四人抢答器电路的设计与制作.docx
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四人抢答器电路的设计与制作
四人抢答器电路的设计与制作
作者:
***
【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、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“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,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①脚为S输入端,⑥脚为R输入端,接复位开关,按下按钮开关后,输入高电平,④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220~330欧的电阻限流后加到LED数码管各相应的阳极。
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4—3线编码器真值表。
4—3线编码器真值表
输入
输出(8421BCD码)
备注
D
C
B
A
d
c
b
a
0
0
0
0
0
x
x
x
无人抢答,
=0,LED不亮
0
0
0
1
0
0
0
1
A抢答,显示1
0
0
1
0
0
0
1
0
B抢答,显示2
0
1
0
0
0
0
1
1
C抢答,显示3
0
0
0
0
0
1
0
0
D抢答,显示4
用卡洛图化简输出a、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①脚
为S输入端,⑥脚为R输入端,接复位
开关,按下开关后,输入高电平。
④脚
为Q端输出高电平到控制电路。
3、编码译码电路设计图4RS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220~330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220~330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4—7线译码/驱动器(CD4511)
CD4511是具有锁存功能的BCD码4—7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(a~g),驱动共阴极LED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3~18V.
A1、A2、A3、A4是8421BCD码输入端。
a~g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a~g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,a~g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、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4—7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4—7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4—7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。
当按下按钮开关D,用万用表测试BCD码4—7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。
⑴三极管截止时:
Ue=0V,Ub=0V,Uc=4.57V,Ue=Ub Ue=0V,Ub=0.64V,Uc=1.63V,Ue 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.Protel99SE电路设计.中国铁道出版社,2005。 附录A元器件清单表 序号 名称 规格型号 位号 数量 1电阻器 20K R1、R2、R3、R4、R5、R6 6个 330欧 R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R16 8个 12K R14 1个 5.1K R15 1个 20欧 R17 1个 2 电解电容 1uF C1 1个 3 瓷片电容 0.01uF C2、C3 2个 4 二极管 IN4148 D1、D2、D3、D4、D5、D6 6个 5 4输入双或非门 CD4001 U1 1个 6 二进制七段译码器 CD4511 U2 1个 7 555 NE555 U3 1个 8 共阴数码管 SM42036 U4 1个 9 三极管 9013 Q 1个 10 开关 A、B、C、D、R 5个 11 蜂鸣器 LS 1个 附录B电路总电路图 附录C: 整机电路图
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