Anhui Vocational & Technical College of Industry & Trade

课程设计综合实训报告

八路数字显示抢答器

课程设计综合实训任务书

在这个竞争激烈的社会中，知识竞赛，评选优胜，选拔人才之类的活动愈加频繁。在竞赛中，都是多个选手一起参加，如果采用举手回答问题的这个方式来进行竞赛已经不适应社会的需要。并且在主持人提出的问题时候，如果让选手用举手等方法来进行抢答，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。而在当今社会里，比赛要追求准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这时候智能抢答器就派上用场了。智能抢答器是一种应用十分广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它都能客观、迅速地判别出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只是由几个三极管、可控硅、发光管等器件组成的，能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数智能抢答器都由单片机或数字集成电路构成的，并且新增了许多功能，如选手号码显示，抢按前或抢按后的计时，选手得分显示等功能。随着科技的发展，现在的抢答器向着数字化、智能化的方向发展，这就必然提高了智能抢答器的制造成本。鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器肯定很有市场。因此，我选择简易逻辑数字抢答器这一课题。八路智能抢答器主要由数字优先编码电路、锁存译码驱动电路于一体的CD4511集成电路、数码显示电路和报警电路组成。优先编码电路、CD4511集成电路将参赛队的输入信号在数码显示管上输出，用报警电路对时间进行严格控制，这样就构成了八路智能抢答器电路。

抢答器是一个机关学校开展智力竞赛活动必不可少的设备，广泛应用于学校、教育部门、企事业工会组织、俱乐部等单位组织举办各种知识、技术竞赛及文娱活动时作抢答使用。但抢答器的使用频率校低，且有的要么制作复杂，要么可靠性低，质量较差。作为一个单位若专购一台抢答器虽然在经济上可以承受，但每年使用的次数极少，往往因长期存放使抢答器损坏，再购置的麻烦和及时性就会影响活动的开展。目前多数智能抢答器存在一下几点不足：首先，现场线路连接复杂。因为每个选手位于抢答现场的不同位置，每个选手与控制台之间要有长长的连接线。选手越多，连接线就越多、越乱，这些连接线不仅影响了现场的美观，而且降低了抢答器的可靠性，增加了安装的难度，甚至影响了现场人员的走动。其次，电路复杂。因为简单逻辑电路只完成号码处理、计时、数据运算等功能，其它功能如选手号码的识别、译码、计分显示等仍只能通过数字集成电路完成。采用简单逻辑电路扫描技术识别选手抢按号码时，电路的延迟时间较大。最后，容易出现选手抢按成功现象。

一、 设计任务、要求及方案

（一）设计任务

1、每天的实训内容：

周一和周二进行焊接练习，周三焊接练习、元器件的识别与质量检测，产品包装与焊接调试。

周四元器件安装于焊接、调试及产品外包装的设计和实习报告的撰写。

周五实习报告撰写和成绩考核与考评。

2、设计并制作

（1）通过自己对课本的知识的学习与应用和小组一起设计一个电子产品，并画出它的电路图，标出图上元件符号及其参数。

（2）根据电路图上的元件及其参数在附近商场或是在网上买到电路图上所需的元件。

3、元件及其测量工作.

（1）买到元件后检查元件是否损坏,检查元件的个数是否正常。

（2）对元件进行测量测出元件工作参数对照电路图找出相应位置。

4、用元件连接电路并调试成功。

（二）设计要求

根据实验原理和实验器材设计所需要的电路模型，完成实验步骤和实验过程，得出结论。

1、焊接所注意的事项：

（1）设计的方法和原理。

焊接一般分四步骤进行：

准备焊接：清洁被焊元件处的积尘及油污，再将被焊元器件周围的元器左右掰一掰，让电烙铁可以触到被焊元器件的焊锡处，以免烙铁头伸向焊接处时烫坏其他元器件。焊接新的元器件时，应对元器件引线镀锡。

