PROTEL课程论文-用CD4511实现的数字抢答器.doc

淮南师范学院电气信息工程学院电子信息工程专业（2）班程园课程论文 成绩课程论文题 目： 用CD4511实现的数字抢答器 学生姓名： 学生学号： 1114020206 系 别： 电气信息工程学院 专 业： 电子信息工程 年 级： 2011级 任课教师： 电气信息工程学院制2013年12月一 摘要2二 绪论22.1设计背景22.2设计要求22.3设计功能3三 总体框图33.1主芯片模块介绍33.2按键模块介绍43.3电源模块介绍53.4数码管块的介绍53.5蜂蜜器模块介绍63.6电路所需原件清单7四 电路原理图设计74.1设计思路74.2设计过程74.3 PCB印制版图的制作11五 课程设计总结12参考文献13一 摘要在充满竞争的社会，往往需要一个公平的方式来选择能力更突出的人。因此在现实生活中出现了各种各样的比赛。为了让比赛能够更好的进行，维持比赛的秩序，抢答器起到了重要的作用。本次课程设计提出了一种竞赛数字抢答器设计，运用数字电路设计。本次设计由主芯片（CD4511）模块、数码管显示模块（共阳极）、按键模块、蜂鸣器模块、电源模块组成。通过Protel 99软件对电路图进行编辑，然后生成网络表，进行电气规则检测，在正确无误的情况下进行添加元件封装，来生成PCB单面板。电路在工作时，抢答者通过自己面前的按键来抢答，成功抢答的人他的编号就会在数码管上显示出来。关键词：CD4511；抢答器、Protel 99软件；PCB单面版二 绪论2.1设计背景传统抢答器只是大概判断出抢答成功或犯规选手台号，无法显示出每个选手的抢答时间。而今抢答器可以通过数据来说明裁决结果的准确性、公平性。使比赛大大增加了娱乐性的同时，也更加公平、公正。通过抢答者的指示灯显示、数码显示和警示显示等手段指示出第一抢答者。抢答器作为一种电子产品，早已广泛应用于各种竞赛的场合，是竞赛中一种常用的装置。抢答器是一种数字电路，实现方法也有很多种，可以用组合和时序逻辑电路直接实现，也可以通过单片机控制、可编程逻辑器件等实现，在这里，我使用数字电路用CD4511芯片去简单实现抢答电路，这也是数字电路应用于实际的典型范例。2.2设计要求（1）运用数字电路设计一个能够满足特定要求的八路抢答器（2）利用PROTEL绘制原理图并生成PCB图2.3设计功能（1）设计制作一个可容纳8组参赛的数字式抢答器，每组设置一个抢答按钮供抢答者使用。（2）电路具有第一抢答信号的鉴别和锁存功能。在主持人系统发出抢答指令后，若参赛者按抢答开关，则成功抢答者的组号将在数码管上显示出来。此时，电路应具备自锁存功能，使别组的抢答开关不起作用。（3）在主持人没有按下开始抢答按钮前，参赛者的抢答开关无效；当主持人按下开始抢答按钮后，选手开始抢答，只有成功抢答者的组号能在数码管上显示出来。当这一轮抢答环节结束时主持人清零后开始新一轮抢答。三 总体框图图1 总体框图3.1主芯片模块介绍本次主芯片模块采用的是CD4511芯片。该芯片是一片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。图2主芯片3.2按键模块介绍根据设计的内容，本次设计用8个按键表示8个组，作为他们的号码，用一个按键用于复位，供主持人使用，以便于进行下一轮比赛前的清零。图3按键模块3.3电源模块介绍本次电源用的是5V的直流电压为整个模快供电，用两个孔的插座接上两根杜邦线而成，然后接在供电源上。电源模块的电压比较小，使整个电路上的元器件比较安全可靠，在实际电路中，不会出现烧坏元器件的情况，保障了任何期间的安全。图4电源模块3.4数码管块的介绍本次实验用的数码管是共阴极数码管，共有8个引脚，其中的7个引脚上接了上拉电阻。在比赛进行抢答时，抢答成功的组的号码会显示在数码管上，其他的选手无论怎么按按键，数码管都会不会有反应了，知道主持人发出清零的信号，数码管回复原始状态，重新开始工作。LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的图5数码管模块3.5蜂蜜器模块介绍本次设计中鸣器选择的是5V的电压保持与供电电源一致，主要负责向成功抢答组发出成功抢答的信号呢。当有选手成功抢答后，蜂鸣器发出响声，表示本轮的抢答环节结束。图6蜂鸣器模块3.6电路所需原件清单表一 元件清单接线柱1个0.56寸一位共阴数码管1个10uf电容1个330欧色环电阻7个6x6x4.5按键9个10K色环电阻6个5V蜂鸣器1个100K色环电阻1个二极管1N414815个2.2K色环电阻1个三极管90131个CD4511芯片1个四 电路原理图设计4.1设计思路电路原理图的设计是整个电路设计的基础，因此电路原理图要设计好，以免影响后面的设计工作。电路原理图的设计包括创建新项目、放置元件、原理图布线、编辑与调整、ERC检查（电气规则检查）、生成网络表。4.2设计过程（1）创建新项目进入Protel界面，执行菜单File命令创建一个新项目（项目中包含所要设计的文件），弹出如下对话框在对话框的Design Storage Type选项中选择默认值，在Database file name后添加项目的名称MyDesign206.ddb，其扩展名必须以ddb结尾。通过按Browse按钮指出将文件存储于D盘。