信息工程毕业设计八路抢答器设计.docx
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信息工程毕业设计八路抢答器设计
毕业设计(论文)
课题:
能够报警的数码显示八路抢答器设计
专业电子信息工程技术班级09电子信息工程
学生姓名学生学号
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答辩教师
总评成绩
课题设计要求
本文介绍了一种用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。
该抢答器除具有基本的抢答功能外,还具有定时、计时和报警多重功能。
设计题目
能够报警的数码显示八路抢答器设计
指
导
教
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平时成绩0~20
材料成绩0~40
指导教师
摘要内容
本文介绍了一种用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。
该抢答器除具有基本的抢答功能外,还具有定时、计时和报警多重功能。
主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间,系统将完成自动倒计时。
若在规定的时间内有人抢答,则计时将自动停止;若在规定的时间内无人抢答,则系统中的蜂鸣器将发响,提示主持人本轮抢答无效,同时实现报警功能。
关键字:
八路,抢答器设计报警数码
第一章系统简介和实现的原理与电路...................................1
1.1基本功能.........................................................1
1.2扩展功能.........................................................1
1.3数字抢答器总体方框图..............................................3
1.4电路结构..........................................................6
1.5抢答器的讯响电路结构..............................................7
第二章译码原理和锁存、复位电路及工作原理............................7
2.1译码显示原理......................................................7
2.2锁存器的定义和器件选择...........................................9
2.3复位、防作弊、锁存原理...........................................10
2.4声音提示电路及选择及工作过程.....................................14
第三章集成块功能及电路图CD40688输入与非门/与门....................14
3.1基本描述.........................................................14
3.2CD4511的引脚.....................................................15
3.3锁存、译码和消隐功能介绍.........................................16
3.4基本描述引脚描述及功能表及与辑表达式.............................17
第四章数显抢答器电路元器件分析.....................................18
4.1电阻器、电容器、晶体管以及三极管的介绍...........................18
4.2蜂鸣器及数显抢答器电路的连接、系统调试和完善....................21
致谢................................................................25
参考文献............................................................26
第一章系统功能简介和实现的原理与电路
1.1基本功能
(1)设置一个系统清除和抢答控制开关S,该开关由主持人控制。
(2)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,扬声器发出声响提示,并在DPY_7-SEG七段数码管上显示选手号码。
选手抢答实行优先锁存,优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
(3)抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛,分别用8个按钮S0~S7表
1.2扩展功能
(1)抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间由主持人设定(如30秒)。
当主持人启动"开始"键后,定时器进行减计时
(2)参赛选手在设定的时间内进行抢答,抢答有效,定时器停止工作,显示器上显示选手的编号和抢答的时间,并保持到主持人将系统清除为止。
(3)如果定时时间已到,无人抢答,本次抢答无效,系统报警并禁止抢答,定时显示器上显示00。
1.3数字抢答器总体方框图
如图1.1所示为总体方框图。
其工作原理为:
接通电源后,主持人将开关拨到“清零”状态,抢答器处于禁止状态,编号显示器灭灯,定时器显示设定时间;主持人将开关置“开始”状态,宣布“开始”抢答器工作。
定时器倒计时,扬声器给出声响提示。
选手在定时时间内抢答时,抢答器完成,优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。