加热焊接：将沾有少许焊锡和松香的电烙铁头接触被焊元器件约几秒钟。若是要拆下硬刷板上的元器件，则待烙铁头加热后，用手或镊子轻松拉动元器件，看是否可以取下。

清理焊接面：若所焊部位焊锡过多，可以将烙铁头上的焊锡甩掉（注意不要烫伤皮肤，也不要甩到硬刷电路板上）用光烙锡头“沾”些焊锡出来。若焊点焊锡过少，不圆滑时，可以用电烙铁“蘸”些焊锡对点进行补焊。

检查焊点：看焊点是否圆润、光亮、牢固，是否与周围元器件连焊的现象。

（2）造成焊接质量不高的常见原因是：

焊锡用量过多，形成焊点的锡堆积；焊锡过少，不足以包裹焊点。

冷焊。焊接时烙铁温度过低或加热时间不足，焊锡未完全融化、侵润、焊锡表面不光亮(不光滑)，有细小裂纹（如同豆腐渣一样）

夹松香焊接，焊锡与元器件或印刷板之间夹着一层松香，造成电接不良。若夹杂加热不足的松香，则焊点下有一层黄褐色松香膜，若加热温度不高，则焊点下有一层碳化松香黑色膜。对于有加热不足的松香膜的情况。可以用烙铁进行补焊。对于已形成黑膜的，则要“吃”进焊锡，清洁被焊元器件或印刷板表面，重新进行焊接才行。

焊锡连桥：指焊锡量过多，造成元器件的焊点之间短路。对于超小元器件及细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。

焊剂过量：焊点明围松香残渣过多，当少量松香残留时，可以用电烙铁再轻轻加热一下，让松香挥发掉，也可以用蘸有无水酒精的棉球，擦去多余的松香或焊剂。

焊接表面的焊锡形成尖锐的突尖，这是由于加热温度不足或焊剂过少，以及烙铁离开焊点时角度不大造成的。

（三）设计方案

1、八路数字抢答器总体方框图

如图所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始抢”答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。

2、单元电路设计

（1）抢答器电路

设计电路如图所示。电路选用优先编码器74LS148 和锁存器74LS297 来完成。该电路主要完成两个功能：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（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S置于"清除"端时，RS触发器的R、S端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的优先编码工作标志端（图中5号端）＝0，使之处于工作状态。当开关S置于"开始"时，抢答抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路译码显示主持人控制开关控制电路报警电路秒脉冲产生电路定时电路译码电路显示电路4 器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，CTR=1,RBO(图中4端) =1,七段显示电路74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR＝１，使74LS148 优先编码工作标志端（图中5号端）＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为CTR＝１，使优先编码工作标志端（图中5号端）＝１，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。74LS148为8线－3线优先编码器，表1为其功能表。

（2）定时电路

该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图3所示。两块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管DPY_7-SEG 上，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，2BO输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效。下面结合图4具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。结合图4，图中电容C的放电时间和充电时间分别为221InCRtCR270，CRRInCRRt)(702)(21212于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为CRRttf)2(43112121，结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得ZHf1，即秒脉冲。

（3）报警电路

ui1 ui2 uO T的工作状态0 1 1 1 1××0 1 1 0 0 导通截止截止导通导通由555定时器和三极管构成的报警电路如图5示。其中NE555构成多谐振荡器，振荡频率0f＝1.43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬7 声器。PR为时序控制电路输出的控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。

（4）时序控制电路

时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：

①主持人将控制开关拨到

"开始"位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。

②当参赛选手按动抢答按键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。

③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器自动报警，表示此次抢答无效。

根据上面的功能要求以及图2设计的时序控制电路如图6所示。图中，与门G1 的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端（即图二中的5端）。图4的工作原理是：主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图2中的74LS279的输出1Q,即CTR=0，经G3反相，输出为1，则NE555产生的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端（图中用CLCK表示接入到74LS192CPD端的信号），定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则"定时到信号"为1，门G2的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求。当选手在定时时间内按动抢答按键时，CTR＝1，经G3反相，输出为0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求。当定时时间到时，则"定时到信号"为0，/ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关门状态，封锁时钟CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能③的要求。集成单稳态触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间（其功能表见表3）具体原理如下：主要由555时钟电路（用于控制报警声音频率）、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。单稳态触发器74121通过信号/Ys、

