毕业设计八路抢答器.docx

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毕业设计八路抢答器

前言

在电子科学技术高速发展的今天，高科技产品越来越多的应用在我们的日常生活中，每时每秒我们都能感受到产品的更新换代。

产品乃至技术革新的日新月有都让人对以相信。

象日常我们工作所用的电脑、手机等等，这些高科技产品给我们带来了极大的方便，但这要归功于科学技术的高速发展。

数显抢答器是我们所要的毕业设计课题。

数显抢答器整个电路包括开关编码电路、译码显示电路、锁存控制电路、复位控制电路和声音提示电路五部分。

数显抢答器涉及到《模拟电子技术》、《数字电子技术》和《电路分析》中的相关知识。

本文介绍的八路数显抢答器电路设计新颖具有电路结构简单、成本较低、操作方便、灵敏可靠等优点,经使用效果良好,具有较高的推广价值，适用于工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛,为竞赛的公平公正提供有利的保证。

第一章方案论证与总体设计

1.1提出方案

本设计是一个数字电路设计题，可提出两种方案。

方案Ι由COMS系列数字集成电路：

CD4511、CD4068及少数外围电路组成。

方案Π由TTL系列数字集成电路：

74LS248、74LS04、74LS32、74LS116及少数外围电路组成。

两种电路原理方框图一样（见图1—1），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。

图1—1

1.2方案比较

两种方案的设计原理相同，只是用的集成电路不同。

TTL双极器件、电源电压5V、速度快数ns、功耗大mA级、负载力大，负载以mA计，不用端多半可不做处理。

CMOS单级器件、电源电压可到15V、速度慢几百nS，功耗低省电uA级、负载力小以容性负载计，不用端必须处理。

设计便携式和电池供电的设备多用CMOS芯片，对速度要求较高的最好选用TTL中的74SXXX系列.

1.3确定方案及工作原理

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1—2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。

图1—2总原理

第2章抢答器单元电路设计

2.1开关、编码电路

2.1.1开关、编码电路的组成

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。

图2—1开关、编码电路

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。

2.1.2开关、编码原理

1）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2—2

按键开关

BCD编码

SB1

SB2

SB3

SB4

SB5

SB6

SB7

SB8

SB9

表2—2开关、编码

2.2译码显示电路

2.2.1译码显示电路的组成

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2—3所示

图2—3

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。

译码显示电路见图2—4所示

图2—4译码显示电路

2.2.2译码显示原理

本设计因为只采用了九路抢答，即采用一个LED数码管就可以完成显示功能,设计中我们使用CD4511的输出端A--G作为LED数码管（a--g）的输入。

CD4511的输出端A--G的输出是由BCD码输入端ABCD决定的，根据BCD编码的输入不同在输出端输出不同数据也不同，LED数码管根据CD4511各端输出的数据点亮七段发光管就会显示相应的字符，CD4511各端输出的信息总是和LED上显示的相对应。

由CD4511的BCD码输入端ABCD、输出端A--G、LED显示字符三者的关系可得表2—5

BCD编码

CD4511输出端

LED显示

字符

表2—5

七段LED是一种最常见数码管显示屏，这种数码管的每个线段都是一个发光二极管。

与我们小时候玩过的“火柴棒游戏”相似，几根火柴组合起来，可以拼成各种各样的图形，七段LED数码管实际上就是利用这个原理作成的。

数码管的每个线段都是一个发光管，其中七个长条形的发光二极管排列成一个“日”字型，另一个圆点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点。

LED显示器有两种不同的连接形式：

一种是8个发光二极管（a---g及dp）的正极连在一起，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管阴极连在一起，称之为共阴LED显示器。

他们的内电路如图2—6所示

共阴极共阳极

图2—6七段数码管类型

共阴数码管内部的8个二极管的N极连接在一起，与引脚com端相连接，在使用时引脚com应接低电平。

当数码管其余的某个引脚接高电平时，则该引脚对应的发光二极管被点亮，也就是数码管对应的发光段被点亮。

共阳极数码管内部的8个发光二极管的P极被连接在一起，与引脚com端相连接。

在使用时引脚com应接高电平，当数码管其余的某个引脚接低电平时，则该引脚对应的发光二极管被点亮，也就是数码管对应的发光段被点亮。

七段发光二极管工作时若电流太小，则发光强度不够：

电流太大，则耗电量大，甚至会烧坏二极管。

在实际应用中，经常外接1K的电阻作为限流电阻。

由图2—6可以看出共阳和共阴结构的LED显示器各笔划段名的安排位置是相同的，当二极管导通时，相应的笔划就会发光，由发亮的笔划段组合而显示出各种字符，可以显示0--F十六格字符及小数点。

由于此设计中只有九路抢答所以使用led数码管的“0--9"十个字符就可以满足显示要求，在本设计中采用CD4511BCD七段所存/译码/驱动器来驱动数码管显示则七个笔划对应于cd4511的输出端A、B、C、D、E、F、G，因此可用7位二进制代码表示欲显示字符的代码，数码管各段与输出端各位的对应关系如表2—7所示

输出端各位

数码管各段

显示

字符

字型

共阳极

共阴极

表2—7

阳极数码管二进制数据位0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗;共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。

若要显示"0"字符共阳极数码管的字符编码应为1000000B,共阴极数码管的字型编码为0111111B，依次类推，只要把欲要显示数字字形码通过cd4511输出端送给数码管即可。