当一轮抢答之后,定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。
如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。
图1.1设计框图
1.3电路结构图
图1.2抢答器的核心部分
图1.3抢答器的核心部分放大图
图1.4抢答器的核心部分放大图
本制作是一个简易实用的8路数字显示抢答器,图1.2为该抢答器的核心部分,包括抢答、编码、优先、锁存、数显及复位等电路。
所用的原件除集成电路CD4511,还有14只IN4148二极管,一只9014(NPN)三极管;15只电阻,9只按键开关,SB1~SB8为抢答键,SB9为复位键,LED数码管为0.5英寸的共阴极数码管。
其中7只470欧姆的电阻为限流电阻。
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,第9~15脚为显示输出端。
第3脚为测试端(LT),当LT为“0”时,输出全为"1"。
第4脚为消隐端(BI),当BI为“0”时,输出全为“0”,显然此时还有可清除锁存器内的数值。
第5脚为锁存允许端(LE),当LE由“0”变到“1”时,abcdefg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。
第8脚接地,第16脚接电。
图1.5CD4511图1.6数码管的引脚图
图1.79014的引脚图图1.8二极管IN4148的管脚
1.4抢答器的讯响电路结构
图1.9抢答器的讯响电路
图1.10555的管脚图
其中R1=R2=10K,扬声器通过100uf的电容器接在555的3脚与地之间,4只二极管分别接CD4511的1267引脚。
任何抢答按键按下,讯响电路都能振荡发出讯响声。
只要整个电路元件良好,装备无误,本制作一般不必调试,当电路通电,按下任何一抢答按键不动,听到扬声器发出讯响声,把电源电压稍作调整(8v左右),使声音悦耳、音量适当即可。
第二章译显原理和锁存、复位电路及工作原理
2.1译码显示原理
本设计因为只采用了九路抢答,即采用一个LED数码管就可以完成显示功能,设计中我们使用CD4511的输出端A--G作为LED数码管(a--g)的输入。
CD4511的输出端A--G的输出是由BCD码输入端ABCD决定的,根据BCD编码的输入不同在输出端输出不同数据也不同,LED数码管根据CD4511各端输出的数据点亮七段发光管就会显示相应的字符,CD4511各端输出的信息总是和LED上显示的相对应。
由CD4511的BCD码输入端ABCD、输出端A--G、LED显示字符三者的关系可得表2—1。
表2-1
BCD编码
CD4511输出端
LED显示
字符
D
C
B
A
G
F
E
D
C
B
A
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
2
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
3
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
4
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
5
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
6
0
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
7
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
1
0
0
1
1
1
0
0
1
1
1
9
七段LED是一种最常见数码管显示屏,这种数码管的每个线段都是一个发光二极管。
与我们小时候玩过的“火柴棒游戏”相似,几根火柴组合起来,可以拼成各种各样的图形,七段LED数码管实际上就是利用这个原理作成的。
数码管的每个线段都是一个发光管,其中七个长条形的发光二极管排列成一个“日”字型,另一个圆点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点。
LED显示器有两种不同的连接形式:
一种是8个发光二极管(a---g及dp)的正极连在一起,称之为共阳极LED显示器;另一种是8个发光二极管阴极连在一起,称之为共阴LED显示器。
他们的内电路如图2.1所示。
共阴极共阳极
图2.1七段数码管类型
共阴数码管内部的8个二极管的N极连接在一起,与引脚com端相连接,在使用时引脚com应接低电平。
当数码管其余的某个引脚接高电平时,则该引脚对应的发光二极管被点亮,也就是数码管对应的发光段被点亮。
共阳极数码管内部的8个发光二极管的P极被连接在一起,与引脚com端相连接。
在使用时引脚com应接高电平,当数码管其余的某个引脚接低电平时,则该引脚对应的发光二极管被点亮,也就是数码管对应的发光段被点亮。
七段发光二极管工作时若电流太小,则发光强度不够:
电流太大,则耗电量大,甚至会烧坏二极管。
在实际应用中,经常外接1K的电阻作为限流电阻。
由图2.1可以看出共阳和共阴结构的LED显示器各笔划段名的安排位置是相同的,当二极管导通时,相应的笔划就会发光,由发亮的笔划段组合而显示出各种字符,可以显示0--F十六格字符及小数点。
由于此设计中只有九路抢答所以使用led数码管的0-9十个字符就可以满足显示要求,在本设计中采用CD4511BCD七段所存,译码,驱动器来驱动数码管显示则七个笔划对应于cd4511的输出端A、B、C、D、E、F、G,因此可用7位二进制代码表示欲显示字符的代码,数码管各段与输出端各位的对应关系如表2—2所示。
表2—2
输出端各位
G
F
E
D
C
B
A
数码管各段
g
f
e
d
c
b
a
阳极数码管二进制数据位0表示对应字段亮,数据为1表示对应字段暗;共阴极数码管,数据为0表示对应字段暗,数据为1表示对应字段亮。
若要显示"0"字符共阳极数码管的字符编码应为1000000B,共阴极数码管的字型编码为0111111B,依次类推,只要把欲要显示数字字形码通过cd4511输出端送给数码管即可。
