智力抢答器仿真设计.docx

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智力抢答器仿真设计

郑州科技学院

基于Multisim10的电子仿真

题目智力抢答器仿真设计

学生姓名范景池

专业班级10级自动化1班

学号

院（系）电气工程学院

指导教师刘林阴

完成时间2012年9月21日

1课程设计的目的

在这个竞争激烈的社会中，知识竞赛，评选优胜，选拔人才之类的活动愈加频繁。

在竞赛中，都是多个选手一起参加，如果采用举手回答问题的这个方式来进行竞赛已经不适应社会的需要。

并且在主持人提出的问题时候，如果让选手用举手等方法来进行抢答，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。

而在当今社会里，比赛要追求准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这时候智能抢答器就派上用场了。

智能抢答器是一种应用十分广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它都能客观、迅速地判别出最先获得发言权的选手。

早期的抢答器只是由几个三极管、可控硅、发光管等器件组成的，能通过发光管的指示辩认出选手号码。

现在大多数智能抢答器都由单片机或数字集成电路构成的，并且新增了许多功能，如选手号码显示，抢按前或抢按后的计时，选手得分显示等功能。

随着科技的发展，现在的抢答器向着数字化、智能化的方向发展，这就必然提高了智能抢答器的制造成本。

鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器肯定很有市场。

四路智能抢答器主要由数字优先编码电路、锁存/译码/驱动电路于一体的CD4511集成电路、数码显示电路和报警电路组成。

优先编码电路、CD4511集成电路将参赛队的输入信号在数码显示管上输出，用报警电路对时间进行严格控制，这样就构成了四路智能抢答器电路。

2课程设计的任务及要求

在给定5v直流电源电压的条件下设计一个可以容纳四组参赛者的抢答器，每组设计一个抢答按钮供参赛者使用，分别用四个按钮k1,k2,k3,k4表示。

设置一个系统清零和抢答控制开关k（该开关由主持人控制），当开关k被按下时，抢答开始（允许抢答），打开后抢答电路清零。

抢答器具有第一个抢答信号的鉴别，锁存及显示功能。

即有抢答信号输入（开关k1,k2,k3,k4中的任一个开关被按下）时，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示出来，同时扬声器发出声响。

此时在按其他让任何一个抢答器开关均无效，优先抢答选手的编号一直保持不变，直到主持人将系统清零为止。

3设计方案及论证

数字式智力抢答器一般包括门控电路，抢答编码电路，译码电路，优先锁存电路，数显电路，声响报警电路。

其中，门控电路，抢答编码电路，译码电路是核心，用于完成各组抢答信号的识别，判断；数显电路，声响报警电路用于显示抢答的组号并同时用扬声器提醒；优先锁存电路用于判断，锁存参赛者的第一个抢答信号并使其他抢答信号无效。

功能要求电路设置系统清零和控制开关，因此需要一个门控电路。

其工作原理框图如下

图3-1四路智力抢答器工作原理框图

4主要器件功能分析

1、CD4511

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，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。

图4-1CD4511引脚结构图

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。

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。

表4-1CD4511真值表

5单元电路设计

5.1译码显示电路

由于需要用LED数码显示抢答的相应编号，因此选用常见的BCD——七段锁存译码驱动集成电路CD4511。

将CD4511的七段译码输出端分别与数码管的7个端口连接，由于CD4511输出端的电压为5v，而数码管的前向导通电压和开门电流分别为1.66v和5mA，这时CD4511与数码管连接时需加限流电阻。

R=（5-1.66）/0.005=668Ω限流电阻需要小于这个阻值，取600Ω。

；连接后的译码显示电路如图所示

图5-1四路抢答器译码、数显电路

5.2抢答编码电路

k1,k2,k3,k4组成1~4路抢答键，任意一个抢答键按下都需编成BCD码，将高电平加到CD4511的DA,DB,DC,DD四个BCD码输入端。

分析CD4511的逻辑真值表，要在数码管上显示4个十进制编号1,2,3,4.所对应输入的BCD码应该为0001,0010,0011,0100，四个二进制位从左到右分别对应CD4511的D,C,B,A四个编码输入端。

