抢答，编码，优先，锁存，数显及复位电路。可同时进行八路优先抢答，按键按下后，蜂鸣器发生，同时（数码管）显示优先抢答者的号码，抢答成功后，再按按键，显示不会改变，除非按复位键。复位后，显示清零，可继续抢答。S1-S8为抢答键，S9为复位

17、键。CD4511是一块含BCD-7段锁存/译码/驱动电路于一体的集成电路，其中1、2、6、7为BCD码输入端，915脚为显示输出端，3脚（LT）为测试输出端，当“LT”为0时，输出全为1，4脚（BI）为消隐端，BI为0时输出全为0,5脚（LE）为锁存允许端，当LE由“0”变为“1”时，输出端保持LE为0的显示状态。16脚为电源正极，8脚为电源负极。555及外围电路组成抢答电路。数码管接0.5寸共阴数码管。10：抢答器整机电路大概包括以下几个部分：电源电路、抢答电路、优先编码电路、译码电路、锁存电路、报警电路、数码显示电路、复位电路，其中电源电路、抢答电路、优先编码电路、译码电路、锁存电路、复位

18、电路构成电路的主体部分，报警电路、数码显示电路这部分是附加电路，作为电路的扩展部分。抢答电路：根据操作功能，一是要分辨出选手按键的先后顺序，并对优先抢答选手的编号进行锁存，并且使其他选手的按键操作无效；二是要将优先抢答选手的编号进行译码，在七段数码管上显示出来11。抢答电路原理框图如图2.2所示，示例电路如图2.3所示：原理结构电源电路：该电路是为抢答器的整机提供工作电流，是其他单元电路的工作前提，有的抢答器电源电路采用直流电源，也有的采用交流电源。有关资料对直流稳压电源电路原理详细讲解，此处不再介绍8。本设计欲采用的电源是较简单的变压器降压、桥式整流、电容退耦滤波电路，滤波后经三端稳压块78

19、05输出稳定的5V直流电压提供整机工作电源，这样选择的好处是电路简单、工作可靠稳定，给整机调试组装带来方便。电源电路原理如图2.4所示：报警电路：报警电路对抢答器抢答或抢答时间终止等进行报警。如果有定时电路且定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，报警情况是或的关系，所以可以用或门或者或非门来实现12。（本次实物制作中，仅用蜂鸣器来进行报警提示，定时电路系统由于时间紧迫放弃制作，此部分是电路的扩展部分，在此处仅作简单的说明）：报警信号或门1放大器蜂鸣器图2.5 报警原理方框图控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下两项功能：A. 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，抢答电路进

20、入正常抢答工作状态。B. 当参赛选手按动抢答按键时，蜂鸣器发声，抢答电路保持并停止工作。12控制电路示例如下电路2.7图和2.8图所示：其工作原理为：接通电源后，主控制开关拨到“复位”动作前，抢答器处于禁止抢答的状态，编号显示器灯为“0”状态，将主控制开关置于“复位”动作后，表示宣布抢答“开始”，抢答器进入工作状态，此时扬声器发出声响来进行提示。某抢答电路完成抢答动作时，抢答器同步完成优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示功能。这样一轮抢答之后，此时禁止第二次抢答；如果进行再次抢答必须将主控开关再次操作“复位”动作之后，抢答电路才可以进行新的一次抢答。主持人通过S9主控开关进行清零复位，系统

21、将自动锁存选手号码。若无人抢答，则系统显示0号，将由主持人宣布本轮抢答无效，抢答完成后自动显示选手号码，并由蜂鸣器发出声响自动实现报警功能。1314器件和仪器仪见设备表1名称及型号数量作用备注数字试验箱1台稳压电源1台电源万用表1台测量单位电烙铁1把焊接选定的抢答器电路元件列见表2序号名称规格位号数量序号名称规格位号数量1电阻100KR8111二极管1N4148D1-D1818210KR1-R6、R16、R17812集成电路CD4511U113R7113NE555U214300R9-R15714三极管9013Q115电解电容100uFC3115蜂鸣器3VBUZ11647uFC4116数码管单位

