数电课程设计 2.docx
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数电课程设计 2.docx
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数电课程设计2
湖北文理学院理工学院
数字逻辑电路课程设计报告
课题名称
八路智能抢答器
姓名(学号)
组号
专业
2014年9月18日
【摘要】
随着科技的日新月异,促使人们开始学科学、学技术、学知识。
抢答器是一个机关学校开展智力竞赛活动必不可少的设备,广泛应用于学校、教育部门、企事业工会组织、俱乐部等单位组织举办各种知识、技术竞赛及文娱活动时作抢答使用。
八路数字抢答器电路包括抢答,编码,优先,锁存,数显,复位及报警电路。
抢答器数字优先编码电路由D1-D12组成实现数字的编码。
CD4511是一块含BCD-7段锁存/译码/驱动电路于一体的集成电路。
抢答器报警电路由NE555接成音多谐振荡器构成。
抢答器数码显示电路由数码管组成,输入的BCD码自动地由CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示。
经过布线、焊接、调试等工作的八路数字智能抢答器成形,更具有实用性。
本文介绍了一种用CD4511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,还具报警功能。
若在规定的时间内有人抢答,则计时将自动停止,数码管显示成功抢答者代码;若不在规定时间内有人违规抢答,则系统中的蜂鸣器将发响,数码管显示违规抢答者代码;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,实现报警功能。
【关键字】
八路智能抢答器、CD4511、NE555、数码显示管、设计、报警电路、数字编码电路
目录
1、设计题目
八路智能抢答器计..........................................................3
2、设计目的及要求
2.1设计目的...............................................................3
2.2设计要求...............................................................3
3、方案论证
3.1.电源部分................................................................3
3.2.电路部分.................................................................3
4、设计思路
4.1八路智能抢答器的结构框图...............................................4
4.2八路智能抢答器的工作流程................................................4
4.3八路智能抢答器的工作过程................................................4
5、设计原理
5.1设计中的数字编码电路....................................................5
5.2设计中的译码/优先/锁存电路
5.2.1CD4511的引脚......................................................6
5.2.2译码驱动功能.......................................................8
5.2.3锁存优先功能.......................................................8
5.3抢答器设计中的数码显示电路.............................................9
5.4抢答器设计中的报警电路................................................10
6、设计的装备与调试..........................................................12
7、设计完成的电路图
7.1八路智能抢答器工作原理电路图...........................................12
7.2八路智能抢答器实物图..................................................13
8、设计所需的元件清单........................................................13
9.设计心得与体会.............................................................13
10.参考文献..................................................................14
1.设计题目
八路智能抢答器设计
2.设计目的及要求
2.1设计目的:
a.掌握电子电路的一般设计方法,了解电子产品研制开发过程。
b.巩固和加强《数字电子技术》的理论知识。
c.提高电子电路实验技能及仪器使用能力。
d.掌握电子电路安装与调试方法及故障排除方法。
e.学会撰写课程设计实验报告。
f.培养学生独立分析解决问题的能力。
2.2设计要求
a.八路智能抢答器可以供8名选手或8个代表队比赛,分别用8个按钮S1~S8来表示。
b.有一个主持人控制电路,由主持人通过S9按钮来控制抢答器的运行。
c.抢答器具有锁存、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数码管把选手的编码显示出来,而在选手按键抢答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手。
d.设计小组完成数字课程设计的逻辑设计、电路设计、PCB板设计、电路组装和行调试以及设计报告。
3.方案论证
3.1电源部分
电源部分为供给控制电路、数码显示电路的电源,本设计可采用以下三种方案。
方案一:
选用变压器。
特点:
性能好、经久耐用、笨重、成本低、电路简单。
方案二:
选用开关电源
特点:
性能好、体积小、电路复杂、成本高。
方案三:
选用RC电路
特点:
体积小,成本低,性能差,安全性低。
根据要求并结合实际,本设计选用方案一。
3.2电路部分
电路部分是设计的关键,本设计可采用以下两种方案。
方案一:
系统各部分采用中小规模集成数字电路,用机械开关按钮作为控制开关,完
成抢答输入信号的触发。
它的特点是中小规模集成电路应用技术成熟,性能可靠,
能方便地完成选手抢答的基本功能,除此之外,它的原理比较简单,集成块的价格
也比较便宜且很容易购买,与我们学完的〈〈数字电子技术〉〉联系紧密,能将我们
所学知识用于实际,对巩固所学知识有重要意义,用了一些成型电路,如NE555标
准秒脉冲电路等,使总体方案易于实现。
方案二:
系统采用51单片机系列中的AT89S51作为控制核心,可以完成运算控制、信
号识别以及显示功能的实现。
它的特点是技术比较成熟,应用起来方便、简单并且
单片机周围的辅助电路也比较少,便于控制和实现,但我们还未开设此课,对此相
对陌生,复杂的逻辑编程控制指令大大地增加了设计的难度。
根据要求并结合实际,本设计选用方案一。
