八路数码显示抢答器的设计.doc

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1、电子电路设计制作报告 1 设计内容与要求1.1 设计内容（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S1 S8表示抢答键。（2）设置一个系统复位按钮S9，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。1.2 设计要求(1) 熟悉八路数码显示抢答器的基本工作原理；(2) 掌握常用元器件分类命名型号规格参数表达方法、常用元器件识别及测量方法、元器件安装使用方法以及元器件检测与筛选方法；(3) 掌握实现抢答、编码、优先、锁存、

2、数显、复位及讯响电路的基本原理与方法；(4) 掌握555定时及数码管的原理及应用方法；(5) 能够理解集成电路CD4511各个引脚的具体工作原理，从而实现所需的锁存/译码等功能。2 设计原理与电路图2.1 总体设计定时抢答器的总体框图如图2-1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体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。扩展电路完成定时抢答的功能。抢答按钮锁存器抢答号码显示译码电路主持人控制开关控制电路报警电路2-1 总电路框图图2-1所示的定时抢答器的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答

3、器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：(1)由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；(2)扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；(3)控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；(4)控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持

4、人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。2.2 模块设计 根据设计要求，抢答器电路可分为三个模块：抢答锁存模块、译码显示模块和讯响提示模块。2.2.1抢答锁存模块此电路使用到的元器件主要是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，它本身是一个集成电路，特点：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。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图所示。其中A、B、C、D为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电

5、平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。CD4511的引脚图如图2-2所示。图2-2 CD4511的引脚图各引脚的名称：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、

6、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。CD4511的真值表如表2-1所示。表2-1 CD4511真值表十进制或功能输 入输 出字型LELTD C B Aa b c d e f g0123456789000000000011111111110 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 111111111111 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1

7、 1 0 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 1 0 1 1消 隐锁 定灯 测 试1110 010 0 0 0 0 0 0锁定在上一个LE=0时1 1 1 1 1 1 1 2.2.2 译码显示模块上述电路进行了译码的功能，此电路就是将译码完的结果在数码显示器中显示出来。共阴式LED数码管的原理图，使用时，共阴极接地，7个阳极a g由相应的BCD七段译码器来驱动。数码管接0.5寸共阴数码管。参考电路如图2-3所示。图2-3 数码显示管原理图 图2-3 译码显示电路2.2.3 讯响提示模块参考电路如图2-4所示，抢答器报警电路由NE555

8、接成音多谐振荡器，其中R16=R17=10K，扬声器通过100UF的电容器接在NE555 IC的3脚与地（GND）之间。C1=0.01，R16没有直接和电源相接，而是通过四只1N4148组成二极管或门电路，四只二极管的阳极分别接CD4511的1，2，6，7脚，任何抢答按键按下，报警电路都能振荡发出讯响声。抢答器报警电路如图2-4所示。图2-4 抢答器报警电路由NE555接成音多谐振荡器构成的报警电路，其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo143（RI2R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。555构成的多谐振荡器的工作原理，接通

9、电源Vcc后，Vcc经电阻R1和R2对电容C充电，其电压uc由0按指数律上。当uc2/3 Vcc时，电压比较器C1和C2的输出分别为uc1=0,uc2=1,基本RS触发器被置0，Q等于0，Q非等于1，输出uO跃到低电平UOL。于此同时。放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。随着电容C的放电，uc随之下降。当uc下降到uc1/3Vcc时，则电压比较器C1和C2的输出uc1=1和uc2=0，基本RS触发器被置为1，Q等于1，Q非等于0，输出uO由低电平UOL跃到高电平UOH。同时因Q非等于0，放电管V截止，电源Vcc又经过R1和R2对电容C充电。电路又回到第一暂稳态。因此，

10、电容C上的电压uc在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生振荡，输出矩形脉冲。将NE555多谐振荡器与成音多谐振荡器连接起来，前一个振荡器的输出接到后一个振荡器的复位端，后一个振荡器的输出接到扬声器上。这样，只有当前一个振荡器输出高电平时，才驱动后一个振荡器振荡，扬声器发声；而前一个振荡器输出低电平时，导致后面振荡器复位并停止振荡，此时扬声器无音频输出。2.3 设计原理图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：通过编码二极管编成BCD码，将高电平加到CD4511所对应的输入端并通过数码显示器输出编号（即开关的下标号），在清零端出发之前数码管

