四人抢答器电路的设计与制作

四人抢答器电路的设计与制作

作者：严晶

【摘要】抢答器是工厂、机关、学校等单位广泛开展知识竞赛活动时不可缺少的设备。我本次毕业设计的四人抢答器电路主要运用集成芯片CD4511等作核心元件，构成四路抢答器，实现设计指标的要求：电路具有自锁及互锁的功能；用数码管显示抢答者的号码，同时该路抢答器发出响声；主持人通过“复位”按钮清除LED数码管的显示和停止响声。

【关键词】抢答器译码显示 RS触发器编码电路电路

前言

毕业设计是高校实现培养目标的重要教学环节，对大学生的创新精神、实践能力和综合素质的培养有着十分重要的作用，同时也是衡量高校办学质量和办学效益有重要评价内容。通过设计本课题，让学生对所学过的数字电路知识进行综合复习与运用。并且通过设计，组装与调试硬件电路等的操作，锻炼学生的实践能力与电路调试能力，同时也锻炼学生的论文书写能力。

本次毕业设计的内容是：自选适当的数字集成电路及分立元件，设计出一款简易的模拟四人抢答器电路，要求设计出的电路能够实现以下功能：1、4人抢答，每人1个控制开关；2、电路具有自锁及互锁功能；3、有“复位”和“开始”功能，“复位”时不能抢答；

4、用数码管显示抢答者的序号。根据以上内容，结合学习过的知识，我对毕业设计内容作了如下分析：1、用数、模电知识完成四路数字抢答器的设计与制作；2、设计的电路可同时供四组选手参加比赛，各用一个按钮，他们的编号分别是A，B，C，D，；3、主持人设置一个控制开关R，用来控制系统的清零和抢答的开始；4、抢答器具有数码锁存功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，禁止其他选手抢答，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止；

5、用数码管显示抢答着的序号。

第1章设计方案的论证及选择

一设计方案的论证

根据设计任务书的要求，我初步拟定了以下两种设计方案，每种方案的原理框图及简单工作原理介绍如下。

1、设计方案一

图1 方案一原理框图

该设计方案中的抢答器具有锁存、定时、显示和报警功能。即当抢答开始后，选手抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，同时用LED数码管把选手的序号显示出来，并且有报警声。当主持人将按钮开关拨到“清除”状态，抢答器电路处于禁止状态；当某选手首先按某一开关时，可通过编码器进行编码，触发锁存电路被触发而开始工作，并在锁存器中执行锁存功能，在输出端产生相应的开关电平信号，同时为防止其它选手的按钮开关随后按下，进而触发而产生影响，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。然后显示相应的序号，并报警。

2、设计方案二

图2 方案二原理框图

该设计方案中的抢答器实现以下功能：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，数码管显示序号，有报警声，并禁止第二轮抢答。如果再次抢答必须由主持人再次操作复位开关。

在该设计方案中：

编码电路由按钮开关和二极管组成，利用二极管的单向导电性进行编码，将四路抢答输入电平信号分别编码成对应的BCD码。由于电路工作速度很快，几乎不会出现多人同时刻抢答情况，即使有多人同时抢答，抢答的结果也是无效的。所以将多人同时刻抢答输入看成任意项。抢答输入为高电平，用“1”表示；无抢答输入为低电平，用“0”表示。

控制电路由4-7线译码/驱动器CD4511构成。根据输入的高低电平不同进行锁存、复位和译码。

锁存器及控制电路由集成CMOS或非门CD4001构成RS触发器。其①脚为S输入端，⑥脚为R输入端，接复位开关，按下按钮开关后，输入高电平，④脚为Q端输出高电平到控制电路。

显示电路由共阴数码管和电阻组成。译码电路输出经220~330欧的电阻限流后加到LED 数码管各相应的阳极。显示出抢答者的序号。

报警电路用三极管和电阻组成，用555定时器构成多谐振荡器，产生振荡信号，供给后续电路使用，采用蜂鸣器作为报警器件。

二设计方案的选择

我将第一种和第二种方案比较之后觉得第二种方案更适合设计思想，更能体现毕业设计的要求，可以实现任务书中，要求用数码管显示抢答者序号的要求。同时根据本次毕业设计的精神“电路最简单，调试最方便，元器件来源有保障，安全可靠，成本最低”，同时也为了贯彻毕业设计的“创新，挑战自己”的宗旨。

综合各方面因素考虑，设计方案二充分的满足了本次毕业设计的要求，同时在元器件来源上可以得到保障，最终决定选用设计方案二进行毕业设计。

第二章 单元电路设计

1、编码电路设计

图3 编码电路

编码电路由按钮开关和二极管组成，利用二极管的单向导电性进行编码，将四路抢答输入电平信号分别编码成对应的BCD 码。由于电路工作速度很快，几乎不会出现多人同时刻抢答情况，即使有多人同时抢答，抢答的结果也是无效的。所以将多人同时刻抢答输入看成任意项。抢答输入为高电平，用“1”表示；无抢答输入为低电平，用“0”表示。如表4—3线编码器真值表。

4—3线编码器真值表

用卡洛图化简输出a 、b 、c 、d 与输入A 、B 、C 、D 的逻辑函数表达式：

a=A+C,b=B+C,c=D,d=0

根据化简后逻辑函数表达式，用二极管D1和D2分别表现a=A+C,b=B+C 。 4输入或门电路，实现S=A+B+C+D

控制电路由4-7线译码/驱动器CD4511构成。根据输入的高低电平不同进行锁存、复位和译码。

输入 输出（8421BCD 码） 备 注

D C B A d c b a 0 0 0 0 0 x x x 无人抢答,BI =0，LED 不亮

0 0 0 1 0 0 0 1 A 抢答，显示1

0 0 1 0 0 0 1 0 B 抢答，显示2 0 1 0 0 0 0 1 1 C 抢答，显示3 0

1

D 抢答，显示4

2、RS触发器设计

锁存器及控制电路由CMOS的集成

或非门CD4001构成RS触发器。其①脚

为S输入端，⑥脚为R输入端，接复位

开关，按下开关后，输入高电平。④脚

为Q端输出高电平到控制电路。

3、编码译码电路设计图4 RS触发器电路

图5 编码译码电路

译码电路和译码显示电路由4-7线译码/驱动器CD4511构成。将编码电路输出的信号进行编码，译码。

显示电路由共阴数码管和七个电阻组成。译码电路输出经220~330欧的电阻限流后加到LED数码管各相应的阳极。显示成抢答者相应的序号。

4、报警电路设计

图6 报警电路

报警电路用二极管D3、D4、D5、D6和电阻R5组成用集成555定时器构成多谐振荡器。采用蜂鸣器作为发音器件。CD4511译码输出经220~330欧的电阻限流后加到LED数码管各相应的阳极。