22、共阴DS117瓷片电容103C1117按键6*6*5S1-S998104C2118电池盒3节5号9IC座8PU2119电路板120*8011016PU1120说明书A41安装调试是整个抢答器制作的核心过程，以下是抢答器的完整的制作过程的简述。31抢答器的安装与调试安装前：我们需要根据上述的抢答器电路原理图和所给的器件、万能PCB电路板，自行完成八路抢答器的焊接制作。要求八路抢答器可以同时提供八路按键抢答，最先按下按键的有效，相应的LED指示灯点亮，指示出相应的按键，同时LED数码管显示按键选手编号，并有蜂鸣器发出蜂鸣声；设有主持人控制按键S9，用以清除在先状态，使电路恢复初始等待抢答状态15。

23、实施安装制作的过程为：首先，根据电路原理图，再次确定出各个部分电路的工作原理。其次，根据附录器件封装材料、原理图文件，认识所涉及的各种器件。根据原理图、实际器件、并在protel DXP中制作相应的PCB图、完成器件在万能PCB板上的布局，集成电路用相应的IC插座代替。然后，根据电路原理图，刻出PCB板，在万能PCB板上布线，PCB板的正面放置元器件，走线为横线；PCB反面为焊点所在的面，这面的走线以纵线为主。在PCB板的反面的两边布置电源线和地线，地线和电源线要粗一些。布线时要先确定集成芯片的位置，再确定其他元器件的位置，最好先画一份草图，用双色线条分别画出正反两面的走线，然后再实际连线和焊

24、接16。最后，完成器件在PCB万能板上的安装焊接，所有器件都应安装在PCB板的正面，集成电路插座的缺口方向最好取向一致，排列要整齐、美观。32抢答器的调试及性能分析抢答器的调试过程中需要注意的事项有：加电前根据原理图检查所有连线是否正确，测量电源与地线之间是否短路，排除短路故障。所完成电路的供电方案是利用USB总线的+5V电源供电，只要通过USB延长线将电路连接到计算机USB接口即可；加电后用三用表直流电压档测量电路电压应该为+5V，否则电路存在问题，应断开电源继续重复以上的电路检查，直到排除问题为止。对抢答器进行调试并进行性能分析及测试，在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否正确，对照电路

25、图按照一定顺序逐级检测，特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二极管是否接反，轻轻拨一拨元器件，观察焊点是否牢固。验证按键的操作是否正确，电路是否能实现所设计的功能，相应的LED指示灯、数码管及蜂鸣器的变化是否符合设计逻辑，如果不正确，应根据现象分析，找到并排除故障，再进行验证测试，直到电路能完成全部功能。一定要调试好电源值为5V，才能给电路通电。电源接通后首先保证安全，观察电路中是否有冒烟、起火等现象。如果有，应立即断电，故障排除后继续通电，并注意观察各器件引脚电压是否正常。如若无误则可封装电路板，至此抢答器的制作完成17。结语经历本次数字抢答器报警电路设计与制作调试，不仅对数字抢答器

26、报警电路的原理、设计、功能、应用等有了深刻理解，而且对数字电路知识有进一步的感悟和提高，并且对掌握数字电路知识的实践应用有了亲身体验，从而说明由理论到实践再到理论的认知过程是扎实掌握知识的有效途径。同时，还可以不同程度的锻炼和提高了综合运用能力。于此同时，还可以锻炼运用计算机软件Multisim和protel等制作电路的流程，包括原理图设计、软件仿真、生成PCB印刷电路图，实现熟悉和掌握使用硬件制作万能板、焊接电路、组装成实用电路，也大大地提高了分析问题的能力与调试电路的技能。这次的毕业设计，让我从不同角度和立场直接或间接地学到了一些我们专业的知识，锻炼了我的专业能力，使我对自己的专业有了更充分的了解和认识，也增加了我对自己所学习专业的兴趣。参考文献1张宪,何宇斌. 电子电路制作指导M. 化学工业出版社，2005,5 2沈任元,吴勇. 常用电子元器件简明手册（第2版）M. 机械工业出版社，2010,53侯尤魁.多功能智力抢答器J.无线电，1990,7（322）4金有锁.光