11、显示的数字不会发生改变。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这高位，A为低位，即D、C、B、A分别代表BCD码8、4、2、1位）。同时通过555定时器构成的多谐振荡器使扬声器发出声响，就此完成电路的各个部分功能，从而实现整个电路的运转。设计原理图如图2-5所示。图2-5 电路原理图（1）功能说明抢答器可以根据抢答情况，显示优先抢答者的号数，同时蜂鸣器发声，表示抢答成功。抢答器由抢答，编码，优先，锁存，数显及复位电路组成。（2）电路原理简介该抢答器电路可同时进行八路优先抢答。按键按下后，蜂鸣器发声，同时数码管显示优先抢答者的号数，抢答成功后，再按

12、按键，显示不会改变，除非按复位键。复位后，显示清零，可继续抢答。S1S8为抢答键；S9为复位键；CD4511是一块含BCD7段锁存/译码/驱动电路于一体的集成电路，其中1、2、6、7为BCD码输入端，915脚为显示输出端，3脚（LT）为测试输出端，当LT为0时，输出全为1，4脚（BI）为消隐端，BI为0时输出全为0，5脚(LE)为锁存允许端，当LE 由0变为1时，输出端保持LE为0时的显示状态。16脚为电源正，8脚为电源负。555及外围电路组成抢答器声响电路。数码管为0.5寸共阴数码管。整个电路可以采用4.5-9V 直流供电。CD4511是常用的七段显示译码驱动器，它的内部除了七段译码电路外，

13、还这有锁存电路和输出驱动器部分，具有输出电流大，最大可达25mA,可直接驱动LED数码管。CD4511由4个输入端A/B/C/D 和7个输出端ag，它还具有输入BCD码锁存、灯测试和熄灭控制功能。3 安装与调试3.1 安装准备根据以上设计要求，所需元器件清单如表3-1所示。表3-1 元器件清单（1）电阻识别碳质电阻他一些1/8碳膜电阻的阻值他误差用色环表示。在电阻上有三道或四道色环。靠近电阻端的是第一道色环，其余顺次是二、三、四道色环，第一道色环表示阻值的最大一位数字，第二道色环表示第二位数字，第三道色环表示阻值末应该有几个零，第四道色环表示阻值的误差。贴片电阻以黑色为多,上面都印有数字.是表

14、示这个电阻 的阻值,例如104，这个表示10*104=100K欧,102就是表示是1K的电阻了。还有000的，是0欧，也有直接一个0写在上面的，这种三位标值的方法最后一位都是10的次方，将数再和前2位相剩就得到电阻值了。4标示的也是最后一位是10的次，比如1002,就表示100*102=10K欧了，板上的电容电感都是以色来示大小，也有的电感是标数字，但颜色为不会是黑色的。电阻没有极性。万用表的使用可以很容易判断出电阻的好坏：将万用表调节在电阻挡的合适挡位，并将万用表的两个表笔放在电阻的两端，就可以从万用表上读出电阻的阻值。应注意的是，测试电阻时手不能接触到表笔的金属部分。但在实际电器维修中，很

15、少出现电阻损坏。着重注意的是电阻是否虚焊，脱焊。（2）二极管的识别二极管的识别很简单，小功率二极管的N极，在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极或N极，也有采用符号标志为P、N来确定二极管极性。二极管采用两块不同特性的半导体材料制成，一块采用型半导体，一块采用型半导体通过特殊工艺使两块半导体连接在一起，在它同交界面形成了一个结，从材料上引出正极性引脚，从型材料上引出负极引脚。主板上用到的大部分都是贴片二极管，有红色的玻璃管和长方形的贴片状，这些二极管一般一端都会有特殊的标记，有标记的一端为二极管的负极。二极管的测量是将万用表打到蜂鸣二极管档，红表笔接二极管的

16、正极，黑笔接二极管的负极，此时测量的是二极管的正向导通阻值，也就是二极管的正向压降值。不同的二极管根据它内部材料不同所测得的正向压降值也不同。（3）电容的识别电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。电容引脚长的是负极，引脚短是正极。或电容上有色带对的脚为负极。对于正、负极标志不明的电解电容，可利用测量绝缘电阻的方法加以判别，即先用万用表的两支表笔接触电容两只引脚，测量电容的绝缘电阻。调换表笔后再次测量，数值大的为正向绝缘电阻，这时黑表笔接的是电容的正极。电容好坏的测量方法是将万用表调至测量高电阻的档位，用表笔给电容充电，在指针基本回零后，立即用表笔反向接触电容两端

17、导线。如果电容是好的，这时候表针应该移动比较大的幅度，可以反复几次试验。如果幅度很小甚至不动，这个电容有问题。最好是有一个确定是好的电容，如此操作作为对照。如果几个同样规格的电容，在这样的对比测试中，反应不一样，肯定反应小的是坏的。（4）三极管的识别三极管的三极的判断是先假设三极管的某极为“基 极”，将黑表笔接在假设基极上，再将红表笔依次接到其余两个电极上，若两次测得的电阻都大(约几K到几十K)，或者都小(几百至几K)，对换表笔重复上述测量,若测得两个阻值相反(都很小或都很大)，则可确定假设的基极是正确的，否则另假设一极为“基极”，重复上述测试，以确定基极，当基极确定后，将黑表笔接 基极，红表

