数字式竞赛抢答器的设计与制作

1目录摘要…………………………………………………………………………………2第1章概述1.1抢答器的应用………………………………………………………………41.2抢答器的基本功能与扩展功能………………………………………41.3数字式抢答器的性能指标与技术要求……………………………………5第2章系统方案的确定2.1系统方案的论证与比较……………………………………………………62.2数字显示方案的设计………………………………………………………72.3电源…………………………………………………………………………9第3章数字显示方案的结构设计…………………………………………………10第4章元器件分析4.1电阻………………………………………………………………………144.2电阻色环标法………………………………………………………………144.3二极管………………………………………………………………………14第5章安装和调试5.1调试前的直观检查…………………………………………………………165.2调试方法……………………………………………………………………165.3调试中注意事项……………………………………………………………17结束语……………………………………………………………………………19致谢……………………………………………………………………………20参考文献…………………………………………………………………………212数字式竞赛抢答器的设计与制作作者:杜锋【摘要】本文介绍了一种用74系列常用集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组成、设计思路及功能。随着电子技术的发展，它在各个领域的应用也越来越广泛。人们对他的认识也逐步加深。人们也利用了电子技术以及相关的知识解决了一些实际问题。如：智能抢答器的设计与制作。抢答器是竞赛问答中一种常用的必备装置,从原理上讲,它是一种典型的数字电路。数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；主持人按开始按钮示意开始，以上两部分组成主体电路。本课题主要是由数字电路形成实现其功能，以LED显示器显示出来，以CD4511为主控元件，实现其抢答功能。【关键词】抢答器数字式CD45113前言在高新技术日新月异的今天，科学技术已经成为整个社会发展的源动力，电子领域的发展更是令人目不暇接，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，遍迹了千家万户，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。使设计越来越受到人们的重视，通过设计。可以设计出更好更新的科技产品，这将给科技的发展带来很好的积极作用，也使科技的水平得到一定的高。智力竞赛作为一种生动活泼的教育形式和方法能够引起观众极大的兴趣。4第一章概述1．1抢答器的应用工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛,抢答记分器是必要设备。在我校举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，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。为解决这个问题，我们小组准备就本次大赛的机会制作一个低成本但又能满足学校需要的八路数显抢答器。1．2抢答器的基本功能与扩展功能1.基本功能：（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S0~S7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，扬声器发出声响提示，并在七段数码管上显示选手号码。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。2.扩展功能：1．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（如30秒）。当主持人启动“开始”开关后，定时开始绿灯亮红灯灭允许作答，定时结束绿灯灭红灯亮不得做作答。2．可以设计声控装置，在主持人说开始时，系统自动完成清零并开始计时的功能。3．在主持人读题的过程中，禁止抢答，可以在主持人控制的开关上另接一个犯规式电路，即可实现“违规者可见”的功能，即在主持人读题时如果有人违反比赛规定抢先按动按钮，显示器可以显示是哪个参赛队抢先，便于作出相应的处理。4．如果提供相应的器材及时间上的宽限，我想我们已定可以完成上述扩展功能，进一步完善我们的作品。51．3数字式抢答器的性能指标与技术要求1.3.1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S0~S7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（如30秒）。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。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。6第2章系统方案的确定2．1系统方案的论证与比较（一）用硬件实现的八路数字定时抢答器系统方框图，细箭头表示控制，粗箭头表示数据流向要求:（1）数字式抢答器基本功能：1.设计制作一个可容纳八组参赛的数字式抢答器，每组设一个抢答按钮供抢答者使用。2.电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。在主持人将系统复位并发出抢答指令后，若参赛者按抢答开关，则该组指示灯亮并用组别显示电路显示出抢答者的组别，同时扬声器发出音响。此时,电路应具备自锁功能，使别组的抢答开关不起作用。3.抢答器具有定时抢答功能，时间由主持人设定。主持人启动“开始”键后，定时器立即减计，并显示。4.参赛选手在设定时间内抢答，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时刻的时间。5.如果定时抢答的时间已到，没有选手抢答时，本次抢答无效，系统进行封锁，禁止超时后抢答。7(2)扩展功能：1.设置计分功能。每组在开始时预置成100分，抢答后由主持人记分，答对一次加10分,否则减10分。2.设置犯规惩罚功能。对提前抢答和超时抢答的组别鸣喇叭示警，并由组别电路显示出犯规组别，禁止下一回合的抢答。(二)由CD4511与LED数码显示器组成的抢答器整体系统结构如下：该课题主要是由数字电路的形式来实现整个电路的控制功能，以七段数码显示器作为其显示电路的元件，以CD4511译码器为主控制元件，实现其抢答器的抢答功能。综上所述：上面两种方案均属于制作抢答的制作方案，但第一种相对来说较复杂，技术指标要求较高，很难达到所要求的指标，而第二种方案较为简单，元器件属于常见的类型，此设计是我们所学知识的综合应用，该电路设计介绍了一种以CD4511芯片和数码管为核心的八路数字抢答器系统,分别从硬件和软件两方面阐述了该控制系统的设计方法,并经过调试和运行使该系统达到预期目标，具有反应快、功能齐全、实用性强的特点,所以我们选择了第二种方案。2．2数字显示方案的设计2．2．1抢答器的工作原理如下2.2.2电路原理图所示，集成电路CD4511是数码显示抢答器的主要部分。这是一块BCD-7段锁存/译码/驱动电路。它的1、2、6、7脚为BCD码输入端。第9～15脚为显示输出端。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手8按键操作无效。S1～S8为8人抢答按键，CD4511是BCD码7段译码器，二极管D1～D8用于对抢答键进行BCD编码。初始状态下，CD4511驱动LED数码管显示为0，即a、b、c、d、e、f这六个笔画为1，仅g笔画为0，现将g笔画信号用三极管Q1反相，这样，在初始状态下，7段译码器CD4511处在译码状态，这时按键信号可以输入。又因显示除0以外的其他数字时，a～g这7个笔画信号至少有一个是0，相应地，7段译码器CD4511处于锁存状态。所以当某一按键按下时，使7段译码器CD4511将已键入的数字锁存显示。这样，后按下的键就不起作用了，数码管就只显示最先按下的键号，起到了抢答的作用。16脚接电源正极，8脚接电源负极。2.2.2电路原理图数字式抢答器电路图92．3电源2.3.1变压器的定义及其特性参数变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。电源变压器的特性参数（1）工作频率变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。（2）额定功率在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。（3）额定电压指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。（4）电压比指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。（5）空载电流变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。（6）空载损耗指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。（7）效率指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。（8）绝缘电阻表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。10第3章数字显示方案的结构设计主题电路的设计（一）CD4511引脚资料：图3.1芯片CD4511CD4511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。CD4511引脚图：其功能介绍如下：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11作。1.CD4511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。其引脚图如上图所示。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。2.CD4511的工作原理1.CD4511的工作真值表如下：输入输出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐0111