摘要

该设计数字抢答器是利用数字电子技术实现的，可以广泛用于各种竞赛，确保竞赛的准确、公平。该数字抢答器虽然可以用单片机程序来完成，但繁琐和代价高，而用集成电路设计制作抢答器则更方便且价格便宜，还易于扩展。

用数字、模拟电子器件设计的抢答器，主要为了实现抢答，显示，发声功能，抢答器数字优先编码电路由d1-d12组成，实现数字的编码。cd4511是一块含bcd-7段锁存/译码/驱动电路于--体的集成电路。抢答器报警电路由ne555接成音多谐振荡器构成。抢答器数码显示电路由数码管组成，输入的bcd码自动地由cd4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示。经过布线、焊接、调试等工作成功设计出八路抢答器。

关键字: cd4511，编码，译码，抢答器

 

 

 

abstract

the designed digital responder is realized by using digital electronic technology. it can be widely used in various competitions to ensure the accuracy and fairness of the competition. although the digital responder can be completed by single chip microcomputer program, it is cumbersome and expensive. using integrated circuit to design and make the responder is more convenient, cheap and easy to expand.

the responder designed with digital and analog electronic devices is mainly to realize the functions of responder, display and sound. the digital priority coding circuit of responder is composed of d1-d12 to realize digital coding. cd4511 is an integrated circuit with bcd-7 latch / decode / drive circuit. the alarm circuit of the responder is composed of ne555 connected into a tone multivibrator. the digital display circuit of the responder is composed of a nixie tube. the input bcd code is automatically decoded into a decimal number by the internal circuit of cd4511 and displayed on the nixie tube. after wiring, welding and debugging, an eight way responder is successfully designed.

keywords: cd4511, encoding, decoding, responder

第1章 绪论

1.1课题研究的背景

现在人们的日常工作中，或者是闲暇娱乐时会举办许多大大小小的竞赛，针对主持人提出的问题进行抢答，如果是举手抢答，在某种程度上很容易因为主观错误的判断造成比赛的不公平。比赛中为了准确、公平、直观地判断出第一位抢答者，就需要一个抢答器作为裁判员，当第一位抢答者按下抢答键后，数码管便会显示抢答者的编号，从而公平公正的完成一次抢答。

抢答器又称第一信号鉴别器[1]，广泛的应用于知识竞赛和文娱活动等场合，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手，早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辨认出选手号码。近年来，随着科技的飞速发展，芯片和小型集成电路的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异[2]。现在的抢答器朝着数字化、智能化的方向发展，这就导致抢答器的成本在不断提高。由于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，不需要那么多复杂的功能，经济实用的小型抢答器十分的适合此类情况，本次设计就是利用cd4511作为核心部件进行逻辑控制及信号产生，制作一个简易逻辑的八路抢答器，利用芯片本身的优势使竞赛真正达到公正、公平、公开的同时降低小型竞赛的成本。

1.2 国内外研究现状

抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合，但目前所使用的抢答器有的电路较复杂不便于制作，可靠性低，实现起来很困难；有的则用一些专用的集成块，而专用集成块的购买有很困难。为适应高校等多代表队单位活动的需要而设计一个多功能抢答器，

在科学技术发展如此之快的今天，社会竞争也变得越来越激烈，知识竞赛之类的活
动也越来越频繁。如此，传统的举手回答并依靠人眼来判断抢答的先后顺序已明显跟不
上潮流，为此我们需要一种能够公正准确的判断出第一位抢答者的电子仪器来替代传统的方法。
    早期抢答器十分简单，是由三极管发光管等组成，识别选手的号码只能通过发光管的指示。而在电子技术发展了几十年后的今天，我们已经可以采用数字集成电路或单片机来制作抢答器，并由此带来了许多新的功能。
    当今。抢答器一般分为电子抢答器和电脑抢答器。一般而言，电脑抢答器因为可以将它与电脑投影仪等设备相连接所以适合大型的活动:而电子抢答器因为其简单方便的
特点比较适合于中小型企业及学校进行使用。本次设计的就是电子抢答器。目前市场上抢答器种类繁多，功能各异，价格差异也很大。而我国抢答器系统行业正逐步走出低谷，且该行亚民经基本走出了全国经济萧条的低迷期。与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。

1.3 课题研究的内容

八路智能抢答器是采用了cd4511集成芯片来实现功能要求的，在抢答过程中，每个选手都有一个抢答按钮。在主持人按下复位键宣布抢答开始的时候，选手就开始进行抢答，在指定时间内选手进行抢答，数码显示屏上会显示最先抢答选手的编号，同时蜂鸣器发出“滴”的一声，代表抢答成功。一轮抢答结束后，主持人可按复位键，新一轮抢答开始。

