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抢答器
目录
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
第一章绪论1
1.1设计目的1
1.2设计的主要内容1
第二章电路设计2
2.1设计思路2
2.2电路总框图2
第三章电路原理3
3.1数字编码电路3
3.2抢答器设计中的译码/优先/锁存电路5
3.3抢答器设计中的数码显示电路8
3.4抢答器设计中的报警电路9
第四章组装与调试11
1.1组装所需元器件11
1.2调试11
总结12
致谢13
参考文献14
附录15
1.元器件清单15
2.总电路图15
摘要
抢答器作为一种新工具,已经广泛应用于各种知识竞赛场合。
本设计以简易的八路竞赛抢答器,主要包括抢答、编码、优先锁存、数显、复位及音频振荡等电路。
元器件主要包括CD4511、NE555、IN4148、三极管(9014)、LED共阴极数码管、扬声器、小型按钮开关及电阻电容等。
从实际应用出发,利用数字、模拟电子器件,设计具有扩充功能的抢答器。
该抢答器有八个按键,分别用来做主持人清零和选手抢答。
任何抢答键按下时,扬声器都能发出报警声。
关键词:
抢答器;编码;锁存;音频振荡
ABSTRACT
Responderasanewtool,hasbeenwidelyappliedineachkindofknowledgecompetitionsituation.Thisdesignbysimpleeight-wayrespondercompetition,mainlyincludingviestoanswerfirst,coding,prioritylatches,digitaldisplayandreset,audiofrequencyoscillationcircuit,etc.ComponentsincludingCD4511,NE555,IN4148,triode(9014),commoncathodeLEDdigitaltube,speakers,smallpushbuttonswitchandresistancecapacitance,etc.Startingfromthepracticalapplication,theuseofdigitalandanalogelectronics,hasexpandedfunctionofviestoanswerfirstdevicedesign.Theresponderhaseightkeys,respectively,usedtobethehostresetandthecontestantviestoanswerfirst.Anyviestoanswerfirstbuttontopress,thespeakercansendoutalarmsound.
Keywords:
Responder;Coding;Latch;Audibleoscillation
第一章绪论
1.1设计目的
1.理解电路的理论设计,安装调试,绘制电路图,利用实验板焊接电路。
2.学习基本理论在实践中综合运用的初步经验,掌握电路设计的基本方法、设计步骤,培养综合设计与调试能力。
3.培养实践技能,提高分析和解决实际问题的能力。
1.2设计的主要内容
1.主要包括抢答、编码、优先锁存、数显、复位及音频振荡等电路。
2.元器件主要包括CD4511、NE555、IN4148、三极管(9014)、LED共阴极数码管、扬声器、小型按钮开关及电阻电容等。
3.八位数字电路抢答器的电路图。
4.各个芯片的主要功能。
5.电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。
在主持人系统发出抢答指令后,若参赛者按抢答开关,则该组指示灯亮并用组别显示电路显示出抢答者的组别,同时指示灯(发光二极管)亮。
此时,电路应具备自锁存功能,使别组的抢答开关不起作用。
第二章电路设计
2.1设计思路
1.本设计的根本任务是准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。
实现这一功能可选择使用触发器或锁存器等。
在得到第一信号之后应立即将电路的输入封锁,即使其他组的抢答信号无效。
同时还必须注意,第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。
2.当电路形成第一抢答信号之后,用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别,也可以用发光二极管直接指示出组别。
3.在主持人没有按下开始抢答按钮前,参赛者的抢答开关无效;当主持人按下开始抢答按钮后,开始进行30秒倒计时,此时,若有组别抢答,显示该组别并使抢答指示灯亮表示“已有人抢答”;当计时时间到,仍无组别抢答,则计时指示灯灭表示“时间已到”,主持人清零后开始新一轮抢答。
2.2电路总框图
图2.1电路总框图
第三章电路原理
3.1数字编码电路
图3.1数字编码电路图
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)。
输入
输出
S1S2S3S4S5S6S7S8
DCBA
10000000
01000000
00100000
00010000
00001000
00000100
00000010
00000001
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
工
表3.1数字编码电路真值表
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。
3.2抢答器设计中的译码/优先/锁存电路
1.CD4511芯片及其功能介绍如下:
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”。
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。
图3.2CD4511的引脚图
表3.2CD4511真值表
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。
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。
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真值表如表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。
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。
图3.3锁存优先功能电路图
CD4511内部电路与Q1,R7,R8,D13,D14组成的控制电路,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。
3.3抢答器设计中的数码显示电路
1.LED数码显示管
简介:
LED数码管以发光二极管作为发光单元,颜色有单红,黄,蓝,绿,白,七彩效果。
单色,分段全彩管可用大楼,道路,河堤轮廓亮化,LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域,可显示图案及文字,并可播放不同格式的视频文件。
图3.4LED数码显示管的引脚和结构
共阴式LED数码管的原理:
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数码显示电路
3.4抢答器设计中的报警电路
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3.6报警电路
NE555芯片的内部含有两个电压比较器,一个RS触发器,一个分压器,一个放电晶体管三极管和一个功率后极输出级。
是CMOS工艺制造的.