4.设计思路
4.1八路智能抢答器的结构框图
电路完成了基本的抢答功能,即开始抢答后,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4.1—抢答器的结构框图
4.2八路智能抢答器的工作流程
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所示。
4.3八路智能抢答器的工作过程
a.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。
b.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。
c.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。
图4.3—抢答器的工作流程
5.设计原理
八路智能抢答器主要由数字编码电路、译码\优先\锁存驱动电路、数码显示电路和报警电路组成。
现简单介绍八路智能抢答器设计中的各单元电路的设计原理。
5.1设计中的数字编码电路
参考电路如图3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为高位,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。
输入
输出
S1S2S3S4S5S6S7S8
DCBA
10000000
01000000
00100000
00010000
00001000
00000100
00000010
00000001
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
表5.1—数字编码电路功能真值表
5.2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5.2.1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。
5.2.1CD4511的引脚图,如图5.2所示
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。
图5.2.1—CD4511的引脚图
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5.2.2—CD4511内部逻辑图
5.2.2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真值表如图3-2-4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5.2.3—CD4511真值表
5.2.3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(见图3-2-5CD4511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4-2-5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5.2.4—锁存优先功能电路图
5.3抢答器设计中的数码显示电路
共阴式LED数码管的原理图(图3-3-1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5.3.1—数码显示管原理图
图5.3.2—数码显示管的结构图
显示字符
g
f
e
d
c
b
a
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
2
1
0
1
1
0
1
1
3
1
0
0
1
1
1
1
4
1
1
0
0
1
1
0
5
1
1
0
1
1
0
1
6
1
1
1
1
1
0
1
7
0
0
0
0
1
1
1
8
1
1
1
1
1
1
1
图5.3.3—共阴极数码管显示字段码
5.4抢答器设计中的报警电路
参考电路如图5.4.1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5.4.1—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5.4.1所示。
其中555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。
555构成的多谐振荡器的工作原理如图5.4.2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5.4.2—555定时器工作原理图
图5.4.3—555定时器内部逻辑电路图
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。
6.设计的装备与调试
实验电路板分别做成数字编码电路、译码\优先\锁存驱动电路、数码显示电路和报警电路,根据Proteus仿真电路及工程上的可操作性布置芯片、元件、导线等。
将元件按照PCB板焊接好后,用输出电压为5V的手机充电器为电路提供电源,电路接通后,数码显示管正常工作,能够显示出符合要求的“0”“1”“2”“3”“4”“5”“6”“7”“8”代码号,调试基本完成。
7.设计完成的电路图
7.1八路智能抢答器工作原理电路图
通过对电路的一些功能需求分析,我们运用了Protel99SE软件对电路图进行了设计,将抢答器工作原理电路图设计出来,如图7.1所示。
图7.1—八路智能抢答器电路总原理图
7.2八路智能抢答器实物图
工作原理图设计出来后,买相应的材料进行焊接组装,得到如图6所示的实物图。
图7.2—八路智能抢答器实物图
8.设计所需的元件清单
型号名称
代号
数量
型号名称
代号
数量
二极管4148
D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9,D10,D11,D12,D13,D14,D15,D16,D17,D18
18
三极管9013
Q1
1
电阻10K
R1,R2,R3,R4,R5,R6,R16
7
无源蜂鸣器
SP
1
电阻2K2
R7
1
集成块555
U2
1
电阻22K
R8,R17
2
DIP8座
U2
1
电阻360
R9,R10,R11,R12,R13,R14,R15
7
集成块4511
U1
1
轻触按键
S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9
9
DIP16座
U1
1
电容103
C1,C2
2
电源接线柱
J1
1
电容100uF
C3,C4
2
数码管
DS1
1
电路板
1
9.设计心得与体会
设计不仅是对前面所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次设计让我明白,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,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。
它才是一个设计的灵魂所在。
因此在整个设计过程中大部分时间是用在单元电路的理解和设计上面。
然而,通过这次设计,我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识,对以前学的数字电路又有了一定的新认识,温习了以前学的知识,就像人们常说的温故而知新嘛,但在设计的
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