智力竞赛八路抢答器电路设计.docx
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智力竞赛八路抢答器电路设计
题目智力竞赛八路抢答器电路设计
班级09无非<一>班
学号200910210101
姓名代让让
指导严君美
时间2011-6-8
景德镇陶瓷学院
电工电子技术课程设计任务书
姓名：
Ethan班级：
无非
（一）班指导老师：
严老师
设计课题：
智力竞赛八路抢答器的电路设计
设计任务与要求
设计任务：
⒈设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8。
⒉给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。
⒊抢答器具有数据锁存和显示的功能。
抢答开始后，当有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时蜂鸣器给出音响提示。
此外，要封锁输入电路，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。
4.用中小规模集成电路组成智力竞赛抢答器电路，画出各单元电路图和总体逻辑框图，正确描述各单元功能，合理选用电路器件，画出完整的电路设计图以及写出设计总结报告。
设计要求：
⒈抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定（如30s）。
当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时蜂鸣器发出声响。
⒉参赛选手在设定的时间内抢答，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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
⒊如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。
设计步骤
1、查阅相关资料，开始撰写设计说明书；
2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；
3、依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；
4、总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；
5、列出标准的元件清单；
6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。
设计说明书字数不得少于3000字。
参考文献
1、康光华、电子技术基础（数字部分）高等教育出版社
2、胡锦、数字电路与逻辑设计高等教育出版社
3、阎石、数字电子技术基础高等教育出版社
4、肖景和、数字电路应用300例中国电力出版社
5、康华光等、电子技术基础（第四版）北京：
高等教育出版社，2011
目录
1、智力竞赛的总体方案与其原理说明.................................1
2、开关﹑编码单元电图..................2
3、译码显示单元电路........................................4
4、报警单元电路......................................5
5、锁存复位单元电路..........................6
6、总体电路原理相关说明..................................7
7、总体电路原理图.....................................8
8、元件清单.........................................9
9、参考文献........................................10
10﹑此次设计的心得体会.....................................11
1﹑智力竞赛的总体方案与其原理说明
图1总体电路框图
总体方案：
智力竞赛时一种生动活泼的教育形式和方法，通过抢答和必答两种形式来引起参赛者和观众的极大兴趣，并且在极短时间内使人们在获得娱乐的同时又能增加一些科学知识和生活常识。
原理说明：
本设计是一个数字电路设计题，方案由COMS系列数字集成电路：
CD4511、CD4068及少数外围电路组成。
电路原理方框图一样，其工作原理为：
接通电源后，主持人将开关拨到“清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人将开关置于“开始”状态，抢答器开始工作。
选手在抢答时，抢答器完成：
优先判断、编号锁存、编号显示。
当一轮抢答之后，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。
总体电路图如图1所示。
2﹑开关﹑编码单元电图
1）本设计选用的输出显示电路为CD4511BCD码锁存器，要使CD4511能正确的输出显示输入的值必须把输入的值变化为BCD码的形式输入，CD4511通过在自身的功能识别BCD码的值并输出对应的信号（A......G），此开关、编码电路图2—1采用按键开关和二极管共同构成其特点电路简便、精确、可靠性、实时性好。
开关、编码电路有SB1----SB9九个按键开关、VD1----VD11十一个二极管组成，SB1----SB9分别作为各路的抢答按键，此按键在正常状态下处于开的状态，只有按键被按下时处于闭合状态电路九开始导通。
VD1----VD11由二极管有单向导通性的特性，分别作为开关二极管使用，当有按键按下时所对应的二极管的正极变为高电平，二极管就处于导通状态可视为导线。
另一方面可以阻止信号的互串，因为电路时各个开关搭接而成的当其中某按键按下时二极管的负极电压将升高使其处于截止可以有效的阻止信号的串扰，如果没有二极管的有效隔离电平的互串将严重影响BCD编码，所以二极管即起到开关的作用有又良好的隔离作用提高电路的可靠性。
图2开关﹑编码单元电路图
2）开关、编码原理
当按键开关没有任何一个按下时，整个电路都处于截止状态输出端DCBA都为低电平0，编码电路不工作。
2）其中某一个按键按下时：
当sb1被按下时，则输出端A输出高电平1，与A相连的VD1、VD4、VD7、VD10负极为高电平1二极管因反偏均截止处于断开的状态，高电平不能反馈到其它端上即DCB输出低电平0。
当SB2被按下时，则输出端B输出高电平1与B端相连的二极管VD2\VD5\VD8\的负极变为高电平，各二极管因反偏均截止处于断开状态，高电平不能反馈到其它各端上即DCA为低电平。
