淺談數(shù)字搶答器的設(shè)計與制作

1、學士學位論文淺談數(shù)字搶答器的設(shè)計與制作學生姓名：學 號：系 部：專 業(yè)： 電子信息科學與技術(shù)年 級：指導(dǎo)教師： （副教授） 完成日期：年月日中文摘要本文著重介闡述了利用CMOS系列集成塊的功能鎖存譯碼器制作的一種八路數(shù)碼顯示搶答器，討論了該電路組成、功能、設(shè)計制作思路、安裝調(diào)試等。搶答器除具有基本的優(yōu)先搶答功能外，還具有顯示和報警功能，其中對焊接與實現(xiàn)安裝環(huán)節(jié)做了敘述。同時，本文還概述比較幾種搶答器及應(yīng)用，并總結(jié)了各自的特點和應(yīng)用場合，供設(shè)計或?qū)嵱脮r進行選擇參考。關(guān)鍵字：數(shù)碼電路；搶答器；原理設(shè)計；控制與顯示Discusses the design and digital vies to pr

2、oductionAbstractThis paper introduces a kind of using CMOS series latch decode function of making digital display integrated blocks for 8, and its circuit responder component, function, design ideas, installation, debugging, etc. This contest is a basic first vies to answer first except function out

3、side, still have display and alarm function, this paper also to welding and realize this link made narrative. In addition, this paper makes a comparison of various vies to implement, and summarizes the respective characteristics. Key word:digital circuit; Contest manometers; Principle design; Contro

4、l and display 目錄中文摘要IABSTRACTI引言11.搶答器的分類組成原理概述1搶答器的分類簡介1部分搶答器的電路組成及特點2搶答器的選擇依據(jù)8搶答器的設(shè)計任務(wù)與要求9搶答器的設(shè)計任務(wù)9搶答器的單元電路的設(shè)計要求92.搶答器的整體電路10搶答器的各部分電路11搶答電路11電源電路原理結(jié)構(gòu)12報警電路13控制電路14搶答器的整機電路工作原理14搶答器的整機原理15搶答器的PCB圖131415搶答器預(yù)計要用的器件和儀器儀表設(shè)備及元件列表163.搶答器的安裝調(diào)試及性能分析1731搶答器的安裝與調(diào)試1732搶答器的調(diào)試及性能分析18結(jié)語19參考文獻20附錄21致謝22引 言隨著現(xiàn)代科技

5、進步，人民生活水平的不斷提高，精神文明建設(shè)的不斷加強，社會生活競爭的日益激烈，搶答器越來越成為一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，在多種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀、準確地分辨出最先獲得發(fā)言權(quán)的參賽者的編號。最初的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等組成，功能相對比較簡單，現(xiàn)在，各類搶答器日趨完善。目前，大多數(shù)場合使用的搶答器，均由單片機或數(shù)字集成電路組成，并擴展出許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計時、選手得分顯示等功能、自動語音提示報警等功能。展望科技的發(fā)展，未來的搶答器有著越來越明顯的數(shù)字化，智能化特點，在技術(shù)不斷成熟的過程中，必然性地提高了搶答器的成本。鑒于現(xiàn)在小規(guī)模的各種競賽越來

6、越多，制作簡單、經(jīng)濟實用的小型搶答器必將占有特殊市場地位。1.搶答器的分類組成原理概述搶答器的出現(xiàn)是伴隨著我國電子科技的不斷進步而發(fā)展起來的，先后經(jīng)歷過由三極管、可控硅、發(fā)光二極管等分立元件制作的搶答器，到由數(shù)字集成塊制作的搶答器，再到由單片機制作的搶答器等。制作工藝越來越趨于成熟，功能越來越多。以下簡單介紹下幾類搶答電路，并總結(jié)其各自的特點。搶答器的分類簡介搶答器的分類：、按照控制元件聯(lián)通情況不同，搶答器可以分為：有觸點開關(guān)型和無觸點開關(guān)型兩類。 、依據(jù)控制電路的組成元器件，搶答器可以分為：由模擬電路元件制作的搶答器、由數(shù)字電路元件組成的搶答器、由單片機芯片制作的搶答器等。、按使用場合選用元