18、笔笔接其它两极若测得电阻值都很少，则该三极管为NPN，反之为PNP。判断集电极C和发射极E，以 NPN为例：把黑表笔接至假设的集电极 C，红表笔接到假设的发射极E，并用手捏住B和C极，读出表头所示C和E电阻值，然后将红，黑表笔反接重测。若第一次电阻比第二次小，说明原假设成立。3.2焊接3.2.1 焊接准备（1）准备的工具和仪器有：电烙铁、焊锡和助焊剂、辅助工具（如：尖嘴钳、偏口钳、镊子和小刀等）（2）焊接前,电烙铁要预热,并应对元件引脚或电路板的焊接部位进行焊前处理,清除焊接部位的氧化层、元件镀锡等。3.2.2 焊接方法右手持电烙铁。左手用尖嘴钳或镊子夹持元件或导线。烙铁头刃面上要吃锡，即带上

19、一定量焊锡。将烙铁头刃面紧贴在焊点处。电烙铁与水平面大约成60角。以便于熔化的锡从烙铁头上流到焊点上。烙铁头在焊点处停留的时间控制在23秒钟。抬开烙铁头。左手仍持元件不动。待焊点处的锡冷却凝固后，才可松开左手。用镊子转动引线，确认不松动，然后可用偏口钳剪去多余的引线。3.2.3 焊接通过这次的实物焊接，才深刻体会到焊接工作的重要性：焊接首先各个芯片的引脚功能不能混淆，必须了解各个芯片的使用方法内部结构以及使用时的注意事项，该接电源的一定要接电源，该接地的一定要接地，不能悬空。同时在电路板上要预先确定电源的正负端，便于区分及焊接过程和调试过程中芯片不能被烧坏，同时确保整个电路的正确性。在焊接完后

20、每块芯片都用万用表检测，看是否有短接等，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路，还有各个焊接点不能连接，要不然会造成引脚短路。将所有的元件焊接好后，有两根导线插入电源线接口处，然后焊接好，用自备的电源测试。3.3 调试所有器件都焊接完成后，接上导线，投入两节电池，接下来验证抢答器是否可以正常工作。 如果抢答器可以根据抢答情况，显示优先抢答者的号数，同时蜂鸣器发声，表示抢答成功。按S9执行复位，显示器变为0，表示抢答器调试成功。其中出现的问题有：(1)显示电路不稳定问题。主要表现在当选手按下抢答键后数码管显示的不是选手当前号码。因此着手对电路进食检查，首先检查数码管

21、看看是否是关节焊接错误，再检查电路各个芯片管脚，均未发现问题，最后发现当触动某按键连线时显示正常由此判断可能是因为出现了虚焊，遂将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。(2)控制开关无法控制电路。在调试时发现当按下开关时电路断电，当松开后数码管显示始终为同一个数，经过一个多小时对电路用万用表逐个检查，发现是开关触焊接错误，通过改正焊接后电路能正常工作。4 总结本次电子课程设计实习将理论与实践有机地结合，既考查了我们对理论知识的掌握程度，也锻炼了我们的实际动手能力，更主要的是考查了我们对知识的综合运用以及创新设计思维能力，为今后的发展提供了一次良好的学习环境。针对课设题目八路抢答器，我一

22、开始还没有头绪，不会运用所学知识进行有效设计，但通过查阅相关设计书籍，了解了所提供的芯片功能，并确定基本设计方案，又通过仿真验证试验方案的可实行性。而且我学会了焊接必须精益求精，在调试过程中，有些问题是芯片本身损坏引起的，也有些是因为焊接问题引起的因此排查过程需要有耐心，通过对芯片功能的检验，对焊点的检查最后得出问题所在。通过此次学习，我争取在以后的学习中取长补短，有所进步。5 参考文献1 王毓银.数字电路逻辑设计（第三版）.高等教育出版社.20052 崔葛瑾.数字电路实验基础.同济大学出版社.20053 吕思忠.数字电路实验与课程设计.哈尔滨工程大学出版社.20014 谢自美.电子线路设计实验测试（第三版）.华中科技大学出版社.20065 董玉冰.Multsim9在电工电子技术中的应用.清华大学出版社.20086 陈振官.数字电路及制作实例.国防工业出版社.2006文档来源网络，版权归原作者。如有侵权，请告知，我看到会立刻处理。