BO2、S控制报警与否和报警时间，555时钟电路产生脉冲时钟。在规定的时间有人抢答时，/Ys由1跳变到0，74121有状态2（见表3状态编码），即Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警，持续时间为wt=4.3秒；如果在规定时间内无人抢答，BO2由1跳变到0，74121有状态1，Q输出暂态高电平，蜂鸣器连续发声报警持续时间为wt

3、在设计过程中发现的问题和所做的改进

（1）选手号码的显示问题：

在设计过程中，我们发现按下抢答按钮后，我们希望其在七段数码显示管上显示的选手号码是1到8，这样符合我们一般的思维，而按照我们一开始所做的设计，数码管只能显示0到7，我们在认真研究体设计方案和7448译码器的功能表（见表四）后，发现解决此问题10 只须将显示0改为显示8，而其他的显示则不改变。由表四可以看出，有两种方案可供选择：1是将7448的A3端置1，其他位置0；2是将图2中的4端置1，其他位不管。但是在计时未到时，4端始终为低电平，所以如果采用方案2的话，我们的整设计就将全部打乱，故方案2不可取。我们采用了方案1。我们通过观察表四看出，只有在字形（见表四）为0时，/A2/A1/A0=1,其他均为0。于是我们就将A2、A1A0  三端先接入非门7404，然后将他们接入与门7408，7408的输出接7446的A3端，这样就实现了显示8的功能，其他的数码的显示并无影响。

（2）在计时结束时让选手号码显示牌显示0而不是8的问题。承1中所述，我们实现了选手号码显示8的问题，但随之而来的是当计时结束时因为A2、A1、A0均为零，导致我们在做出（1）中所述改动后，选手号码显示牌上显示的为8而不是我们要求的0。此时我们仍然是通过研究我们的总体电路图来解决这个问题的。我们知道，只有在字形（见表四）为0时，/A2/A1/A0=1，其他时候其值均为0。当计时时间到时，定时到信号输出为0，若将定时到时间信号与/A1、/A2、/A0一起接入与门，然后再接入到A3端的话，那么在定时到时，A3、A2、A1、A0均为0，经7448译码输出即为0。

（3）主持人按下抢答按键时选手号码牌显示为7而不是我们要求的0的问题。在电路焊接过程中，我们在主持人的按键选择上选择了点触式开关，因为未对这种开关做细致的分析，我们发现每次主持人按下抢答按键选手号码显示牌上总是为7。经过我们的认真分析，我们找到了原因，是我们的开关选择出了问题。点触式开关在按下后马上又弹起，此即问题的所在。于是我们很快将其更换为单刀双置开关，问题得到了解决。

（4）显示电路显示不稳定的问题。在完成电路的焊接，进入调试阶段时，我们的抢答器显示电路出现了不稳定的问题。主要表现在当我们在完成一轮抢答后对计时时间进行重新设定时，显示部分会出现乱码的现象。开始我们以为是芯片出了问题，于是对芯片进行了逐个排查，确定芯片没有损坏后，我们开始检查导线的焊接情况。我们利用万用表对接线处逐个进行了排查，最后发现某芯片的一个引脚处的导线松了。我们对导线进行了重新焊接，过后系统恢复了稳定。

二、  八路数字显示抢答器设计与制作

（一）电路设计

1、元件清单：

3、工作原理：

如图所示为抢答器的结构框图。电路完成了基本的抢答功能，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。而报警电路则是起到提示作用。其工作原理为：接通电源后，当主持人按下复位键，宣布开始。选手即可开始抢答，当选手按下抢答键后，抢答器完成：编码、优先锁存、译码、数码显示。当一轮抢答之后，只有主持人按下复位键，才能进行下一轮抢答，否则抢答无效。