7、件的不同和制作工藝地不同，還可以把搶答器劃分為：基于74LS373構(gòu)成的搶答器、多功能智力搶答器、光耦數(shù)顯搶答器、大容量搶答器、大屏幕競賽搶答器等。 、根據(jù)搶答電路的多少可以分為：四路搶答器、六路數(shù)顯搶答器、八路數(shù)顯搶答器、十五路搶答器等。以下簡單介紹這幾種搶答器的電路組成和各自的特點以便于參考和研究。部分搶答器的電路組成及特點(1) 四路搶答器的電路組成：該搶答器的搶答控制電路由JK觸發(fā)器CI和搶答開關(guān)S1-S4組成；指示部分由3AX81晶體管驅(qū)動H1-H4指示燈，若將指示燈換為HJB1-2C小型繼電器，則可驅(qū)動更大功率的指示電路；發(fā)聲部分由多只反相器和與非門組成自激振蕩電路并由晶體管V5放

8、大推動揚聲器發(fā)聲；電源可由一般5V直流穩(wěn)壓電源供給。四路搶答器的特點：由搶答部分、發(fā)聲部分、電源部分三部分組成，各部分有較多的基本門電路構(gòu)成，電路元件較少，線路較復(fù)雜，且可靠性低，成本相對較高1；電路結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。(2) 74LS373構(gòu)成的搶答器的電路簡介：當搶答開關(guān)有一路首先閉合置“0”狀態(tài)并鎖存，則其他各路在IC內(nèi)被置“1”，為無效選擇，J2是復(fù)位開關(guān)，鎖存信號被譯碼后直接驅(qū)動LED1-LED8發(fā)光二極管顯示優(yōu)先置“0”的搶答信號的順序編號等情況，該電路無報警部分。74LS373構(gòu)成的搶答器的特點：使用74LS373（具有鎖存-譯碼功能）作為核心器件，使搶答電路較為簡單，可靠性得到

9、改善，制造價格降低，相對功能較少2；電路結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。(3) 多功能智力搶答器的電路組成：該電路由可控硅和發(fā)光二極管和兩個三極管以及音樂塊KD-153和若干電阻電容組成，電源部分需一6V直流穩(wěn)壓電源即可工作。多功能智力搶答器的特點：具有搶答自鎖、燈光指示、暫停復(fù)位、電子音樂報警、自動定時等功能，直流交流兩用。功能強大，但是它是由分立元件和部分集成電路組成體積較龐大3；電路結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。(4) 光耦數(shù)顯搶答器的電路組成：該搶答器的電路大致可以分為這幾部分，即顯示部分由數(shù)字顯示譯碼集成塊和LED共陰極數(shù)碼管共同來實現(xiàn)其功能，八路搶答電路時由自復(fù)式分路搶答按鈕組成，四塊雙光耦集成塊保證電

10、路的優(yōu)先搶答，還有支持人復(fù)位清零端開關(guān)和穩(wěn)壓電路等光耦數(shù)顯搶答器的特點：該搶答器巧妙地將光耦集成塊與單向晶閘管銜接，成功實現(xiàn)優(yōu)先搶答、強斥分路、音響提醒、數(shù)字顯示的功能；但是此電路集成度不夠高體積略顯龐大4；電路結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。（5）大容量搶答器的電路組成：該搶答器具有11路，555組成的報警振蕩電路，揚聲器驅(qū)動電路，及燈光顯示電路等組成。大容量搶答器的特點：采用鍵盤接線方式，應(yīng)用掃描方法進行工作，連線簡單，成本低，安裝維護方便，控制電路性能較好；但是該搶答電路的應(yīng)用場合受到局限，僅在一些大型娛樂場所使用，在小規(guī)模競賽中使用有較多不便5；電路結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。（6）八路數(shù)顯搶答器的電路組

