【数字电路】八路智力抢答器设计

1 项目简介

  这是一个基于CD4511BE开发的八路抢答器，能准确、公正、直观地判断出优先抢答者的编号，让知识竞赛、文体娱乐活动（抢答赛活动）更加公平公正。

2 总体设计方案

  八路抢答器项目系统整体框图如图2-1所示，使用USB-5V电源供电，控制部分使用CD4511BE锁存译码器驱动，当有抢答按键按下时，CD4511BE将优先锁存最先按下的按键信息，数码管对应显示编号，NE555定时器电路进行工作，使蜂鸣器发声报警，按下复位按键进行重置清零，可供继续抢答。

图2-1 八路抢答器系统整体框图

3 电路原理

  八路智力抢答器设计主要由电源输入、锁存译码器驱动控制、抢答及复位开关、数码管显示和定时器驱动蜂鸣器发声报警五部分模块电路所组成，下文对各模块电路原理进行分析。

3.1 电源电路

  电源部分主要是Micro USB母座作为电源输入口，SW1是拨动开关，C2/C3作为电源滤波电容。USB接口是整个项目设计里唯一的贴片元件。

图3-1 电源输入电路

3.2 开关电路

  开关阵列电路由八个按键及开关管所组成，抢答按键供竞赛者使用。开关为常开型，当按下开关时，开关闭合，进行抢答；当松开开关时，开关自动弹开断出。复位按键供主持人使用，当复位键按下时，BI#被拉为低电平，显示清零，电路处于待抢答状态，进入下轮抢答。

 

图3-2 开关电路

 

3.3 控制电路

  主控采用CD4511BE锁存解码器，作用是将某一开关信息转化为相应的8421BCD码，锁存优先抢答的开关信息，防止其它开关触发产生的干扰。再通过编码解码，为数码器数字显示电路提供需要的逻辑状态编码输入。LE低电平工作，LE接高电平时被禁止，所以将LE脚直接串联个下拉电阻到地；BI#是高电平正常工作，低电平时显示清零，所以BI#脚接5V和接个复位按键到地，当复位键按下时，BI#被拉低，根据CD4511BE的功能表，显示清零；LT#是高电平工作，所以将LT#脚接5V；输入A~D对应输出a~g数码管字形显示可见CD4511BE的功能表如图3-4所示。

 

图3-3 控制电路

 

图3-4 CD4511BE的功能表

3.4 显示电路

  显示电路由1位共阴数码管及7个上拉电阻所组成，接收来自CD4511BE锁存译码器的逻辑状态，对应点亮数码管，显示出优先抢答者的号数。a~g输入为高电平时，点亮对应的数码管段，比如数码管显示数字1（b和c输入为1，数码管对应点亮b、c段；其余为0，数码管其余段不点亮）。

图3-5 显示电路

3.5 报警电路

  报警电路由NE555定时器和蜂鸣器等元器件所组成，当有抢答按键按下时，当有脉冲到达NE555定时器进入暂稳态，输出高电平驱动蜂鸣器发声报警，表示抢答成功。在暂稳态维持一段时间后，会自动返回稳态，降回低电平蜂鸣器停止发声。

图3-6 报警电路

4 仿真图设计

4.1 仿真图创建

  可以将立创EDA标准版模式切换为仿真模式，创建工程并命名为【数字电路】八路智力抢答器设计。对八路抢答器进行仿真设计验证功能，将仿真图文件命名为：SIM_八路智力抢答器设计。根据以下电路进行绘制电路仿真图。

 

图4-1 SIM_八路智力抢答器设计

 

  在选择仿真器件时需要注意只能在仿真模式下的仿真基础库宇仿真扩展库中的系统库器件进行调用，用户贡献的仿真库不确保能够正常仿真运行。

  在该项目中的所有仿真器件都可以在仿真库中进行调用。在绘制仿真图时有以下几点注意事项：

  （1）所有的仿真电路都必须要有仿真电源和接地；

  （2）555定时器放置后可以按键盘的X键进行翻转，得到3脚朝右的样式；

  （3）示波器连接输出接口可以用网络标签、网络端口或者直接接线三种方式；

  （4）参考图波形与要求不符时，需要自行调整滑动变阻器参数得到所需结果。

4.2 仿真验证

  点击仿真后，蜂鸣器的模拟发声可使用示波器查看仪表功能观察波形情况，移动T1和T2时间轴，查看波形周期与频率大小，峰值为蜂鸣器发声时的工作电压。可按抢答键进行模拟抢答，RSTER为复位键，按下即显示清零，进入下一轮待抢答状态，需要注意的是每次调整参数后需要重新点击运行仿真，运行仿真的快捷键为F8。

