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1、课程设计说明书设计论文题目: 智力竞赛抢答器 专 业: 测控技术与仪器 班 级: 学 号: 姓 名: 指导教师: 二O一一年一月十九日目录一、摘要2二设计任务与要求3三、设计方案31、方案的选择32、总体方框图的设计4四、电路图的设计和原理41、总体设计思想42、抢答电路的设计53、定时电路的设计54、所用主要芯片的介绍75、总体电路图和原理分析11五、元器件清单12六、仿真情况和存在的不足13七、心得体会与经验总结14八、参考文献16九、附录17一、摘要智力竞赛抢答器是一个供参赛组进行智力竞赛的装置。对设计要求认真分析后，将主体电路由抢答电路和定时电路两部分组成。通过CD4511译码的同时对
2、选手按下按钮后将电路锁存住，并将选手号译出去给数码显示管。同步十进制双时钟可逆计数器74LS192设定时间并且进行减法计数。555定时器将秒脉冲产生的信号驱动74LS192减计数并在显示器上输出。本次设计的抢答电路主要是由CD4511译码器，LED数码显示器，74LS30八输入与非门组成。定时电路主要由NE555定时器，74LS192可逆计数器，CD4511译码器，LED数码显示器。该设计仅用四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，有结构简单、成本低、制作方便、实用可靠、成本极低的优点。本文详细介绍了抢答器的设计方案和功能，并对电路原理进行了一定的分析。另外通过仿真和调试过程
3、，让自己对所学知识得到进一步的理解，同时阐释了该设计存在的一些不足之处。关键词： CD4511译码器 LED数码显示器 可逆计数器74LS192 仿真调试二、设计任务与要求1抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮表示。2设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。4抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定。当主持人启动“开始”键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声
4、响持续的时间0.5秒左右。5参赛选手在设定的时间内进行抢答，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的时间，并保持到主持人将系统清除为止。定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。6如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示0。三、设计方案1、方案的选择（1）、方案一的设计用单片机单片机以及外围电路组成，由于采用单片机，使得外围电路非常简单，而且功能一般的抢答器还要多。组成的抢答器具有智能化,性能好,以及可编程控制等优点.但是考虑到单片机花费成本高以及个人对单片机的知识有限,假如我们的课程设计用单片机来设计就会需要
5、我大量的金钱和时间（花在给单片机知识充电上）显得有点“力不从心”,所以没采用。（2）、方案二的设计利用数字电路来设自行计抢答器。自行设计的抢答器针对性强,并且还可以兼顾实用性,可靠性以及经济成本的合理性。另外我对数字电路技术这门课程中的知识的掌握也比较牢固、扎实，能够比较熟练地利用所学知识适发挥个人的设计思路,在设计中改进,在改进中设计.针对我们课程设计课题,采用数字电路来设自行计抢答器的方法还可以检查我对们所学知识的掌握能力,锻炼我们的动手能力，为以后的毕业设计甚至是在一些项目开放中打下基础。2、总方框图的设计按钮抢答编码、锁存、译码电路控制电路报警电路脉冲产生电路定时、计时电路译码电路显示
6、电路主持人控制电路显示电路四、电路图的设计和原理1、总体设计思想 仔细分析设计要求，首先要想到如何去实现选手的抢答，而它又是如何显示出来的，在显示出来后又怎样锁存以使得其他选手不能再抢答；而在等待选手抢答的同时，又是如何实现定时，然后倒计时，在选手抢答成功时定时器又怎么停止工作的。针对这两方面的问题，可以将设计分为两部分：抢答的设计；定时的设计。然后以这两部分为总体框架，根据设计要求将这两部分结合起来，实现设计任务上的每一点要求。2、抢答电路的设计抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是在选手抢答后使其他选手的按钮操作无效。考虑优先译码
7、器74LS148译码只能显示17而不能显示8这个数字，所以我们不采取译码器来将选手编号译出来的方法。为了简化电路同时起到所要求的功能，我们可以通过稳压二极管来将选手按键的号数直接接到CD4511七段译码管中，通过译码管直接译出选手的编号。而同时可以利用CD4511七段译码管的LE端来锁存住选手编号，这样就可以抢答电路要求的两个功能。其电路组成如下图4-1所示：图4-1该电路仅用一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，有结构简单、成本低、制作方便的优点。实用可靠、成本极低，十分适合学校教学使用。3、定时电路的设计抢答电路的功能有两个：一是设定时间；二是倒计时，定时器进行减计时，