通过研究并在设计验证后发现，和采用单片机设计的抢答器相比，使用集成电路设计的八路抢答器电路连接简单，因为大多数功能单元都通过程序设计在单片机内部，并且，工作性能可靠，抗干扰能力优于目前抢答器。所以本次设计是一个实用的工程设计，具有创新性。

第2章 系统方案设计及论证

八路智能抢答器的主要功能有如下三点:

1. 可同时供8名选手参加比赛，其相应的编码分别是0、1、2、3、4、5、6、7,各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应。

2. 给主持人设置一个复位开关，用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯)。

3. 抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在led数码管上显示出选手的编号，同时蜂鸣器发出“滴”的一声提示。

 

2.1 抢答部分

参考电路如图2-1所示，s1- s8组成1-8路抢答器，d1-d12 组成数字编码器该电路完成的功能是:通过编码二极管编成bcd码，将高电平加到cd4511所对应的输入端。从cd4511的引脚可以看出，引脚6，2，1，7分别为bcd码的d、c、b、a位(d这高位，a为低位，即d、c、b、a分别代表bcd码8、4、2、1位)。

 

工作过程:当电路上电，主持人按下复位键，选手就可以开始抢答。当选手1按下s1抢答键，高电平通过编码二极管d1加到cd4511集成芯片的7脚(a位)，7脚为高电平，1、2、6脚保持低电平，此时cd4511输入bcd码为“0001”; 当选手2按下s2抢答键，高电平通过编码二极管d2加到cd4511集成芯片的1脚(b位)，1脚为高电平，2、6、7脚保持低电平，此时cd4511 输入bcd码为“0010”;当选手3按下s3 抢答键，高电平通过编码二.极管d3、d4加到cd4511集成芯片的1、7脚(b、a位),脚为高电平，1、6、7脚保持低电平，此时cd4511输入bcd码为“0100”; 当选手5按下s5抢答键，高电平通过编码二=极管d6、d7加到cd4511集成芯片的2、7脚(c、a位)，2、7脚为高电平，1、6脚保持低电平，此时cd4511输入bcd码为“0101”;当选手6按下s6抢答键，高电平通过编码二=极管d8、d9加到cd4511集成芯片的1.2脚(b、c位)，1、2脚为高电平，6、7脚保持低电平，此时cd4511输入bcd码为“0110”; 当选手7按下s7抢答键,高电平通过编码二极管d10、d11.d12加到cd4511.集成芯片的1、2、7cd4511输入bcd码为“0111”;当选手8按下 s8抢答键，高电平加到cd4511集成脚(b、c、a位)，1、2、7脚为高电平，6脚保持低电平，此时cd4511输入bcd码为“0111”;当选手8按下 s8抢答键，高电平加到cd4511集成码为“1000”。输入的 bcd码就是键的号码，并自动地由cd4511 内部电路译码成十进制数在数码管上显示。

2.2主控制部分 因为cd4511是一个用于驱动共阴极led(数码管)显示器的bcd码一至七段码译码器,特点: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。可以直接驱动led显示器。 cd4511是一片cmos bcd-锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如图2-2-1所示。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- -直显示数码“8”，各笔段都会被点亮，用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。另外，cd4511显示数“6”时，a段消隐;显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，不太好看。
各与脚的名称:其中7、1、2、6分别表示bcd码的a、b、c、d位;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;上边的引脚表示输入，下边的引脚表示输出;还有两个引脚8、16 分别表示的是vdd、vss。

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”。如果该端为低电平，则译码器输出全为高电平，该端拥有最高级别权限，只要它为0，既有上述现象，而与其余所有输入端状态无关。这一功能主要用于测试目的，因此正常使用中应接高电平。

le: 5脚是锁定控制端。当bi、lt为1时，若该端为高电平，则加在a、b、c、d端的外部编码信息不能进入译码，所以译码器的输出状态保持不变;当le=0时，则a、b、c、d端的bcd码一经改变，译码器就立即输出新的译码值。

a、b、c、d: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。

（1）译码驱动功能

编码器实现了对开关信号的编码，并以bcd码的形式输出，为了将输出的bcd码能够显示出来，需要用译码显示电路，选择常用的七段译码显示驱动器cd4511作为译码电路。cd4511真值表如图3-2-4所示。

   编码器实现了对开关信号的编码，并以bcd码的形式输出，为了将输出的bcd码能够显示出来，需要用译码显示电路，选择常用的七段译码显示驱动器cd4511作为译码电路。cd4511真值表如图3-2-4所示。

cd4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据b、c进行组合，得出四项，然后将输入的数据a、d一起用或非门译码。