5 原理图设计

5.1 原理图创建

  把仿真图保存后将仿真模式切换为标准模式，在同一工程下新建原理图命名为：SCH_八路智力抢答器设计。根据以下电路进行绘制电路原理图。

 

图5-1 SCH_八路智力抢答器设计

 

5.2 器件选型

  在本项目的元器件选型中，所有器件可直接在立创EDA的元件库中进行搜索。如果对元器件不熟悉，也可以通过复制物料中的商品编号进行搜索（每一个元器件在立创商城都有唯一的商品编号），如果出现物料缺货情况，亦可选择其他可替换物料，通过以上电路的分析，相信聪明的你对各个元器件在电路中的作用有所了解，那么更换个别物料也不会影响到电路的工作性能的，了解电路工作特性后，电路选型也就变得简单了。

图5-2 元器件搜索示意图

 

图5-3 通过商品编号搜索示意图

 

5.3 物料清单

八路智力抢答器设计项目物料清单
序号	名称	参数	器件位号	数量	封装	商品编号
1	电阻	10kΩ	R1~R6,R8	7	RES-TH_BD2.3-L6.5-P10.50-D0.5	C119347
2.2kΩ	R7	1	RES-TH_BD2.3-L6.5-P10.50-D0.5	C714002
1kΩ	R9~R15,R17	8	RES-TH_BD2.3-L6.5-P10.50-D0.5	C713997
100kΩ	R16	1	RES-TH_BD2.5-L6.5-P10.50-D0.6	C58597
2	微调电阻	100kΩ	RP1	1	RES-ADJ-TH_3P-L9.5-W4.9-P2.50-L_3296W	C118963
3	电容	10nF	C1,C4	2	CAP-TH_L3.8-W2.5-P2.54-D0.5	C377844
100uF	C2,C5	2	CAP-TH_BD6.3-P2.50-D1.0-FD	C44601
100nF	C3	1	CAP-TH_L3.8-W2.5-P2.54-D0.5	C94717
4	二极管	1N4148	D1~D18	18	DO-35_BD2.0-L4.2-P8.20-D0.5-RD	C13769
LED-TH-3mm_R	LED1	1	LED-TH_BD3.0_RED	C84774
5	三极管	9013	Q1	1	TO-92-3_L4.9-W3.7-P1.27-R	C305408
6	开关	SS-12D02-VG4	SW1	1	SW-TH_SS-12D02-VG4	C136719
K4-6×6_TH	KEY1~KEY8,RSTER	9	KEY-TH_4P-L6.0-W6.0-P4.50-LS6.5	C136684
7	数码管	SEG-TH_0.56×1_Cathode	SEG1	1	LED-SEG-TH_10P-L12.6-W19.0-P2.54-S15.24-BL	C8093
8	蜂鸣器	HNB09A03	BUZZER1	1	BUZ-TH_BD9.0-P5.00-D0.6-FD	C96102
9	锁存 解码器	CD4511BE	U1	1	DIP-16_L19.8-W6.5-P2.54-LS7.6-BL	C507153
10	定时器	NE555	U2	1	DIP-8_L9.8-W6.6-P2.54-LS7.6-BL	C398063
11	IC插座	2.54*16	U1	1	DIP-16_L19.8-W6.5-P2.54-LS7.6-BL	C2326
2.54*8	U2	1	DIP-8_L9.8-W6.6-P2.54-LS7.6-BL	C72124
12	USB 连接器	USB-Micro_	USB1	1	MICRO-USB-SMD_5P_C40957	C40957
13	铜柱	M3x10+6	TP1~TP4	4	M3X10-6	C551322

 

6 PCB设计

  完成原理图设计后，经过检查电路与网络连接正确后点击顶部菜单栏的 “设计” → “原理图转PCB”（快捷键为Alt+P），随即会生成一个PCB设计界面，可先暂时忽略弹出的边框设置，然后将PCB文件保存到工程文件中，并命名为：PCB_八路智力抢答器设计。

6.1 边框设计

  在绘制PCB前需根据个人意愿以及元器件数量所占空间确定PCB的形状及边框大小，若无特殊外壳要求，一般设计成矩形、圆形以及正方形。在设计该项目时，秉承着大小合适，美观大方的原则，我们在顶部工具菜单栏下的边框设置选型中设定了一个长为90mm、宽60mm、圆角半径为2mm的圆角矩形。实际板框大小会随着布局布线中进行调整，如果太小可适当放大，太大也可缩小边框，风格样式可自由发挥，但尽量控制在10cm*10cm之内，这样就可以到嘉立创免费打样啦～

