基于cd4511和74ls192的八路抢答器的电路设计

1. 设计目的        

2. 设计要求        

3. 设计方案        

3.1八路抢答器的设计框图        

4. 详细电路设计        

4.1电路组成        

4.2按键编码译码锁存显示电路        

4.3控制电路        

4.4计时电路        

5. 电路调试        

5.1调试过程        

5.2调试遇到的问题        

6. 设计总结        

7. 参考文献        

掌握抢答器的工作原理及其设计方法，掌握设计性试验方法。

1.设计制作一个容纳8组参赛队的数字式抢答器，每组设置一抢答按钮供抢答者使用。

2.设计抢答者的输入抢答锁定电路、抢答者序号编码、译码和显示电路。

3.设计定时电路，声、光报警或音乐片驱动电路。

4.设计控制逻辑电路，启动、复位电路。

本抢答器的所实现的功能为：首先上电，此时主持人手中的控制按钮闭合，此使时钟电路的led数码管显示为9，抢答器按键led数码管上什么都没有，当主持人决定开始抢答时打开控制按钮，此时时钟电路的数码管开始进行9到0的10秒钟倒计时，当选手按下抢答器按钮，蜂鸣器发出响声，此使倒计时停止并显示出此刻时间并保持，并且led数码管上会显示出抢答成功的选手的按钮数字，并且会一直保持，直到主持人再次按下控制按钮复位。

抢答按钮电路：可供抢答者抢答使用。

提示电路：无论哪个抢答者按下按钮都会发出提示音，在具体电路中可用蜂鸣器代替。

编码译码电路：将抢答者所按下的按钮号码进行编码和译码，可用cc4511芯片设计完成。

Led显示电路：将抢答者按下的按钮的编号用led数码管显示，可用7位led共阴极数码管完成。

主持人控制按钮：可以提供给主持人控制电路的复位，启动等

控制电路：主持人实现对整个电路的控制。

秒脉冲产生电路：产生1秒钟延迟的脉冲，模拟时可用方波脉冲信号设计。实际当中可用555脉冲产生器。

定时电路：形成9到0的十秒钟倒计时，可用芯片74ls192构成。

显示电路：将9到0的十秒钟倒计时显示出来。可用四位led数码管显示。

本次设计的八路抢答器电路总共由4个部分组成----按键编码译码显示电路，时钟电路，控制电路。如图2为系统总原理图，下面将对各个电路进行详细介绍。

以下为八路抢答器的按键编码译码锁存电路原理图，如图3

此电路以cd4511为主体构成的一个将抢答者按键通过编码译码锁存电路，下面先介绍一下cd4511这个芯片：如图4为cd4511的引脚封装图，如表1为cd4511的真值表。

CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码-七段码译码器。
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。可直接驱动共阴LED数码管。
引脚功能
ABCD：二进制数据输入端
BI：输出消隐控制端
LE：数据锁定控制端
LT：灯测试端
Ya~Yg：数据输出端
VDD：电源正
VSS：电源负
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。
a～g是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。

具体电路分析如下：

例如，当1键按下，A引脚为高电平，此时cd4511芯片输入码为0001，经过译码输出为0110000，此时cdg引脚为100，c引脚为高电平，经过D14二极管导通接入5引脚，使得EL变为高电平，而LI,BI任为高电平，此时CD4511进入锁存状态。而cd4511的每一个输入端都通过一个二极管接入蜂鸣器，所以只要有一个为高电平都能使得蜂鸣器发出响声。

剩下的7的按键都为同理，如表2所示：

表2开关状态对应表

根据cd4511的特性a～g是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。

如图5为本系统的主持人控制电路原理图。
图5控制电路原理图

当主持人按下控制按钮，此时LT为高电平，BI经过开关接入低电平，此时不管EL为何种电平，cd4511都会进入消隐状态完成复位工作。M点接入时钟电路。控制时钟的复位。

如图6为本系统的倒计时电路原理图，实现的功能就是执行9到0的10秒钟倒计时。

P点接入按键编码译码锁存显示电路的cd4511四个输入端所连接的二极管的上方，使得只要有一个输入为1就能使得计时电路停止倒计时。

Q点则接入主持人控制电路，以控制计时电路的复位。

此电路还用到了74ls192芯片，如图7为74ls192的封装图，表3为其功能表

CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。   
LD为预置输入控制端，异步预置。
CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。   
CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，  
BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

所以在设计时将up端接入和~clad端接入高电平，CLR端接入低电平，并预置数设为9即1001，并将方波信号发生器的秒脉冲接入down端，实现9到0的倒计时，将~clad端接入主持人控制电路的开关s9上，也就是将Q点接入M点，实现主持人统一对74ls192进行复位为9。并且将P点接入与cd4511四个输入端的二极管上，使得只要有一个输入为高电平就能使得计时电路停止工作，也就是实现只要有选手抢答成功的一瞬间，倒计时会保留在抢答成功的那个时刻，并显示在数码管上。

根据本系统八路抢答器的工作流程，对系统进行调试，首先上主持人没有打开控制按钮，选手不可以抢答，任何按键按下都不会有反应，倒计时停留在9秒不变，如图8所示：
图8 准备抢答状态

此时主持人决定开始抢答，打开控制按钮，并且计时器开始从9倒计时，并且显示抢答者号码的led显示为0，如图9所示:
若此时有选手按下抢答键，则此时倒计时停止，并且在抢答器数码管上会显示出抢答成功的选手的按钮的号码，并且蜂鸣器会立即发出响声，此时俩者会保持直到主持人按下复位按钮，如图10所示：

若此时需要进行新一轮的抢答，则此时只需要主持人按下控制按钮即可，系统会自动复原。如图11所示。

图11 系统复位图

电路基本达到要求，调试成功。

调试过程遇到了许多问题。

首先是，时钟电路不知道怎么样才能使得选手按下的时候停止时间，后来想到了，蜂鸣器的作用，既然每一个选手按键按下都能使得蜂鸣器发出响声，那也就是每一个选手按键按下都能产生一个不会变化的压降，也就能使得74ls192输入down端的信号不在变化，从而使得计时停止。

其次是，一开的抢答器不成功，当选手按下不进行锁存，后来通过更换软件解决了这个问题。

在本次课程设计中，收获了许许多多的知识，掌握了cd4511和74ls192芯片的功能，并且能够在实际电路中运用，而且还掌握了555构成的秒脉冲发生器，知道了如何运用计数产生各种延时的脉冲，不止是一秒钟。当然设计的过程也不是一帆风顺，在设计延时电路时进行了各种计算，最后算出来的1秒钟在实际电路中也有很大偏差，实在没有找到原因，所以就将延时缩短，从而在实际电路中能够接近于一秒钟。

总的来说，我认为本次课程设计还是比较轻松的，但是在设计过程中我也有些偷懒，比如可以设计成1到10秒的倒计时，可以给抢答者看的更加清晰。这应该也是此次设计可以改进的地方。设计过程中，我也有所体会，不管是学什么都需要有耐心和毅力，态度也很重要。

[1].于天河，薛楠. 基于案例的电子系统设计与实践[M]. 北京：清华大学出版社，2017.1

[2].康华光.电子技术基础：数字部分(第6版)[M]. 北京:高等教育出版社,2016.4

[3].康华光.电子技术基础：模拟部分(第6版)[M]. 北京:高等教育出版社,2016.4