数码管字型码见表2—3。
表2—3字型码
显示
字符
字型
共阳极
共阴极
g
f
e
d
c
b
a
g
f
e
d
c
b
a
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
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1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
2
2
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
3
3
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
1
1
1
1
4
4
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
5
5
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
6
6
0
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
0
1
7
7
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
8
8
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
9
9
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
1
2.2锁存器的定义和器件选择
锁存器的定义及器件选择
(一)使用专门的锁存器74LS373,74LS3074等集成电路,使电路中元件增加,连线复杂,调试维修增加难度,并使设计成本增加。
(二)选用锁存/译码/驱动器集成于一体的集成电路,可以简化外围电路,工作更加稳定。
经比较两种方案,基于设计电路时,我们考虑的是电路简便,实用,稳定性,可靠性好,费用低的原则,故选用方案二。
CD4511BCD七段锁存,译码,驱动器是将锁存器,译码器。
它的输出由输入的BCD码决定,故显示器显示数字为“0、1……9”。
分析CD4511各引脚功能知5脚LE为锁存控制脚,LE脚为0时,ABCD输入端决定显示字符,LE脚为1时,锁存显示的字符此时控制LE脚的高低电平必须接外围电路,电路如图2.2所示。
图2.2锁存、复位电路
此数选抢答器不仅有抢答的功能,而且还可以实现防作弊功能,更进一步维护比赛的公平,公正,公开原则。
2.3复位、防作弊、锁存原理
一、复位原理
电路原理图如2—10所示S10为复位键,一般主持人在喊开始抢答前按下,当S10被按下时,CD4511LE脚为低电平0,CD4511没有处于锁存状态,显示字符有ABCD输入端决定,主持人此时并没有喊开始所以任何人不能进行抢答,ABCD输入端的值全部为0,CD4511的七段输出引脚ABCDEFG应该为1111110则LED数码管显示字符0,用CD4511输出ABCDEF分别接CD4086与非门的10,9,5,4,3,2引脚CD4511输出端G经VT1反向后变为高电平1连接CD4086的11,12,13引脚。
这样CD4086与非门输入端为1,即输出低电平0,CD4086的输出端经过R3限流后连到CD4511的5脚LE上,保持主持人在没有喊开始之前LED数码管数字一直显示为0。
图2.3复位电路
二、防作弊原理
主持人在按下S10按键后,CD4511LE引脚为低电平0,CD4511没有处于锁存状态显示字符取决于ABCD输入端,此刻并没有喊开始,所以ABCD输入端的值全部应为0,CD4511的输出端ABCDEFG应为1111110,而LED数码管显示为0,如果有人在此之前按下抢答键CD4511的输入端ABCD的值不全为0,输出端ABCDEFG也输出与输入相对应的值,通过LED数码管显示出抢答器的抢答号,而且还通过CD4086与非门后到达CD4511的LE引脚锁存该按键号,找出作弊的比赛者。
因此,有效的防止有人作弊。
3、锁存原理
表2-4锁存原理
键号
键号编码
CD4511输入端
CD4086输入端
13
LE
LED
D
C
B
A
G
F
E
D
C
B
A
11、12
2
3
4
5
9
10
SB10
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
SB1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
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1
1
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SB2
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
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2
SB3
0
0
1
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1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
3
SB4
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
4
SB5
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
5
SB6
0
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1
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
6
SB7
0
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