11、成：該電路的核心是CD4017，CD4017是一個十進制計數(shù)/脈沖譯碼器，八路搶答電路，一個三極管為CD4017提供時鐘脈沖。八路數(shù)顯搶答器的特點：該電路是用一塊常用數(shù)字集成塊CD4017為核心構(gòu)成，成本較低且工作可靠，簡單易行，便于制作，也不用編程等；這樣一來搶答器的可擴展靈活性自然會受到限制6。電路結(jié)構(gòu)如圖1.6所示。（7） 大屏幕競賽搶答器的電路組成：由三塊集成塊和一個音樂芯片KD-153和六路晶閘管電路以及顯示部分組成，三個集成塊分別是六非門CD4069、BCD計數(shù)器/時序譯碼器CD4017、雙D觸發(fā)器CD4013，電源采用6V蓄電池或直流電源即可。大屏幕競賽搶答器的特點：形象直觀，適

12、合大型場合，搶答路數(shù)多，擴展性好，采用脈沖掃描方式，搶答效率好，性價比高，造價低。但是電路安裝時工藝要求較高，對于一般人而言較為復(fù)雜7。大屏幕競賽搶答器的電路結(jié)構(gòu)如圖1.7所示：（8）單片機多路搶答器的電路組成：AT89C2051作為核心，共陽極數(shù)碼管和音樂芯片以及八路搶答電路組成。單片機多路搶答器的特點：電路簡單，造價低廉，易于仿真和實現(xiàn)，制作工藝成熟，靈活性高，需要編程，并燒制程序；對于編程要求較高，使一般人知難而退8；電路結(jié)構(gòu)如圖1.8所示。搶答器的選擇依據(jù)選擇制作搶答器時要根據(jù)需要，制作工藝能夠達到的，線路比較簡單，可靠性高，集成度較高，體積小，造價低廉，使用的場合較多，功能比較強大，

13、靈活性較高的搶答器為宜。有以下兩種制作方案可供選擇：方案一：選用單片機如51系列、PIC系列、AVR系列等作為主控單元，在單片機最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，I/O口外接矩陣鍵盤、數(shù)碼管或顯示更多信息的液晶屏（1602、12864等）；只需編寫一段簡單的程序即可實現(xiàn)八路搶答器。方案二：選用中規(guī)模集成芯片組合成八路搶答器。如可選用74LS148、74LS48、74LS191、74LS279、74LS74、74LS00、NE555組成的電路?；蛘呖蛇x用CD4511、NE555、數(shù)碼顯示管等組成的電路。選用中規(guī)模集成芯片組成的搶答器外圍電路簡單，可擴展功能較多，選擇使用單片機制作的搶答器也可以實現(xiàn)錄音、放音，并

14、且更顯智能化，但是其造價相對較高。中規(guī)模集成電路組成的搶答器電路相對復(fù)雜，連線較多，但使用簡單元件實現(xiàn)了復(fù)雜、可靠性較高的功能，而且造價低廉，更有實用價值，相比較而言，中規(guī)模集成芯片制作的搶答器技術(shù)相對比較成熟，所以我們應(yīng)該選擇使用中規(guī)模集成芯片組成的搶答器。（也有不少專業(yè)技術(shù)人員通過組裝的電路模塊，來實現(xiàn)搶答的功能。）搶答器的設(shè)計任務(wù)與要求搶答器的設(shè)計任務(wù)搶答器同時供8名選手或8個代表隊比賽，設(shè)置一個系統(tǒng)清零和搶答控制開關(guān)S，該開關(guān)由主持人控制。搶答器具有鎖存與顯示功能，即選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在LED數(shù)碼管上顯示，同時揚聲器發(fā)出報警聲響提示。選手搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編