（1）开始上电之后，主持人按复位键，抢答开始。如有选手按下抢答键，报警电路会发出讯响声，并且数码显示电路上会显示成功抢答的选手的编号。

（2）当有选手抢答成功之后，系统就进行了优先锁存，其他抢答选手抢答无效。如果主持人未按下复位键，而有人按了抢答按键，此次抢答无效。

（3）只有当主持人按下了复位键，选手才能进行顺利抢答。总而言之，本课题利用简单逻辑数字电路设计了智能抢答器，该抢答器具有基本的强大功能，提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，但是此抢答器功能还不够强大，还有很多功能无法实现，需要我们继续学习和研究。

（二）电路制作：

1、工具使用：

（1）烙铁的使用：

课程设计中，要焊接电路板上的元件，需要使用电烙铁，且对它的要求也很高。这是因为各个元器件体积小，集成化很高，印制电路精细，焊盘小。若电烙铁选择不当，在焊接过程中很容易造成人为故障，如虚焊、短路甚至焊坏电路板，所以要尽可能选用高档一些的电烙铁，如用恒温调温防静电电烙铁。另外，一些大器件如屏蔽罩的焊接，要采用大功率电烙铁，所以还要准备一把普通的60W以上的粗头电烙铁。

（2）万用表的使用：

①指针表读取精度较差，但指针摆动的过程比较直观，其摆动速度幅度有时也能比较客观地反映了被测量的大小（比如测电视机数据总线（SDL）在传送数据时的轻微抖动）；数字表读数直观，但数字变化的过程看起来很杂乱，不太容易观看。

②指针表内一般有两块电池，一块低电压的1.5V，一块是高电压的9V或15V，其黑表笔相对红表笔来说是正端。数字表则常用一块6V或9V的电池。在电阻档，指针表的表笔输出电流相对数字表来说要大很多，用R×1Ω档可以使扬声器发出响亮的“哒”声，用R×10kΩ档甚至可以点亮发光二极管（LED）。

③在电压档，指针表内阻相对数字表来说比较小，测量精度相比较差。某些高电压微电流的场合甚至无法测准，因为其内阻会对被测电路造成影响（比如在测电视机显像管的加速级电压时测量值会比实际值低很多）。数字表电压档的内阻很大，至少在兆欧级，对被测电路影响很小。但极高的输出阻抗使其易受感应电压的影响，在一些电磁干扰比较强的场合测出的数据可能是虚的。

④总之，在相对来说大电流高电压的模拟电路测量中适用指针表，比如电视机、音响功放。在低电压小电流的数字电路测量中适用数字表，比如BP机、手机等。不是绝对的，可根据情况选用指针表和数字表。

2、元器件检测与组装

（1）电阻

重要的是要选好量程，当指针指示于1/3～2/3满量程时测量精度最高，读数最准确。要注意的是，在用R×10k电阻档测兆欧级的大阻值电阻时，不可将手指捏在电阻两端，这样人体电阻会使测量结果偏小。

（2）电容

用电阻档，根据电容容量选择适当的量程，并注意测量时对于电解电容黑表笔要接电容正极。

①估测微波法级电容容量的大小：可凭经验或参照相同容量的标准电容，根据指针摆动的最大幅度来判定。所参照的电容不必耐压值也一样，只要容量相同即可，例如估测一个100μF/250V的电容可用一个100μF/25V的电容来参照，只要它们指针摆动最大幅度一样，即可断定容量一样。

②估测皮法级电容容量大小：要用R×10kΩ档，但只能测到1000pF以上的电容。对1000pF或稍大一点的电容，只要表针稍有摆动，即可认为容量够了。

③测电容是否漏电：对一千微法以上的电容，可先用R×10Ω档将其快速充电，并初步估测电容容量，然后改到R×1kΩ档继续测一会儿，这时指针不应回返，而应停在或十分接近∞处，否则就是有漏电现象。对一些几十微法以下的定时或振荡电容（比如彩电开关电源的振荡电容），对其漏电特性要求非常高，只要稍有漏电就不能用，这时可在R×1kΩ档充完电后再改用R×10kΩ档继续测量，同样表针应停在∞处而不应回返。