8、同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右；三是当选手抢答有效时，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间。我们可通过同步十进制双时钟可逆计数器74LS192设定时间并且进行减法计数， 555定时器产生秒脉冲来驱使计数器74LS192倒计时同时使扬声器发出短暂的声响，另外再 利用CD4511译码电路和1个7段数码管将时间显示出来。其电路组成如下图4-2所示：图4-2下面结合图4-2简单讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。此时555定时器接成多谐振荡器，电路无稳态，仅存在两个暂稳态，亦不需外加触发信号，即可产生振荡。电容在1/3Vcc-2/3Vcc之间充电和放电。555电路要求与
9、均应大于或等于1k，使+应小于或等于3.3M。图中电容的放电时间和充电时间分别为： （3-1） （3-2）于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为 （3-3）结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，选择的电阻值为=15K，=68K，=10uF，代入到上式中即得，即秒脉冲。另外，该设计要求扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右，这个声响持续的时间是由秒脉冲的高电平决定的，高电平的时间即为的时间，。=10Nf。其中电容接地，起到滤波作用，以消除外来干扰，确保参考电平的稳定。4、所用主要芯片的介绍（1）芯片CD4511 CD4511用来驱动共阴极的发光二极管显示器。CD4511的内部有升压
10、电阻，因此无需外接电阻（可以直接与显示器相连接）。CD4511的引脚所下图所示，其中为8421BCD码输入端，a,b,c,d,e,f,g为7段译码输出端。其功能如下： 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。 ：灯测试输入使能端。当=0, BI=1时，译码器各段输出均为高电平，显示器各段全亮，因此，=0可用来检查CD4511和显示器的好坏。 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。
11、其真值表如下：输 入输 出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000.000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐011111
12、1000000消隐111XXXX锁 存锁存 （2）芯片74LS19274LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除、置数、加计数和和减计数等功能，它由脉冲信号来驱动。其引脚排列及逻辑符号如图4-3所示a）引脚排列b）逻辑符号图4-3 74LS192的引脚排列及逻辑符号图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据端。74LS192的功能如下表所示：输入输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000D3D2D1D0D3D2D1D001加计数01减计数（3）
13、芯片NE555555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极其方便地构成单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器。555定时器原理图如图4-4所示：图4-4555定时器内部框图定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。分压电路由三个5K的电阻构成，分别给和提供参考电平2/3和1/3。和的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚输入大于2/3时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止。4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则；正常工作时4接为高电平。5脚为控制端，平时输入2
14、/3作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。在5脚外加电压通常接0.01F电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。 其引脚排列如图4-5所示：图4-5555定时器引脚排列它的功能如下表所示：输 入输 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不变L导通截止不变导通5、总体电路图及原理分析：经过上述两部分电路的设计以及芯片的了解，然后对每个要求之间的联系进行合理的分析，可以得到定时抢答器的总体电路。（见附录）原理分析：（1） 初始状态：当电源接通时，此时抢答电路的CD4511的4个输入端都为低电平（因为无选手抢答
15、），译码出来后a,b,c,d,e,f都为1，g为0，数码显示管显示数字“0”。g经过一个非门后为1，于是74LS30出来的是1（全1出0）。同时经过一定的门电路后，LE端输入为低电平，此时CD4511处于工作状态，等待选手输入并锁存。而对于定时电路，由于74LS192还没开始置数，于是CD4511的4个输入端都为低电平，译码出来后a,b,c,d,e,f都为1，g为0，数码显示管显示数字“0”。（2） 抢答开始：当主持人按下按钮，此时74LS192开始置数，经过译码后数码管上显示出所设置的时间。同时，555产生秒脉冲驱使74LS192的减计数端，倒计时开始，而秒脉冲的高电平使得扬声器发出短暂的声