15、號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當主持人啟動“開始”鍵后，參賽選手開始進行搶答，搶答有效，顯示器上顯示選手的編號，并由蜂鳴器發(fā)出響聲以示提醒報警，搶答期間保持，直到搶答完畢主持人將系統(tǒng)清除為止。如果長時間無人搶答，本次搶答無效，定時顯示器上顯示09。搶答器的單元電路的設(shè)計要求該搶答器電路使用集成電路來實現(xiàn)，需要掌握足夠的有關(guān)集成塊的知識，并且需要使用專業(yè)的multisim仿真軟件和制作PCB圖的protel DXP軟件,需要會使用基本的焊接工具（如電烙鐵、試電筆、鋼絲鉗、螺絲旋具、尖嘴鉗、斜口鉗、活扳手、千分尺、鋼卷尺、梅花起子、平口起子、萬用表、松香、焊錫絲、焊板等），掌握基本的焊接機巧，

16、會看印刷電路板，懂得如何安裝元件，會識別元件（如二極管、晶體管、晶閘管、運算放大器、功率放大器、穩(wěn)壓器、交直流電源、集成音樂芯片、電阻器、電容器、電感器、石英諧振器、敏感元件、繼電器、保護元件、開關(guān)等），會進行安裝與調(diào)試，具備調(diào)試的常識，能能夠準確無誤判斷出電路的哪一部分焊接不良，要及時進行電路板與原理圖以及實物元件之間的“三對照”2。2.搶答器的整體電路電路包括搶答，編碼，優(yōu)先，鎖存，數(shù)顯及復(fù)位電路。可同時進行八路優(yōu)先搶答，按鍵按下后，蜂鳴器發(fā)生，同時（數(shù)碼管）顯示優(yōu)先搶答者的號碼，搶答成功后，再按按鍵，顯示不會改變，除非按復(fù)位鍵。復(fù)位后，顯示清零，可繼續(xù)搶答。S1-S8為搶答鍵，S9為復(fù)位

17、鍵。CD4511是一塊含BCD-7段鎖存/譯碼/驅(qū)動電路于一體的集成電路，其中1、2、6、7為BCD碼輸入端，915腳為顯示輸出端，3腳（LT）為測試輸出端，當“LT”為0時，輸出全為1，4腳（BI）為消隱端，BI為0時輸出全為0,5腳（LE）為鎖存允許端，當LE由“0”變?yōu)椤?”時，輸出端保持LE為0的顯示狀態(tài)。16腳為電源正極，8腳為電源負極。555及外圍電路組成搶答電路。數(shù)碼管接0.5寸共陰數(shù)碼管。10：搶答器整機電路大概包括以下幾個部分：電源電路、搶答電路、優(yōu)先編碼電路、譯碼電路、鎖存電路、報警電路、數(shù)碼顯示電路、復(fù)位電路，其中電源電路、搶答電路、優(yōu)先編碼電路、譯碼電路、鎖存電路、復(fù)位

18、電路構(gòu)成電路的主體部分，報警電路、數(shù)碼顯示電路這部分是附加電路，作為電路的擴展部分。搶答電路：根據(jù)操作功能，一是要分辨出選手按鍵的先后順序，并對優(yōu)先搶答選手的編號進行鎖存，并且使其他選手的按鍵操作無效；二是要將優(yōu)先搶答選手的編號進行譯碼，在七段數(shù)碼管上顯示出來11。搶答電路原理框圖如圖2.2所示，示例電路如圖2.3所示：原理結(jié)構(gòu)電源電路：該電路是為搶答器的整機提供工作電流，是其他單元電路的工作前提，有的搶答器電源電路采用直流電源，也有的采用交流電源。有關(guān)資料對直流穩(wěn)壓電源電路原理詳細講解，此處不再介紹8。本設(shè)計欲采用的電源是較簡單的變壓器降壓、橋式整流、電容退耦濾波電路，濾波后經(jīng)三端穩(wěn)壓塊78