（2）锁存优先功能

由于抢答器都是多路即须满足多位抢答者抢答要求，这就有一个先后判定的锁存优先电路，确保第一个抢答信号锁存住。同时数码显示并拒绝后面抢答信号的干扰。cd4511内部电路与q1，r7，r8， d13， d14 组成的控制电路可完成这一功能。 当抢答键都未按下时，因为cd4511 的bcd码输入端都有接地电阻( 10k)，所以bcd码的输入端为“0000”，则cd4511的输出端a、b、c、d、e、f均为高电平，g为低电平。通过对0-9这10 个数字的分析(见图2-2-2锁存优先功能电路图)可以看到，只当数字为0时，才出现d为高电平，而g为低度电平，这时q1导通，d13、d14的阳极均为低电平，使cd4511的第5脚(即le端)为低电平“0”，这种状态下，cd4511没有锁存而允许bcd码输入。在抢答准备阶段，主持人会按复位键，数显为“0”态，正是这种情况下，抢答开始，当s1-s8 任一键按下时，cd4511的输出端d为低电半或输出端g为高电平，迫使cd4511的第5脚(即le端)由0到1,反映抢答键信号的bcd码允许输入，并使cd4511的a、b、c、d、e、f、g七个输出锁存保持在le为0时输入的bcd码的显示状态。例如s1按下，数码管应显示1,此时仅e、f为高电平，而d为低电平，此时三极管q1的基极亦为低电平，集电极为高电平，经d13加至cd4511第5脚(即le端)，即le由0-1状态，则在le为“0”时输入给cd4511的第一个bcd码数据被判定优先而锁存，所以数码管显示对应s1送来的信号是1, s1之后的任一按键信号都不显示。为了进行下一.题的抢答，主持人需要按下复位键s9，清除锁存器内的数值，数显先是熄灭一下，再复显“0”状态，此后若s5键第一下，再复显“0”状态，此后若s5键第一个按下，这时应立即显“5”，与此同时cd4511一个按下，这时应立即显“5”，与此同时cd4511的输出端14脚g为高电平，10脚d为低电平，12 脚b为低电平，q1截止，并通过d14的输出端14脚g为高电平，10脚d为低电平，12 脚b为低电平，q1截止，并通过d14使cd4511的第4脚为高电平，此时le呈0-1状态，于是电路判定优先锁存，后边输入的其它按键信号被封住，可见电路“优先锁存”后，任何抢答键均失去作用。

 

2.3抢答器设计中的数码显示电路

共阴式led数码管的原理图（图2-3-1数码显示原理图），使用时，共阴极接地，7个阳极a-g由相应的bcd七段译码器来驱动。数码管接0.5寸共阴数码管。

 

 

第3章 硬件电路设计

硬件设计主要包括以下几个模块：抢答器中的抢答复位以及发声电路，锁存显示电路。下面对电路分模块进行详细说明。

3.1 抢答复位以及发声电路

当s1-s8按键中的一个按键被按下，经过编译电路后，abcd码对应输入0000-1000这八个16进制数中的一个，输出对应输出1-8的数字的段码，1、2、6、7四个管脚最少有一个会为高电平，4脚（bi）为消隐端，bi为0时输出全为0，起初此脚通过r7上拉置高电平，当s9按下此脚置低电平，复位显示0，所以每按下一个键，蜂鸣器都会发声。

3.2 锁存显示电路

5脚（le） 为锁存允许端，当le由“0”变为“1”时，输出保持le为“0”时的显示状态，当输出端有输出显示某个数字之后，此脚也跟着由“0”变为“1”所以能够锁定显示的数字。

 

第4章 软件设计

4.1 概述

 整个抢答器上电后，数码管显示0，开始进行抢答，8个按键中哪一个按键最先被按下，数码管马上显示最先被按下按键的编号，并锁定显示，表示此编号的人抢答成功，其他抢答编号按键进入失效状态，只有按下复位按键，并且数码管清零，才可以进行新一轮的抢答。

4.2 proteus仿真结果

4.3 pcb设计图

 

第5章 系统实物调试

在第一次的焊接中，芯片被我焊错了方向，差点导致芯片被烧毁，幸好及时发现，因为芯片的引脚很密，融化焊点再重新焊接并不容易，在咨询了一些修电脑的师傅后，告诉我们其实芯片底座焊反了是没有关系的，底座只是相当于引线，芯片掉个头就行了，我们才恍然大悟，其实这个原理我们都知道，但是我们在追求标准的同时却忘记了如何去变通，最后终于成功的点亮了数码管。

 

 

