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：严晶

【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

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。

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,BI =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

1

D 抢答，显示4

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4 RS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。

LT是灯测试端。当LT=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。

BI是消隐控制端。当BI=0，且LT=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2/3V

CC

。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TR加在比较器C

2的信号输入端也称触发输入端，由此输入触发脉冲U

I2

，当2端

的输入电压高于1/3V

CC 时，C

2

的输出为“1”，当输入电压低于1/3V

CC

时，C

2

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V

CC

。

4脚R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：

U e =0V,U

b

=0V,U

c

=4.57V，U

e

=U

b

c

；⑵三极管工作时：U

e

=0V,U

b

=0.64V,U

c

=1.63V，U

e

b

c 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. Protel99 SE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