1、I摘 要在智力竞赛等场合，常需要一种反应灵敏、显示方便的抢答装置。在对数字集成电路研究的基础上，设计了一种八路数字抢答器，该抢答器包括抢答、编码、优先、锁存、数显、复位及报警电路。本设计采用 CD4511 芯片来实现译码锁存和 led 驱动功能，通过蜂鸣器实现报警功能，并采用 220V 转+5V 转换电路为系统供电。软件仿真和硬件实验的结果表明了该系统能实现八路抢答器的功能，且具有反应灵敏、操作简便、实用性强等特点，具有一定的实用价值。 关键词：抢答器；编码；译码；锁存IIAbstractIn the quiz and other occasions, often require a resp
2、onsive, easy to display and answer device. Based on the study of digital integrated circuits Designed an eight-way digital Responder, the Responder include Responder, coding, priority, latches, digital display, reset and alarm circuits. The design adopts CD4511 chip to achieve decoding latch and led
3、 driver functions, achieve alarm function by the buzzer and uses 220V switch +5 V conversion circuit to power the system. Software simulation and hardware experimental results show that the system can achieve eight Responder functionality, and has a responsive, easy operation, practical features, ha
4、s some practical value.Key words : Responder; coding; decoding; latchIII目 录1 绪论 .11.1 课题研究的背景 .11.2 研究目的和意义 .11.3 课题研究的内容 .12 抢答器的工作原理 .32.1 系统的主要功能 .32.2 抢答器的基本工作原理 .32.3 抢答器系统的分析 .32.4 抢答器的工作流程 .43 硬件电路设计 .53.1 总体设计方案 .53.2 抢答器设计中的数字编码电路 .53.3 抢答器设计中的译码/优先/锁存电路 .73.4 抢答器设计中的数码显示电路 .114.软件仿真 .134.1
5、 软件测试定义和目的 .134.2 Proteus 仿真 .135.硬件电路的测试与焊接 .165.1 硬件测试定义和目的 .165.2 焊接 .165.3 硬件电路调试 .185.4 调试中出现的问题及解决方法 .196 总结与展望 .20参考文献 .21致 谢 .22附 录 .2311 绪论1.1 课题研究的背景抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答中，可迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码，但是由于早期的三极管等电子元件的制造技术及设备的落后，往往导致电路性能不稳定，抢答器不能正常工作。随着技
6、术的进步及电子制造工艺的发展，性能稳定的集成电路逐渐占据了电路市场的主流，因而现在大多数抢答器均使用单片机(如MCS-51型)和数字集成电路。本设计利用中规模数字集成电路及外围接口实现的抢答系统，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间和选手号码。用开关做键盘输出，扬声器发声提示。所以，系统需达到以下要求：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答则为无效；正确按键后有音乐提示；按键锁定，在有效状态下，其他按键无效非法；电源电路采用 220V 交流转+5V 直流供电，更贴近实际应用。1.2 研究目的和意义本设计的关键技术在于准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现
7、这一功能可选择使用锁存器实现。在得到第一信号之后立即将电路的输入封锁，致使其他组的抢答信号无效。但是，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。通过这次设计，掌握编码器、译码器、led 驱动电路、扬声器发声电路及电源转换电路的原理，了解抢答器组成原理，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。同时通过本设计与仿真进行调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立数字电路理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计各个单元电路，为今后利用数字集成电路设计其他功能的设备奠定坚实的基础。1.3 课题研究的内容本八路抢答器采用 CD4511 集成芯片来实现功能
8、要求，在抢答过程中，每个选手都有一个抢答按钮。在主持人按下复位键宣布抢答开始的时候，选手就开始进行抢答，在指定时间内选手进行抢答，数码显示屏上会显示最先抢答选手的编号。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的编号，扬声器持续2发声。主持人可按复位键，新一轮抢答开始。通过比较发现，采用数字电路技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比优点有很多。首先，设计电路连接简单，因为采用了 CD4511 集成芯片进行设计的，大多数功能单元都能通过数字电路完成。第二，工作性能可靠，抗干扰能力较强。所以本设计采用了基于数字电路技术的设计方案。32 抢答器的工作原理2.1 系统的主要功能