图3.7NE555的管脚和内部结构
NE555引脚功能介绍:
1地GND2触发3输出4复位5控制电压6门限(阈值)7放电8电源电压。
NE555构成多谐振荡器,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。
接通电源V后,V经电阻R1和R2对电容C充电,其电压U由0按指数律上。
当U≧2/3V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,输出跃到低电平UOL。
于此同时。
放电管导通,电容C经电阻R2和放电管放电,电路进入暂稳态。
随着电容C的放电,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V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。
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。
第四章组装与调试
1.1组装所需元器件
1.电烙铁、烙铁架
2.松香:
防止焊接时表面的再次氧化,降低焊料表面张力,提高焊接性能
3.焊锡
4.镊子、钳子
5.万用表
6.八路数字抢答器配件、电路板、导线
1.2调试
1.检查电路,将安装好的抢答器和电路原理图对照检查,检查各级晶体管的型号,安装位置和管脚是否正确;检查各级中周的安装顺序,初次级的引出线是否正确;检查二极管、三极管、电解电容的引线正、负接法是否正确;做些基本调试,如有无虚焊、错焊、漏焊、多焊等。
2.接上电源,进行调试。
按下抢答按键,判断讯响电路能否能振荡发出讯响声。
抢答器的八个按键,特别是用来做主持人清零和选手抢答的按键时候都能正常工作。
总结
本次课程设计涉及到所学的电路知识。
在学习方面,通过查阅书籍,网上资料等方法了解了相关的电路知识并巩固了所学的电子知识。
在实物制作过程中,通过对元件的选购了解了一些相关元件的性能、作用、价格以及购买地点等信息,如电容的长脚短脚的解法,电烙铁的注意事项,在电路板上的接法,如果直接焊接在板子上,很容易会出现短路现象,而最合适的是用导线来用焊锡连接在电路中,如在元件方面学习到电阻的计算、CD4511、NE555的性能原理、电容在电路中的作用等等。
因此我们应该在设计前做好充分的准备,查找详细的资料,为我们设计的成功打下坚实的基础。
本次设计实验,我们还做了相应的实物,经过很长时间的努力,在老师和同学的帮助下终于完成了实物的焊接。
制作过程涉及到电焊、组装,进而强化了动手能力。
虽然前前后后花了1个多星期才整好,但内心还是很兴奋,万事开头难,对以后就更期待了。
但是由于水平有限,我们的课程设计难免会有一些错误和误差,还望老师批评指正。
通过这次设计设计,我也发现自己的很多不足之处。
特别是在焊接器件管脚时候弄错管脚然后又从来在焊接,这样很浪费时间在设计过程中我发现自己考虑问题不全面,自己的专业知识掌握的不牢固,对电路识别和器件认识还不够多,我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。
致谢
本下设计已经圆满完成,这次顺利的完成还得感谢曲娜老师一直陪这我们,用她丰富的经验和悉心的教导来帮助我们。
虽然身怀六甲多有不便,但是她坚持着。
兢兢业业的工作着,我们备受感染,焊接的时间很长,但是我们都不用自主的坚持下来了。
特别是想到曲娜老师一直在我们身边就更有奋斗坚持到底的意志。
同时也要感谢帮助我们的学长和同学,致谢!
参考文献
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[2]康华光.电子技术基础(模拟部分)[M].第五版.高等教育出版社.2009
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[5]路易石宗义.《电路原理图与电路板设计教程》.北京希望电子出版社,2002
[6]陈大钦.《电子技术基础实验》.华中理工大学电子学教研室.2007
[7]陈梓城.《实用电子电路设计与调试》.中国电力出版社
附录
1.元器件清单
序号
元件名称
型号与规格
单位
数量
1
电阻
R1R2R3R4R510K
只
5
2
电阻
R6R17R1610K
只
3
3
电阻
R72.2K
只
1
4
电阻
R8100K
只
1
5
电阻
R9R10R11R12330R
只
4
6
电阻
R13R14R15300R
只
3
7
瓷片电容
C1103
只
1
8
瓷片电容
C2104
只
1
9
电解电容
C3100UF
只
1
10
电解电容
C447UF
只
1
11
二极管
1N4148
D1D2D3D4D5
只
18
D6D7D8D9D10
只
D11D12D13D14
只
D15D16D17D18
只
12
数码管
DS
只
1
13
三极管
Q19013
只
1
14
蜂鸣器
只
1
15
开关
S1----S9
9
16
集成电路
U2555
1
18
集成电路
U14511
1
18
线路板
单面PCB
只
1
2.总电路图
总电路图
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- 关 键 词:
- 抢答