（3）三极管

对于常见的进口型号的大功率塑封管，其c极基本都是在中间（我还没见过b在中间的）。中、小功率管有的b极可能在中间。比如常用的9014三极管及其系列的其它型号三极管、2SC1815、2N5401、2N5551等三极管，其b极有的在就中间。当然它们也有c极在中间的。所以在维修更换三极管时，尤其是这些小功率三极管，不可拿来就按原样直接安上，一定要先测一下。仅用万用表作为检测工具的集成电路的检测方法用电阻档，根据电容容量选择适当的量程，并注意测量时对于电解电容黑表笔要接电容正极。

3、元器件的组装

讲将测好的各类元器件按照装配图进行组装。装配图如下：

4、电路的焊接

用电烙铁与焊锡丝将各个元器件焊接在电路板上：a左手拿焊锡丝，右手拿电烙铁。b把电烙铁以45度左右夹角与焊盘接触，加热焊盘。c待焊盘达到温度时，同样从与焊板成45度左右夹角方向送焊锡丝。d待焊锡丝熔化一定量时，迅速撤离焊锡丝。e最后撤离电烙铁，撤离时沿铜丝竖直向上或沿与电路板的夹角45度角方向。在焊接的过程中，我们应该注意：焊接的时间不能太久，大概心里默数1,2即可，然后再撤离焊锡丝，再撤离电烙铁，在撤离电烙铁时，也一样心里默数1、2即可；焊锡要适量，少了可能虚焊。在焊的过程中，出现虚焊或则焊接不好，要把焊锡焊掉，重新再焊。在吧焊锡焊掉的过程中，左手拿这吸锡器，右手拿着电烙铁，先把电烙铁以45度左右夹角与焊盘接触，加热焊锡，再将吸锡器靠近焊锡，按下吸锡器的按钮，就可以吧焊锡焊掉，重复多次，就可清除焊盘上的焊锡，注意不要将焊盘加热太久，以免把焊盘的铜给焊掉。

5、工艺检查

将做好的八路显示抢答器通入5V直流电，进行调试。若果能够正常运行则说明该抢答器是好的，符合要求。若果不能够正常工作，则要检查电路设计是否合理、各个元器件焊接是否正确以及有没有出现虚焊漏焊等现象。及时排除故障并进行调试。

总  结

本设计详细介绍了八路智能抢答器的设计方案和功能。这种八路智能抢答器主要是基于CD4511集成芯片，成本较低，且基本能够使用于学校和一些企业的活动中。本设计主要讲述了智能抢答器的工作原理和工作过程。在说明工作原理的过程中，突出了抢答器设计中基本电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能；结合本设计的内容，指出了各单元电路的设计方法和意义，以及如何进行抢答控制。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。电路设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在单元电路的理解和设计上面。很多单元电路是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个单元电路才是关键的问题所在。经过这段时间的努力，在老师和同学的帮助下终于彻底的做完了毕业设计的所有工作。通过这次的毕业设计，我能运用已学的知识解决我在设计中遇到的问题，使我思考问题的能力得到了很大的提高。在做设计的过程中我查阅了很多的资料，并认真的阅读这些与我的设计相关的资料，从而我的专业涵养得到了提高知识的储备量也有所增加。在做设计时，我复习了很多专业课的知识，这使得我的专业知识在离校之前得到了巩固。通过这次毕业设计，我也发现自己的很多不足之处。在设计过程中我发现自己考虑问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢固，所掌握的电路应用软件还不够多，我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。而且，通过这次设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的学习做出了最好的榜样！我将会在以后的学习和生活中不断提升自己。

参考文献

1.电子技术（课程设计指导书）

2.电子产品制作工艺设计下载本文