第6章 结论

这次的课程设计虽然电路并不是非常复杂，就是利用cd4511作为核心部件进行逻辑控制及信号产生，制作一个简易逻辑的八路抢答器，利用芯片本身的优势使竞赛真正达到公正、公平、公开的同时降低小型竞赛的成本，但是在细节处却是存在许多的问题，我们在设计的过程中需要进行逐步的调整，排查并解决问题，需要不断的反复实践仿真，过程有些枯燥无味，却又必不可少。最后通过多次对电路的改进，仿真以及接线调试，终于使整个电路稳定工作。

实践中的电路与仿真中的电路存在一定的差别，让我感受到了理论与实际相结合的重要性，在课堂上，我们都已经掌握了不少理论知识，按理来说设计一个八路抢答器并不算什么难事，可是在一遍又一遍的实验中，我们逐渐发现光有理论是远远不够的，我们要在理论的基础上去实现现实中的操作，比方说我们这次设计所用的cd4511芯片，在仿真时，proteus已经贴心的将vcc和gnd接口接在了电源和接地上，可是cd4511芯片的实物vcc和gnd需要自己手动连接，因为多了两个引脚，实物图的引脚排列方式也和仿真元器件的排列方式有点细微的区别，需要在焊接时更加的细心。

经过这次的课程设计，我学习到了许多知识，并且在设计前一定要想清楚设计思路，思路一乱，成品要做出来就会是一件很难的事，所以在设计前应当做好充分的准备，多翻阅些类似设计的资料，为设计打下一个良好的基础，通过这次的课程设计，也使得我的理论知识与实践结合的更好，培养了我的设计思维，增强了我的动手能力，虽然之前有过焊接的经验，但是像芯片这样引脚较密的元器件还是第一次焊，需要更加的专注和小心，在最后进行实物调试的时候，因为时间比较紧，又是周末，进不了实验室，于是我们拆解了一个5v的手机充电线，给实物接上电源，成功让抢答器进行了一次又一次的抢答过程，蜂鸣器发出的“滴滴”声，就像在恭喜我们的设计成功一样。

 

参考文献

[1]戴文雯.基于单片机的多功能抢答器设计[]. 电子产品世界,2014,01:63-65.
[2]张翠云.基于at89c51的八路抢答器的设计[].机电工程技术,2014,08:25-28.
[3]吕红娟. 单片机控制的八路抢答器的设计与制作[i].现代电子技术2014,18:124-126.
[4]何伶俐.基于stc89c52的四路抢答器设计[j].科技致富向导,2012,09:106+311.
[5]陈彦彬. 基于led模组多功能智能抢答器设计与制作[j]. 现代电子技术,2013,04:162-
164+167.
[6]臧殿红.基于at89s51的八路抢答器的设计[j].科技信息,201 ,25:518+530.
[7]林喆,孙清,于莹莹. 基于stc89c52的单片机开发系统的设计与研究[]. 电大理工,
2011,03:9-11.
[8]谢道平. 基于proteus仿真的单片机多功能智能抢答器的设计[j]. 长春大学学报,
2011,10:12-15.
[9]薛建国，黄黎红,郑志霞.基于stc89c52的高精度数字相位测量方法设计[].华北水利水
电学院学报,2006,01:65-67.
[10]孙军辉、 基于单片机应用的多路无线抢答器的设计[j]. 中国现代教育装备,2012.11:7-
8+12.
[11]祁健. - -种无线智能抢答器的研究和设计[j].无线互联科技,2012,12:79.
[12]康丽杰,康迪.基于单片机的8路抢答器简单设计[].信息系统工程,2010,02:60-61.
[13]卢飞跃. 基于单片机的多路红外遥控定时抢答器的设计[]. 机电工程技术,2010,08:92-
94+113+201.
[14]王文峰.数码显示八路抢答器的设计[j].井冈山师范学院学报2000,05:20-21.
[15]汤德荣.基于八路无线抢答器的设计[]. 赤峰学院学报(自然科学版),2009,12:60-

致谢

本设计能够顺利的完成离不开我们小组成员的共同合作，同样的离不开老师的细心指导，这一次的课程设计有很多让我能够学习的地方，我们同组的成员也在困难中进步，在困难中成长，团队协作是我感受最深的一点，这一次的课程设计时间比较紧俏，其中又掺杂了很多考试，所以团队的力量就体现出来了，在老师和我们共同的努力下，成功完成了这一次的课程设计，虽然我们设计的是老师课本上教过，不过创新是我们的致胜武器，用更加简单的电路实现相同的功能，最后的成果也是不负众望，在这还是要感谢老师和我的组员，大家辛苦了！