19、05輸出穩(wěn)定的5V直流電壓提供整機工作電源，這樣選擇的好處是電路簡單、工作可靠穩(wěn)定，給整機調(diào)試組裝帶來方便。電源電路原理如圖2.4所示：報警電路：報警電路對搶答器搶答或搶答時間終止等進行報警。如果有定時電路且定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，報警情況是或的關(guān)系，所以可以用或門或者或非門來實現(xiàn)12。（本次實物制作中，僅用蜂鳴器來進行報警提示，定時電路系統(tǒng)由于時間緊迫放棄制作，此部分是電路的擴展部分，在此處僅作簡單的說明）：報警信號或門1放大器蜂鳴器圖2.5 報警原理方框圖控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下兩項功能：A. 主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，搶答電路進

20、入正常搶答工作狀態(tài)。B. 當參賽選手按動搶答按鍵時，蜂鳴器發(fā)聲，搶答電路保持并停止工作。12控制電路示例如下電路2.7圖和2.8圖所示：其工作原理為：接通電源后，主控制開關(guān)撥到“復(fù)位”動作前，搶答器處于禁止搶答的狀態(tài)，編號顯示器燈為“0”狀態(tài)，將主控制開關(guān)置于“復(fù)位”動作后，表示宣布搶答“開始”，搶答器進入工作狀態(tài)，此時揚聲器發(fā)出聲響來進行提示。某搶答電路完成搶答動作時，搶答器同步完成優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示功能。這樣一輪搶答之后，此時禁止第二次搶答；如果進行再次搶答必須將主控開關(guān)再次操作“復(fù)位”動作之后，搶答電路才可以進行新的一次搶答。主持人通過S9主控開關(guān)進行清零復(fù)位，系統(tǒng)

21、將自動鎖存選手號碼。若無人搶答，則系統(tǒng)顯示0號，將由主持人宣布本輪搶答無效，搶答完成后自動顯示選手號碼，并由蜂鳴器發(fā)出聲響自動實現(xiàn)報警功能。1314器件和儀器儀見設(shè)備表1名稱及型號數(shù)量作用備注數(shù)字試驗箱1臺穩(wěn)壓電源1臺電源萬用表1臺測量單位電烙鐵1把焊接選定的搶答器電路元件列見表2序號名稱規(guī)格位號數(shù)量序號名稱規(guī)格位號數(shù)量1電阻100KR8111二極管1N4148D1-D1818210KR1-R6、R16、R17812集成電路CD4511U113R7113NE555U214300R9-R15714三極管9013Q115電解電容100uFC3115蜂鳴器3VBUZ11647uFC4116數(shù)碼管單位

22、共陰DS117瓷片電容103C1117按鍵6*6*5S1-S998104C2118電池盒3節(jié)5號9IC座8PU2119電路板120*8011016PU1120說明書A41安裝調(diào)試是整個搶答器制作的核心過程，以下是搶答器的完整的制作過程的簡述。31搶答器的安裝與調(diào)試安裝前：我們需要根據(jù)上述的搶答器電路原理圖和所給的器件、萬能PCB電路板，自行完成八路搶答器的焊接制作。要求八路搶答器可以同時提供八路按鍵搶答，最先按下按鍵的有效，相應(yīng)的LED指示燈點亮，指示出相應(yīng)的按鍵，同時LED數(shù)碼管顯示按鍵選手編號，并有蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲；設(shè)有主持人控制按鍵S9，用以清除在先狀態(tài)，使電路恢復(fù)初始等待搶答狀態(tài)15。