同理依次按下各按键可得开关、编码表。
表1按键开关编码表
按键开关
BCD编码
SB1
SB2
SB3
SB4
SB5
SB6
SB7
SB8
SB9
D
C
B
A
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
3﹑译码显示单元电路
现在电子产品中主要用于显示的器件有LED数码管与液晶显示器，LED数码管由于具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长以及价格低廉的特点，因此使用非常广泛。
数码显示器件中的液晶数码管价格较高，驱动较复杂，并且仅能工作于有外界光线的场合，所以使用较少。
这里选用的是LED数码管。
LED数码管使由发光二极管显示字段组成的显示器，有七段和米段字符之分，本设计采用的使七段LED显示器。
引脚图及外形如图3所示。
图3七段LED显示器引脚及外形图
根据设计中LED数码管的驱动电路CD4511集成电路输出口输出的为高电平为了使电路简便、稳定，我们选择使用共阴极LED数码管显示，这样CD4511的输出端输出的高电平可直接与共阴极LED数码管相连并可以准确的显示。
如果改用共阳极的显示，需要在CD4511的输出端后加上七路反相器把CD4511的高电平转变为低电平才能准确的显示原数，这样使电路复杂、造价升高，还增加了电路的损耗因为任何集成电路都需要电源提供电压，综合考虑选用共阴极LED数码管显示较为适合。
译码显示电路如图4示。
图4译码显示单元电路
4﹑报警单元电路
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图5所示。
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。
图5报警单元电路图
5﹑锁存、复位单元电路
锁存器是由若干个钟控D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路。
（1）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。
（2）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6所示。
图6锁存、复位单元电路图
6﹑总体电路原理相关说明
本电路对速度要求不大，故选用CMOS型数字集成块来组成抢答器。
本抢答器通过十分巧妙的设计仅用两块数字芯片便实现了数显抢答的功能，与其他抢答器电路相比较有分辨时间极短、结构简单、成本低、制作方便等优点，并且还有防作弊功能。
其原理见图7所示，SB1～SB9为9个抢答按键，CD4511是BCD码7段译码器，CD4068是八输入与非门，VD1～VD11起对轻触按键进行ＢＣＤ编码的作用。
初始状态下，CD4511驱动LED数码管显示0，即A、B、C、D、E、F这六个笔画为１，G笔画为0。
现将G笔画信号用三极管反相，把0对应的笔画信号变为全是1，然后将这些笔画信号送给八输入与非门CD4068。
根据与非门的逻辑关系可知CD4068输出为0，这样7段译码器CD4511就处在了译码状态。
因为除0外的其他数字对应的笔画信号不全为１，不能使CD4068输出１，也不能使７段译码器CD4511处于译码状态。
所以当有按键按下时，CD4068就输出锁存信号0，致使７段译码器CD4511把所键入的数字锁存显示，这样后按下的键就不起作用了。
数码管上就只显示最先按下的键号，起到了抢答的作用。
R1和C1组成积分电路对锁存信号做非常短暂的延时，其作用是让数字电路有足够的响应时间，使之锁存稳定，不致于显示乱码。
C2的作用是将直流触发变为脉冲触发，使音乐电路每抢答一次只响一次。
SB10为复位键。
该键可在主持人喊“开始”前按下。
若SB10键按下后不显示为0，则说明有人在作弊，所显示的是哪个数字就是哪个人在作弊。
7﹑总体电路原理图
为了适用八个人或者八支队伍同时参加比赛，如下图所示即为智力竞赛八路电路的设计总体原理图。
图7整体电路
8﹑元件清单
名称
型号
数量/个
备注
1
七段译码器
74LS48
3
——
2
十进制加减计数器
74LS192
2
——
3
555定时器
CB555
2
——
4
优先编码器
74HC148
1
——
5
单稳态触发器
74LS121
1
——
6
RS锁存器
74LS279
1
——
7
与非门
74LS20
1
每个芯片有4个两输入端的与非门
8
与非门
74LS03
1
每个芯片有4个三输入端的与非门
9
反向器
74LS04
1
每个芯片有6个非门
10
三极管
SDG130
1
——
11
电阻
ROHM
1
100KΩ
12
电阻
ROHM
2
15KΩ
13
电阻
ROHM
9
10KΩ
14
电阻
ROHM
2
68KΩ
15
电阻
ROHM
2
1KΩ
16
电阻
ROHM
3
510Ω
17
电容
16CE470AX
1
100uF
18
电容
16CE470AX
2
10uF
19
电容
16CE470AX
1
0.01uF
20
扬声器
SP10
1
——
21
开关
AZD1169
9
——
22
共阴极显示器
——
3
——
23
抢答按扭
SB
8
——
24
发光二极管
A694B
2
——
9﹑参考文献
1、康光华主编.电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社
2、胡锦主编.数字电路与逻辑设计高等教育出版社
3、阎石主编.数字电子技术基础高等教育出版社
4、肖景和主编.数字电路应用300例中国电力出版社
5、康华光等.电子技术基础（第四版）.北京：
高等教育出版社，2001
10﹑此次设计的心得体会
通过一周的电子课程设计，使我对数字电路有了进一步的了解，在设计抢答器、报警器、定时器的过程中，通过翻阅资料，上网搜索等途径，我对各电路器件如：
与非门，555定时器和LED晶体二级管等及其原理有了更深一层次的了解与认识。
通过此次电子课程设计既增强了我对元器件的理解能力,也使我能更好的运用所学的知识来解决实际问题。
开始时我还不太明白电路是如何连接的，并且对其原理也不甚了解，但通过对自己所学知识更深入的了解和同学的讨论和帮助，最终使我克服了难关，并成功地作出了设计。
一周的锻炼,我有过对知识掌握不足时的迷茫，也有过思路不清时的懊恼,但一路走来，我却收获了知识，收获了希望和努力后的成果。
此次电工电子课程设计给了我们一个应用我们所学知识解决实际问题的机会，同时也提高了我们查找资料和解决问题的能力。
觉得本次实习最大的收获就是初步学会了用protel99se画一些简单的电路图，尽管目前还不算熟练，但我会慢慢熟悉，以后会用得到的。
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