显示1,2,3,4比较容易实现。

只需通过按键接通电源将高电平加到相应的端口即可。

显示3则必须同时在A,B端口家高电平。

这可以通过编码二极管来实现，按键同时接在两个二极管的正极，二极管的负极分别接在CD4511的A,B端口（注意二极管的负极需加10kΩ的下拉电阻接地）。

只要按键接通电源就可同时给两个端口加高电平，以实现编码。

按下第几号抢答键，输入的BCD码就是键的号码并自动由CD4511内部电路译码为十进制数在数码管上显示出来。

图5-2四路抢答器编码、译码、数显电路

5.3优先锁存门控电路

门控电路用来实现允许抢答和清零复位的功能。

由一个开关K连入电路实现。

分析CD4511的逻辑真值表可知，CD4511的端口LT只有加高电平时有效，因此连接在电源上，端口BI也是高电平有效，低电平时数码管熄灭，可以利用BI的这个特性，将端口BI通过开关k接在电源上。

接通电源时允许抢答，断开时清零复位，使数码管熄灭。

由于抢答器都是多路既满足多位参赛者抢答的要求，这就是一个先后判断的锁存优先的电路，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。

分析CD4511的逻辑真值表可知，只需给CD4511的端口LE加高电平就能实现这一锁存功能。

功能要求在抢答的准备阶段，主持人按下开关k后，数码显示为0，LE应为低电平，只有当抢答键按下时，数码管显示相应的编号，并且给LE一个高电平，锁存此时的信号，观察CD4511的逻辑真值表发现，数码管显示0时与数码管显示1,2,3,4时。

CD4511的输出端e,f有不同的特性，显示0时两个端口与非可以给LE端一个低电平，显示1,2,3,4时两个端口与非可以给LE端一个高电平，但此电平不能直接加载在LE端，因为如果开关k断开BI为低电平，此时数码管熄灭，给LE的是高电平，并始终锁存这个熄灭状态。

因此与非们的输出应和门控电路的开关k输出相与加在LE端，这样LE端只有在开关接通时才有效。

根据上述分析连接后的电路如图所示。

图5-3四路抢答器编码、译码、优先锁存、数显电路

5.4声响报警电路

要求在抢答后显示编码的同时，蜂鸣器发出间歇式的响声，以示抢答成功，即只有数码管显示1,2,3,4时给蜂鸣器一个高电平使之报警，其他情况（数码管熄灭，显示0时）均不响。

分析CD4511的逻辑真值表可以发现，数码管熄灭，显示0时，CD4511的c,e端口输出同时为0和1，显示1,2,3,4时，两个端口一个为0，一个为1，因此可以将这两个端口作为异或门的输入异或门的输出接蜂鸣器的输出端（注意蜂鸣器的开门电压应为5v）。

加入声响报警电路后的完整智力抢答器的电路如图所示。

图5-4四路智力抢答器电路

6电路测试与仿真

（1）启动仿真电路，可观察到按键k没有按下时，数码管处于熄灭状态。

（2）将开关k按下，抢答处于开始状态，数码管此时显示0.

（3）按任一按键（如k3），数码管立即显示3，蜂鸣器发出声响，再有其他按键按下时数码管未发生变化，仍保持3，说明编码，译码，锁存，及数显，声响电路正确。

（4）当主持人打开按键k时，复位，数码管熄灭。

此时按任一按键都改变不了此状态，门控电路正常。

（5）如此循环按下其他键测试。

7总结

本设计主要讲述了智能抢答器的工作原理和工作过程。

在说明工作原理的过程中，突出了抢答器设计中的基本电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能；结合本设计的内容，指出了各单元电路的设计方法和意义，以及如何进行抢答控制。

在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，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，所以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。

很多单元电路是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个单元电路才是关键的问题所在。

经过这段时间的努力，在老师和同学的帮助下终于彻底的做完了毕业设计的所有工作。

通过这次的毕业设计，我能运用已学的知识解决我在设计中遇到的问题，使我思考问题的能力得到了很大的提高。

在做设计的过程中我查阅了很多的资料，并认真的阅读这些与我的设计相关的资料，从而我的专业涵养得到了提高，知识的储备量也有所增加。

在做设计时，我复习了很多专业课的知识，这使得我的专业知识在离校之前得到了巩固。

通过这次毕业设计，我也发现自己的很多不足之处。

在设计过程中我发现自己考虑问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢固，所掌握的电路应用软件还不够多，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。

而且，通过这次设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的学习做出了最好的榜样！

我将会在以后的学习和生活中不断提升自己。

附录1：

总体电路原理图