23、實施安裝制作的過程為：首先，根據(jù)電路原理圖，再次確定出各個部分電路的工作原理。其次，根據(jù)附錄器件封裝材料、原理圖文件，認識所涉及的各種器件。根據(jù)原理圖、實際器件、并在protel DXP中制作相應(yīng)的PCB圖、完成器件在萬能PCB板上的布局，集成電路用相應(yīng)的IC插座代替。然后，根據(jù)電路原理圖，刻出PCB板，在萬能PCB板上布線，PCB板的正面放置元器件，走線為橫線；PCB反面為焊點所在的面，這面的走線以縱線為主。在PCB板的反面的兩邊布置電源線和地線，地線和電源線要粗一些。布線時要先確定集成芯片的位置，再確定其他元器件的位置，最好先畫一份草圖，用雙色線條分別畫出正反兩面的走線，然后再實際連線和焊

24、接16。最后，完成器件在PCB萬能板上的安裝焊接，所有器件都應(yīng)安裝在PCB板的正面，集成電路插座的缺口方向最好取向一致，排列要整齊、美觀。32搶答器的調(diào)試及性能分析搶答器的調(diào)試過程中需要注意的事項有：加電前根據(jù)原理圖檢查所有連線是否正確，測量電源與地線之間是否短路，排除短路故障。所完成電路的供電方案是利用USB總線的+5V電源供電，只要通過USB延長線將電路連接到計算機USB接口即可；加電后用三用表直流電壓檔測量電路電壓應(yīng)該為+5V，否則電路存在問題，應(yīng)斷開電源繼續(xù)重復(fù)以上的電路檢查，直到排除問題為止。對搶答器進行調(diào)試并進行性能分析及測試，在通電調(diào)試之前，必須認真檢查電路連線是否正確，對照電路

25、圖按照一定順序逐級檢測，特別要注意電源是否接錯，電源與地是否有短接，二極管是否接反，輕輕撥一撥元器件，觀察焊點是否牢固。驗證按鍵的操作是否正確，電路是否能實現(xiàn)所設(shè)計的功能，相應(yīng)的LED指示燈、數(shù)碼管及蜂鳴器的變化是否符合設(shè)計邏輯，如果不正確，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)象分析，找到并排除故障，再進行驗證測試，直到電路能完成全部功能。一定要調(diào)試好電源值為5V，才能給電路通電。電源接通后首先保證安全，觀察電路中是否有冒煙、起火等現(xiàn)象。如果有，應(yīng)立即斷電，故障排除后繼續(xù)通電，并注意觀察各器件引腳電壓是否正常。如若無誤則可封裝電路板，至此搶答器的制作完成17。結(jié)語經(jīng)歷本次數(shù)字搶答器報警電路設(shè)計與制作調(diào)試，不僅對數(shù)字搶答器

26、報警電路的原理、設(shè)計、功能、應(yīng)用等有了深刻理解，而且對數(shù)字電路知識有進一步的感悟和提高，并且對掌握數(shù)字電路知識的實踐應(yīng)用有了親身體驗，從而說明由理論到實踐再到理論的認知過程是扎實掌握知識的有效途徑。同時，還可以不同程度的鍛煉和提高了綜合運用能力。于此同時，還可以鍛煉運用計算機軟件Multisim和protel等制作電路的流程，包括原理圖設(shè)計、軟件仿真、生成PCB印刷電路圖，實現(xiàn)熟悉和掌握使用硬件制作萬能板、焊接電路、組裝成實用電路，也大大地提高了分析問題的能力與調(diào)試電路的技能。這次的畢業(yè)設(shè)計，讓我從不同角度和立場直接或間接地學到了一些我們專業(yè)的知識，鍛煉了我的專業(yè)能力，使我對自己的專業(yè)有了更充分的了解和認識，也增加了我對自己所學習專業(yè)的興趣。參考文獻1張憲,何宇斌. 電子電路制作指導(dǎo)M. 化學工業(yè)出版社，2005,5 2沈任元,吳勇. 常用電子元器件簡明手冊（第2版）M. 機械工業(yè)出版社，2010,53侯尤魁.多功能智力搶答器J.無線電，1990,7（322）4金有鎖.光