16、响，声响持续的时间0.5秒左右（在电路中用发光二极管来代替扬声器）。此时如果有选手抢答，则CD4511则会译出相应的选手号，而这时74LS30译出为1，抢答指示灯亮。经过一定的门电路后，LE端输入为高电平，此时CD4511处于锁存状态，不准其他选手再抢答（即使抢答也无效）。而74LS30译出的1经过门电路后使得74LS192的减计数端为低电平，计数器停止工作，于是数码显示管显示出来的即是选手的抢答时间。（3） 抢答时间到：这时候如果还没选手抢答，则显示管显示为0。同时计数器的借位端BO输出为0，经过一个非门，相应的指示灯亮，BO输出的0经过门电路后使得74LS192的减计数端为低电平，计数器停
17、止工作。而由于BI输出端的影响，抢答电路的CD4511的LE端输入为高电平，此时CD4511处于锁存状态，不准选手再抢答。（4） 系统清0：主持人再次按下按钮，74LS192计数器进行新一轮的置数、计数。而同时经过门电路使得BI消隐端有效，七段显示管全灭。当主持人松开手，BI消隐端有效，同时LE端输入为低电平， CD4511又处于工作状态，等待选手输入并锁存。五、元器件清单序号名 称型 号数量备 注1七段译码器CD451122十进制加减计数器74LS19213555定时器NE55514与非门74LS301该芯片有1个8输入端的与非门5与非门74LS20 1该芯片有4个两输入端的与非门6或非门7
18、4LS021该芯片有4个两输入端的或非门7与门74LS081 该芯片有4个两输入端的与门8反向器74LS04 1该芯片有6个非门9电阻 2133010电阻 41K11电阻 110K12电阻 12K13电阻 168K14电阻 115K15电容 110uF16电容 210nF17按扭9点动开关1个、自锁开关8个18LED数码显示管219发光二极管 720稳压二极管 9六、仿真情况和存在的不足在ISIS软件中仿真基本已经满足了设计要求，都按照原理分析上的显示出来，没有出现任何问题。但是在实际做板的时候遇到了一些小问题，经过多次调试后才成功，使得电路板能够正常的工作。主要的原因是在焊接时各个焊点之间没
19、有焊稳，使得电路不通或数码显示管出现乱码现象；飞线时裸露的铜丝影响到周围的电路；另外有些芯片本身就是坏的，在经过了检查了才发现；最后就是一些电容理论上的设定值影响了脉冲，使得计数器不能正常工作。存在的不足就是考虑到接线的复杂性和成本，在做板并没有将防止选手提前抢答（作弊）的四盏灯弄上去，还有就是系统清“0”这个要求实现得不是很好，主持人按下按钮复位时就是新一轮的抢答开始，而不是回到初始状态。七、心得体会与经验总结智能抢答器的这一产品是各种竞赛活动中不可缺少的设备，在国内外都是比较有用的，而它的发展也是比较快的，从一开始的光具有抢答锁定功能的一个电路，到现在的具有倒计时、定时、自动（或手动）复位
20、、报警（即声响提示，有的以音乐的方式来体现）、屏幕显示、按键发光等多种功能的技术合并，这就可以说明其多种功用及发展的快速。本次课程设计，把我们平时在课堂上学到的数字电路知识运用到实际中。如各种常见的芯片的功能，各种组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计。在此次设计中，当然也遇到了许多问题，毕竟这是第一次设计一个器件。包括在电板的焊接过程中，也是一步步由陌生到熟悉，一个焊点一个焊点的安排与焊接，这些对我来说都是进步。在老师和同学们的帮助下，我对书本上的知识有了进一步的了解，也让我知道如何将理论运用到实践中去，更使我看到了自身所存在的不足。通过这个课程设计，我简单阐释一下所得到的一些经验：（1）显示器上
21、不显示数字，我们从后级往前级进行测试，首先用1.52V的电压作用各个笔段,看对应各笔段是否亮,判断是否完好。若完好则继续检测CD4511芯片是否完好。在CD4511的A、B、C、D四个输入端随意输入一组二进制数码（用高低电平表示1和0，此处注意要用到8V以上的电源电压），看是否能显示数字。无显示的故障一般问题出在这两个环节。（2）若显示器上显示的是不符合要求的数字，在设计原理正确的前提下，首先通过测试判断CD4511的输出ag与LED管的ag笔段是否连接有错。其方法是CD4511的输出ag分别按规律输入高低电平，观察LED管是否显示相应的数字。如果这个环节正常，则问题在二极管编码电路，再逐一进
22、行检查。在测试的过程中我们一定要注意，高低电平的测试电压数值要针对不同的电路而选取不同的数值。比如，针对LED管，高电平只能用1.52V,而在CD4511的输入端高电平要用到8V以上的电源电压。选高了，会烧管子；选低了，会看不到效果，甚至产生误判断。（3）判断PNP型和MPN型晶体管：用万用表的R1k(或者R100)档。用黑表笔接晶体管的某一个管脚，用红表笔分别接其它两脚。如果表针指示的两个阻值都很大，那么黑表笔接晶体管的某一个管脚，用红表笔接其它两脚。如果表针指示的两个阻值都很大，那么黑表笔所接的那一个管脚是PNP型的基极，如果表针指示的两个阻值都很小，那么黑表笔所接的那个一个管脚是NPN型
23、的基极；如果表针指示的阻值一个很大，一个很小，那么黑表笔所接的那一个管脚不是基极。这就要另换一个管脚来试。以上方法，不但可以判断基极，而且可以判断是PNP型还是NPN型晶体管。（4）在安装的时候要小心不要把二极管的正反接错了。要不然在数码管就不能显示正常的数字。有时候连数码管都不亮。八、参考文献【1】阎 石主编.数字电子技术基础 高等教育出版社,2005【2】王青萍 八路智力竞赛抢答器的设计 湖北教育学院学报【3】黄永定电子线路实验与课程设计北京：北京机械工业出版社，2005【4】谢自美电子线路设计实验测试（第二版）武汉：武汉华中科技大学出版社2006【5】高建新，雷少刚电子技术实验与实训北京：北京机械工业出版社，2006.【6】张有礼，韩爱娟电子技术综合实训北京：北京师范大学出版社，2005【7】【8】http:/www.go-9、附录