数码管字型码见表2—8

表2—8字型码

2.3锁存、复位电路及工作原理

2.3.1锁存器的定义

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。

2.3.2锁存器器件选择

（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2—9所示

图2—9锁存、复位电路

此数选抢答器不仅有抢答的功能，而且还可以实现防作弊功能，更进一步维护比赛的公平，公正，公开原则。

2.3.3复位原理

电路原理图如2—10所示S10为复位键，一般主持人在喊开始抢答前按下，当S10被按下时，CD4511LE脚为低电平0，CD4511没有处于锁存状态，显示字符有ABCD输入端决定，主持人此时并没有喊开始所以任何人不能进行抢答，ABCD输入端的值全部为0，CD4511的七段输出引脚ABCDEFG应该为1111110则LED数码管显示字符0，用CD4511输出ABCDEF分别接CD4086与非门的10，9，5，4，3，2引脚CD4511输出端G经VT1反向后变为高电平1连接CD4086的11，12，13引脚。

这样CD4086与非门输入端为1，即输出低电平0，CD4086的输出端经过R3限流后连到CD4511的5脚LE上，保持主持人在没有喊开始之前LED数码管数字一直显示为0。

图2—10复位电路

2.3.4防作弊原理

主持人在按下S10按键后，CD4511LE引脚为低电平0，CD4511没有处于锁存状态显示字符取决于ABCD输入端，此刻并没有喊开始，所以ABCD输入端的值全部应为0，CD4511的输出端ABCDEFG应为1111110，而LED数码管显示为0，如果有人在此之前按下抢答键CD4511的输入端ABCD的值不全为0，输出端ABCDEFG也输出与输入相对应的值，通过LED数码管显示出抢答器的抢答号，而且还通过CD4086与非门后到达CD4511的LE引脚锁存该按键号，找出作弊的比赛者。

因此有效的防止有人作弊。

2.3.5锁存原理

当主持人喊开始后最先按下抢答键的键号会在LED数码管上显示出来，其它键再按下去也不起作用。

某一个按键被按下后首先编码电路对其进行编码并输出到CD4511的ABCD端，由于CD4511本身具有译码/驱动功能，输出端ABCDEFG则根据ABCD的输入值输出对应的数值在LED数码管上显示出来。

同时，CD4511是输出端ABCDEFG是值也送到了CD4086与非门的输入端上，经与非门输出端高电平1送到CD4511锁存引脚LE，由于CD4511的LE为锁存引脚，为低电平0时，无效。

为高电平1时，处于锁存状态。

此LE为高电平1时处于锁存状态，输出的值被固定与输入端ABCD的输入没有关系即比赛者再按下抢答键进行抢答均不起作用。

主持人喊开始后，若首先按下的键为SB6时，当SB6被按下时，编码电路首先对其进行编码0110，再送到CD4511的输入端ABCD经CD4511本身具有的译码/驱动功能，输出端ABCDEFG为0011111则数码管上显示字符6，同时输出端AB是值00送到CD4086的10，9引脚，CDEF的值1111送到5，4，3，2引脚，G值经过VT1的反向后变为0送到11，12引脚，此时CD4086输入端的值为11110000，与非后输出高电平1并送到CD4511的锁存引脚LE，CD4511是LE只要一为高电平1，立刻处于锁存状态，输入端ABCD输入的值都为无效，即再按抢答键不起作用。

只有主持人按下“复位”按钮强行使CD4511锁存脚置零，CD4511锁存解除，才能开始下一论抢答。

依此原理可得表2—11

键号

键号编码

CD4511输入端

CD4086输入端

LED

11、12

SB10

SB1

SB2

SB3

SB4

SB5

SB6

SB7

SB8

SB9

表2—11

2.4声音提示电路

声音提示是为了更好的提示抢答人员是否还有抢答的机会而设置的电路。

2.4.1声音提示电路的选择

方案一、选用扬声器发声，必须有功率放大集成电路进行信号放大，如功放块LM386发出声音，其电路连接复杂，扬声器功耗大，需要的元器件较多。

方案二、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2—12所示。

经比较，基于连接简单，费用低可以实现同样的功能，考虑选择第二种方案作为本设计的声音提示电路。

图2—12声音提示电路

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。

2.4.2工作过程

当有选手抢答成功后，数码管显示该选手号码，同时CD4086的输出端为高电平1，使CD4511处于锁存状态因VT2的基极是接应CD4086的输出端上的，所以VT2基极电压升高（>=0.7V）使VT2导通，蜂鸣器负极接地，正极接VCC，蜂鸣器工作发出声音，在主持人没有按下复位键一直工作。

第3章各集成块基本功能及电路图

电路中采用了两块CMOS数字集成电路，CD4511将BCD编码、七段锁存、译码、驱动功能集于一身，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。

CD4068是八输入的与非门/与门数字基成电路。

3.1CD4511引脚图及功能

3.1.1基本描述

高输出源电流可达25mA，输入所存提供BCD码存储功能、灯测试和消隐功能，BCD码>1001时，七段译码输出消隐100%测试的静态电压规定可到20V,VDD=18V最大输入电流1uA（整个温度范围）TA=25C时输入漏电流最大为100mA。

显示译码器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，特点如下：

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。

其引脚功能介绍如下：

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。

CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。

3.1.2CD4511的引脚

CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。

其引脚图如3—1所示

图3—1CD4511引脚

各引脚的名称：

其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；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。

左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。

CD4511的工作原理CD4511的工作真值表如表3—2

输入

输出

显示

消隐

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