9、八路抢答器的主要功能有如下三点：(1) 同时供 8 名选手参加比赛，其相应的编码分别是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。(2) 给主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。(3) 抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若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，同时扬声器给出音响提示。2.2 抢答器的基本工作原理电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。而报警电路则是起到提示作用。其工作原理为：接通电源后
10、，当主持人按下复位键，宣布“开始“ 。选手即开始抢答，当选手按下抢答键后，抢答器完成：编码、优先锁存、译码、数码显示。当一轮抢答之后，只有主持人按下复位键，才能进行下一轮抢答，否则抢答无效。 如图 2-1 所示为抢答器的结构框图。图 2-1 抢答器结构框图2.3 抢答器系统的分析(1) 在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答则为无效。4(2) 可以显示是哪位选手有效抢答，正确按键后有讯响声。(3) 按键锁定，在有效状态下，选手按键无效。(4) 只有主持人按下复位键，下一轮抢答才能开始进行。2.4 抢答器的工作流程抢答器的工作流程：在上电之后，系统开始运行，在抢答过程中，会有多个信
11、号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部电路和 CD4511 集成芯片会开始工作，并识别、记录第一个号码。在抢答器工作过程中，编码电路、优先锁存 译码电路、显示电路、报警电路都会运行。抢答器的工作流程分为正常抢答流程、主持人复位等几部分，如图 2-2 所示。图 2-2 抢答器的工作流程上电运行主持人按下复位键开始开始数码管显示 0复位键未按下前有选手抢答选手开始回答问题数码管上显示抢答选手编号，并且报警电路发出讯响声无效有选手抢答53 硬件电路的设计3.1 总体设计方案图 3-1 总体结构框图由图 3-1 可知，本设计主要包括 CD4511 控制模块、数码管显示模块、蜂鸣器模块、按键模块等四个主
12、要模块，现将每个模块的功能介绍如下：（1）CD4511 控制模块的主要是完成对信号的编码、译码、优先锁存、驱动数码管显示模块及驱动蜂鸣器模块等功能。（2）数码管显示模块主要是完成接收 CD4511 控制模块译出的信号以及显示抢答成功人的数字功能。（3）蜂鸣器模块主要是完成接收 CD4511 控制模块发出的控制信号并发出凤鸣信号的功能，表示已经有人抢答成功。（4）按键模块主要是完成对八个人的抢答进行反映的功能。3.2 抢答器设计中的数字编码电路由系统的总体结构框图出发，本设计的总体电路原理图如图 3-2 所示。电源蜂鸣器模块按键模块CD4511控制模块复位按键数码管显示模块61 2 3 4 5
13、6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 11-Aug-2012 Sheet of File: F:二二二二二二二二二二二二.Ddb Drawn By:A7B1C2D6LT3BI4EL5a 13b 12c 11d 10e 9f 15g 14VCC16GND8U1CD4511abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefg dp com9DS1R3R4R5R6R7R8D124148*12D11D10D9D8D6 D7D5D4D3D2D1S1S2S3S4S5S6S7S9S8AR1210KGNDBR1110KGNDCR1010KGNDDR9
14、10KGNDVCCR110KGNDVCCD134148D14 4148R142.2KQ1 9013R15100KGNDR1310KABCDGNDLS1GNDD15D16D17D18ABCDR2 680*7C110uFGND图 3-2 总体电路原理图参考图 3-2 可知，S1S8 组成 18 路抢答器，D1D12 组成数字编码器。该电路完成的功能是：将二极管编码成为 BCD 码，将高电平加到 CD4511 所对应的输入端。从 CD4511 的引脚可以看出，引脚 6，2，1 ，7 分别为 BCD 码的 D、C、 B、A 位（D 为高位，A 为低位，即 D、C 、B、A 分别代表 BCD 码8、4、
15、2、1 位） 。引脚图如 33 所示。图 3-3 CD4511 引脚图工作过程：当电路上电，主持人按下复位键，选手就可以开始抢答。当选手 1 按下 S1 抢答键，高电平通过编码二极管 D1 加到 CD4511 集成芯片的 7 脚（A 位） ，7脚为高电平，1、2、6 脚保持低电平，此时 CD4511 输入 BCD 码为“0001” ；当选手72 按下 S2 抢答键，高电平通过编码二极管 D2 加到 CD4511 集成芯片的 1 脚（B 位） ，1 脚为高电平，2、6、7 脚保持低电平，此时 CD4511 输入 BCD 码为“0010” ；当选手 3 按下 S3 抢答键，高电平通过编码二极管 D
16、3、D4 加到 CD4511 集成芯片的 1、7脚（B 、A 位） ，1、7 脚为高电平，2、6 脚保持低电平，此时 CD4511 输入 BCD 码为“0011”；当选手 4 按下 S4 抢答键，高电平通过编码二极管 D5 加到 CD4511 集成芯片的 2 脚（C 位） ，2 脚为高电平，1、6、7 脚保持低电平，此时 CD4511 输入 BCD码为“0100” ；当选手 5 按下 S5 抢答键，高电平通过编码二极管 D6、D7 加到CD4511 集成芯片的 2、7 脚（C 、A 位） ，2、7 脚为高电平，1、6 脚保持低电平，此时 CD4511 输入 BCD 码为“0101” ； 当选手
17、 6 按下 S6 抢答键，高电平通过编码二极管 D8、D9 加到 CD4511集成芯片的 1、2 脚（B、C 位） ，1、2 脚为高电平，6、7 脚保持低电平，此时CD4511 输入 BCD 码为“0110” ； 当选手 7 按下 S7 抢答键，高电平通过编码二极管D10、D11、D12 加到 CD4511 集成芯片的 1、2、7 脚（B、C、A 位） ，1、2、7 脚为高电平，6 脚保持低电平，此时 CD4511 输入 BCD 码为“0111” ； 当选手 8 按下 S8抢答键，高电平加到 CD4511 集成芯片的 6 脚（D 位） ，6 脚为高电平，1、2、7 脚保持低电平，此时 CD4511 输入 BCD 码为“1000” 。 输入的 BCD 码就是键的号码，并自动地由 CD4511 内部电路译码成十进制数在数码管上显示。编码电路如图 3-4 所示。