 

图6-1 边框设置

 

图6-2 八路智力抢答器设计边框示意图

6.2 PCB布局

  在绘制完板框外形后，接下来进行PCB设计的第二步，对元器件进行分类和布局，分类指的是按照电路原理图的功能模块把各个元器件进行分类，图中有很多模块电路，但哪一些元器件是连到一起的呢，这里需要我们用到立创EDA所提供的布局传递功能，首先确保PCB工程已保存到原理图文件的同一个工程文件夹中，然后框选原理图中的某一电路模块，比如选中按键电路，然后点击顶部菜单栏中的 ”工具” → ”布局传递“ （快捷键为Ctrl+Shift+X），PCB页面所对应的元器件就好进行选中并按照原理图布局进行摆放，使用这个方法将各电路模块进行分类后依次摆放在前面所放置的边框中。

  在布局的时候注意摆放整齐，可根据飞线的指引进行摆放，按照原理图信号的流向和器件连接关系进行摆放，是可以把原理图器件摆放非常整齐的，在布局的过程中注意显示及控制位置，比如数码管放置在中间偏右上方，根据视听效果，蜂鸣器紧挨靠在数码管右侧。按键根据使用习惯全部摆放在PCB下方。电源输入、开关、放置在PCB的最左边边缘。布局参考如图5-3所示。

图6-3 PCB布局参考图（飞线已隐藏）

6.3 PCB走线

  接下来进行PCB设计的第三步：PCB走线，全称为印刷电路板布线（PCB LAYOUT）。由于电路板有顶面与底面两个面，在PCB走线也就可以分为顶层和底层走线，其中顶层走线默认是红色线，底层为蓝色线，也可按照个人喜好设置其他颜色，走线也就是在电路板中按照飞线连接导线，将相同的网络连接起来即可。

  首先选择层与元素中要走线的层，然后点击导线工具进行连线（快捷键为W）。看似简单的连连看，其中需要我们耐心的进行调整，元器件的摆放布局也会影响走线的难度，所以还需要在走线过程中进一步调整布局，进一步优化。前面所介绍的PCB布局相当于是在给走线做铺垫，布局好了，走线也就自然顺畅了。在该项目的走线中提供以下几点参考建议：

（1）电源线设置为25mil，信号线设置为15mil宽度

（2）走线以顶层走线为主，走不通的可以切换到底层进行连接

（3）走线过程中优先走直线，需要拐弯的地方以钝角或圆弧拐弯为主

（4）最后加上泪滴，添加丝印标记该PCB板的尺寸以及接口功能

布线参考如图5-4所示，初次设计可参考下图进行走线，也可自由设计，属于你的八路抢答器。

图6-4 PCB顶层走线参考图

 

图6-5 PCB底层走线参考图

6.4 覆铜与丝印

   PCB走线画完后进行覆铜，就可以连接好GND网络。丝印字符遵循从左到右，从上往下的原则。对电解电容、蜂鸣器等极性的元器件在每个功能单元内应尽量保持方向一致。标注工程名称与logo。

 

图6-6 PCB顶层覆铜与丝印参考图

 

图6-7 PCB底层覆铜与丝印参考图

 

7 焊接与调试

7.1 硬件焊接

  拿到板子和元器件后应先检查物料是否有缺失和遗漏，检查无误后再进行焊接。焊接原则是先低后高，首先把USB，电阻和二极管焊接到板子上，然后再焊接电容，三极管和IC座，最后再焊接按键，蜂鸣器和数码管，完成焊接后再插接NE555和CD4511芯片。直插器件的焊接方法如下图所示，注意焊接时应对准位置，检查元器件型号是否正确，锡线是否虚焊，避免影响电路性能，导致电路不能正常工作。

 

图7-3 PCB装配图

 

图7-4 未焊接PCB板

 

图7-5 PCBA实物图

图7-6 PCB-3D预览图

7.2 硬件调试

  数据线插入Micro USB给八路抢答器项目供电，将开关拨动至OPEN状态，电源指示灯点亮，数码管显示零，抢答器进入待抢答状态。抢答键按下时，蜂鸣器鸣叫，调节电位器的阻值，使得蜂鸣器声音达到最佳状态，数码管显示对应的抢答键位数；复位键按下时，数码管显示清零，抢答器进入下轮待抢答状态。

图7-7 八路智力抢答器工作图