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本次设计制作的八路抢答器,可同时进行八路优先抢答,按键按下后,蜂鸣器发声,同时数码管显示优先抢答者的号数,抢答成功后,再按键,显示不会改变,除非按复位键。
复位后,显示清零,可继续抢答。
不仅可以用于智力活动、节目,也可以用于需要多点控制的情况进行提示,报警等实现多方面功能。
设计中使用CD555、CD4511集成电路实现功能。
关键字:
抢答器;
定时抢答;
报警电路;
数字编码电路
ABSTRACT
Responderisakindofdeviceisrealizedbyadigitalelectronictechnology,canrealizethecontrol,timingresponder,alarmfunctionthroughthedesignandcontrolofdifferent.Composedmostlyofviestoanswerfirst,coding,priority,latch,displayandresetcircuit.
TheeightResponderdesignproduction,canalsobeeightfirstviestoanswerfirst,pressthebutton,thebuzzersound,atthesametime,digitaltubedisplayfirstrespondernumbers,Qiangdasuccessful,thenpressthebutton,displaywillnotchange,unlessthepresstheresetbutton.Afterreset,displayclear,cancontinuetoanswer.Notonlycanbeusedforintelligenceactivities,programs,canalsobeusedtoneedmorecontroloftheprompt,alarmtoachievemultiplefunctions.RealizethefunctionusingtheCD555,CD4511integratedcircuitdesign.
Keywords:
responderresponder;
timing;
Alarmcircuit;
Digitalencodingcircuit
第1章、绪论
1.1、设计背景
进入21世纪以来,越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中,例如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛。
而在竞赛中,抢答题往往被作为活跃气氛,考察选手的知识储备的必考题,而抢答题如光靠主持人的评判,是远远不能呈现给大家公平感的,人们早已不满足于人眼的判断。
因为在主持人说开始的一瞬间,每个选手都积极踊跃的回答问题,是很难分辨出先后顺序的,从而主持人的错误评判,会影响比赛的公平性。
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。
从最初的简单抢答按钮,到后来的显示选手号的抢答器,再到现在的数显抢答器,其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答,还兼具报警,计分显示等等功能,有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈,也使比赛更突显其公平公正的原则。
今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精,人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能,使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来,避免不合理的现象发生。
但这种电路不易于扩展,而且当有更高要求是酒无法实现,例如参赛人数的增加。
随着数字电路的发展,数字抢答器诞生了,它易于扩展,可靠性好,集成度高,而且费用低,功能更加多样话,是一种高效能的产品。
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、CD4511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、设计目的
在本次设计中我们需要通过运用所学内容和自学内容进行8路数字抢答器设计,来掌握编码、优先、锁存、数显及复位电路的组成与设计。
并且在动手实践中熟悉电路的排布、焊接、连线等等基本焊接程序,以及熟悉各元器件的实物样式和焊接要求,最终达到锻炼自身能力的目的。
1.3、设计要求和准备
1、抢答器由抢答、编码、优先、锁存、数显及复位电路组成。
2、该抢答器电路可同时进行八路优先抢答。
3、按键按下后,蜂鸣器发声,同时(数码管)显示优先抢答者的号数,抢答成功后,再按键,显示不会改变,除非按复位键。
4、复位后,显示清零,可继续抢答。
设计使用元器件表见附录I。
1.4、设计内容
运用所学内容和自学内容进行8路数字抢答器设计,掌握编码、优先、锁存、数显及复位电路的组成与设计。
要求:
1、能够按照要求独立完成课程设计部分;
2、学会查阅技术手册和文献资料;
3、进一步熟悉常用集成电路的设计方法;
4、初步掌握电路的调试技能和故障排除方法;
5、填写设计任务书,撰写课程设计论文。
第2章、设计系统概述
2.1、设计总体概述
设计电路图见附录II。
抢答数显电路由J1~J8八个按钮开关组成抢答键、D1~D12十二个二极管组成编码器,将抢答键按对应的BCD码进行编码,并将所得的高电平加在CD4511所对应的输入端。
CD4511是一块含BCD—七段锁存/译码/驱动电路于一体的集成电路。
CD4511的1、2、6、7脚为BCD码输入端,9~15脚为显示输出端。
3脚为测试端(LT),当LT为“0”时,输出全为“1”。
4脚为消隐端(BI),当BI为“0”时,输出全为“0”,因此此时可以清除锁存器内的数值,即可使用为复位端。
5脚为锁存允许端(LE),当LE端由“0”→“1”时,a、b、c、d、e、f、g七个输出端保持在LE为“0”时所加BCD码对应的数码显示状态。
16、8脚分别接电源正负极。
由CD4511的引脚图可知,6、2、1、7脚分别代表BCD码的8、4、2、1位。
按下对应的键,即可得到0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000八个一系列的BCD码。
高电平加在CD4511对应的输入端上,便可以由其内部电路译码为十进制数在数码管上显示出来。