7
SB8
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
8
SB9
1
0
0
1
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1
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0
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
9
当主持人喊开始后最先按下抢答键的键号会在LED数码管上显示出来,其它键再按下去也不起作用。
某一个按键被按下后首先编码电路对其进行编码并输出到CD4511的ABCD端,由于CD4511本身具有译码,驱动功能,输出端ABCDEFG则根据ABCD的输入值输出对应的数值在LED数码管上显示出来。
同时,CD4511是输出端ABCDEFG是值也送到了CD4086与非门的输入端上,经与非门输出端高电平1送到CD4511锁存引脚LE,由于CD4511的LE为锁存引脚,为低电平0时,无效。
为高电平1时,处于锁存状态。
此LE为高电平1时处于锁存状态,输出的值被固定与输入端ABCD的输入没有关系即比赛者再按下抢答键进行抢答均不起作用。
主持人喊开始后,若首先按下的键为SB6时,当SB6被按下时,编码电路首先对其进行编码0110,再送到CD4511的输入端ABCD经CD4511本身具有的译码,驱动功能,输出端ABCDEFG为0011111则数码管上显示字符6,同时输出端AB是值00送到CD4086的10,9引脚,CDEF的值1111送到5,4,3,2引脚,G值经过VT1的反向后变为0送到11,12引脚,此时CD4086输入端的值为11110000,与非后输
出高电平1并送到CD4511的锁存引脚LE,CD4511是LE只要一为高电平1,立刻处于锁存状态,输入端ABCD输入的值都为无效,即再按抢答键不起作用。
只有主持人按下“复位”按钮强行使CD4511锁存脚置零,CD4511锁存解除,才能开始下一论抢答。
依此原理可得表2—4。
2.4声音提示电路及选择及工作过程
一、声音提示电路的选择
声音提示是为了更好的提示抢答人员是否还有抢答的机会而设置的电路。
方案一:
选用扬声器发声,必须有功率放大集成电路进行信号放大,如功放块LM386发出声音,其电路连接复杂,扬声器功耗大,需要的元器件较多。
方案二:
选用蜂鸣器使用蜂鸣器不需要驱动电路,只需一个控制开关,就可以实现声音提示功能电路连接图如2.4所示。
经比较,基于连接简单,费用低可以实现同样的功能,考虑选择第二种方案作为本设计的声音提示电路。
图2.4声音提示电路
声音提示是协同显示字符工作的,支持人按下复位键时,数码管显示0字符,报警电路不工作,没有声音,只有有抢答键被按下时,数码管显示相应的键号,报警电路工作有声音。
二、工作过程
当有选手抢答成功后,数码管显示该选手号码,同时CD4086的输出端为高电平1,使CD4511处于锁存状态因VT2的基极是接应CD4086的输出端上的,所以VT2基极电压升高(>=0.7V)使VT2导通,蜂鸣器负极接地,正极接VCC,蜂鸣器工作发出声音,在主持人没有按下复位键一直工作。
第三章集成块功能及电路图CD40688输入与非门/与门
电路中采用了两块CMOS数字集成电路,CD4511将BCD编码、七段锁存、译码、驱动功能集于一身,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,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。
CD4068是八输入的与非门/与门数字基成电路。
3.1基本描述
高输出源电流可达25mA,输入所存提供BCD码存储功能、灯测试和消隐功能,BCD码>1001时,七段译码输出消隐100%测试的静态电压规定可到20V,VDD=18V最大输入电流1uA(整个温度范围)TA=25C时输入漏电流最大为100mA。
显示译码器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,特点如下:
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。
其引脚功能介绍如下:
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”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE:
锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、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。
CD4511的内部有上拉电阻,在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
3.2CD4511的引脚
CD4511具有锁存、译码、消隐功能,通常以反相器作输出级,通常用以驱动LED。
其引脚图如3.1所示。
图3.1CD4511引脚
各引脚的名称:
其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D;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。
左边的引脚表示输入,右边表示输出,还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。
CD4511的工作原理CD4511的如表3-1。
表3-1工作真值表
输入
输出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
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
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