优先锁存电路由两个二极管(D13、D14)、一个三极管(VT)、两个电阻及CD4511的锁存允许端(LE)完成。
在初始状态或复位后的状态时,CD4511输入端都与一个电阻(10K)串联接地,所以此时BCD码输入端为“0000”,则CD4511输出端a、b、c、d、e、f均为高电平,g为低电平,且数码显示为“0”。
而当d为高电平,三极管(VT)导通及g为低电平时,D13、D14的正极均为低电平,使CD4511的LE端为低电平“0”,可见,此时没有锁存即允许BCD码输入。
而当任一抢答键按下时,由数码显示可知,CD4511输出端d输出为低电平或输出端g输出为高电平,两个状态必有一个存在或都存在。
迫使CD4511的LE端,由“0”→“1”,即将首先输入的BCD码显示的数字锁存并保持。
此刻,其它按键编码就无法输入,从而达到了抢答的目的。
音频振荡电路为NE555组成的多谐振荡器推动扬声器发出讯响声。
四只二极管(IN4148)组成二极管或门电路分别接CD4511的1、2、6、7引脚,为NE555提供电源+Ucc,即任何抢答键按下时,扬声器都能发出报警声。
2.2设计工作原理简介
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,e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。
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抢答器的工作流程图
第3章、设计的局部电路设计
3.1、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3-1数字编码系统电路图
表3-1 数字编码电路功能真值表
输入
输出
S1S2S3S4S5S6S7S8
DCBA
10000000
01000000
00100000
00010000
00001000
00000100
00000010
00000001
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
3.2、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CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器,引脚排列如图3-2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。
图3-2CD4511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1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3-3CD4511内部电路图
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真值表图3-3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3-3CD4511真值表
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(见表3-2CD4511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3-4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3-4锁存优先功能电路图
3.3、设计中的数码显示电路
共阴式LED数码管的原理图(图3-6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3-5数码显示管的结构图
显示字符
g
F
E
D
c
b
a
1
2
3
4
5
6
1
7
8
图3-6共阴极数码管显示字段码
3.4、设计中的报警电路
参考电路如图3-7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NE555IC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3-7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3-7所示。
其中NE555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。
NE555构成的多谐振荡器的工作原理如图3-9所示:
接通电源Vcc后,Vcc经电阻R1和R2对电容C充电,其电压uc由0按指数律上。
当uc≧2/3Vcc时,电压比较器C1和C2的输出分别为uc1=0,uc2=1,基本RS触发器被置0,Q等于0,Q非等于1,输出uO跃到低电平UOL。
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,uc随之下降。
当uc下降到uc≦1/3Vcc时,则电压比较器C1和C2的输出uc1=1和uc2=0,基本RS触发器被置为1,Q等于1,Q非等于0,输出uO由低电平UOL跃到高电平UOH。
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uc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3-9NE555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。
第四章、总结
八路抢答器主要是基于CD4511集成芯片,成本较低,且基本能够使用于各种活动和生活的方方面面。
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。
经过本次设计,我们都对本专业的知识以及定位有了重新的认识,通过元器件的排布和集成电路的焊接这些简单的操作便能让元器件进行复杂的功能。
经过了实践之后对于课本上的知识有了更深的理解。
也明白了本专业的发展方向。
而自身在实践中发现自己有很多的不足之处。
比如对于理论知识的把握不是特别准确,对焊接方面想的过于理想化等等各种问题也让我明白只掌握理论知识终究还是不全面,要全方位的锻炼自己,并且将基础知识抓牢等等需要自己努力的地方。
致谢
经过了两个星期的时间,本次课程设计划下了完美的句号。
在这些天有老师谆谆的教导,有同学的帮助,有自己的辛苦等等掺杂其中,而在最终结束之后不禁感慨万分。
在此首先要深深的感谢老师在百忙之中对我们不厌其烦的指导和
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