如下图所示，最后点击OK键，则建立了一个项目。弹出以上的对话框中选择原理图服务器（Schematic Document）图标，双击该图标建立原图设计文件Sheet1.ddb。双击该图标进入原理图设计主界面。执行菜单Design-OptionsTool-Preferences，设置图纸大小、捕捉栅格、电气栅格等。（2）放置元件在设计管理器中选择Browse Sch页面，在Browse区域中的下拉框中选择Library，然后单击Add/Remove按钮，在弹出的窗口中寻找Protel 子目录，在该目录中选择Library/Sch路径，在元件库列表中选择所需的元件库，比如Miscellaneous Devices lib，TI Databook库等，单击Add按钮，即可把元件库增加到元件库管理器中。根据设计窗口比较器的需要，先从元件库Miscellaneous Devices lib中找到我们要找的元件，然后用鼠标点击Place按钮，即可将该元件移动到设计图纸中。（3）创建自己的元件库本次课程设计中为了更好的利用Protel 99软件所学到的知识。原理电路中主芯片用自己所学到的知识绘制。在菜单选项中选择File-New,选择对话框中的Schematic Library Document点击OK后创建My.Lib（自己的元件库）。打开元件库编辑器，画出主芯片CD4511如下图所示（4） 原理图布线利用Protel提供的连线工具条中的连线工具进行连线，当预拉线的指针移动到元件的引脚或者其他电气特性线时，指针的中心就会出现一个黑点，它提示我们在当前的状态下单击鼠标左键就会形成一个有效的电气连接。这里需要注意的是，连线不能贯穿元件，连接线段不能重合（若连接线段重合会造成PCB制作环节中加载网络表后出现短线），元件不能搭接（如果元件搭接点在元件端口之内，程序无法识别也会造成PCB制作环节中加载网络表后出现短线）。电路图截图：（5）ERC检查（电气规则检查）当整个电路设计完成后，可以进行ERC检查。主要是检查电路图中是否有电气性质不一致的情况（如元件的序列号重复，出现两个RL），ERC检查检查依据问题的严重性分别以错误（Error）或者警告(Warning)信息来提醒用户，下图为窗口比较器的ERC检查。选择TOOLS菜单下的ERC项在弹出的对话框中直接点击OK键即可进行ERC检查，如果有错误则要返回原理图中进行修改，修改完成后在进行ERC检查，直至没有错误为止。 （6） 生成网络表网络表是电路原理图设计和印刷电路板设计之间的桥梁，是PCB中自动布线的灵魂。所以必须生成网络表。选取Design设计菜单下的Create Netlist选项则会弹出一对话框，在对话框中点击OK就可生成网络表文件Sheet1.NET，附件1所示为所做窗口比较器的网络表。网络表文件包含两种内容：一对方括号之间表示一个元件的属性，有序号、封装号和参数；一对圆括号之间是通过一个点的连接线，包括从哪点出发，接到哪里。网络表截图：4.3 PCB印制版图的制作（1） 有关参数的设置。主要设定自动布局参数、自动布线参数、板面参数等。（2） PCB 板尺寸设计。在禁止布线层上，沿设计的 PCB 板边画边框线。（3） 布局。布局就是根据原理图上元器件之间的连接关系，并考虑电磁兼容性以及元器件的安装空间和散热等，总是将元器件放置在PCB电路板上适当的位置。是PCB板设计过程中最费时、最繁琐的。不过由于此次设计不生成产品所以设计过程中忽略电磁兼容性以及散热问题。自动布局。PCB系统环境提供自动布局功能完成元器件放置，但在细节处最好使用手工调整。布局时要求相互间连线多的元器件应就近放置；相互间可能造成干扰的元器件应远离；功率器件应考虑散热空间。（5）布线。布线就是在元器件引脚之间放置覆铜连线的过程，这一过程可通过手工完成，也可以自动进行。自动布线，元件布局完成后，便可自动布线，注意事先应在Keep Outlayer层设定禁布线范围，然后执行Auto Route/All或Auto Route/Setup命令，出现自动布线对话框，设置好以后点击Route All按钮就开始自动布线。PCB图截图： 五 课程设计总结通过这次对抢答器的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于抢答器的基本原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真程序仿真成功后才能实际连线。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，在实际连线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法在实际中因为芯片本身的特性而能成功。 电路的调试是一个十分重要的环节。大部分电路图接好后都不会一次性成功，都会或多或少的存在一些问题，毕竟理论和实际是有差距的。这时就要调试电路，首先应该根据错误初步估计出错的地方和原因，是线路连接错误还是芯片或板子本身是坏的，当然还有别的原因，后有针对性的检查电路，对错误进行改正。这里有必要说明一点，电路本身存在一个安全稳定性问题 , 所以在电路板上接线时，尽量用一根导线将输出和输入接通，因为导线中间每断一次都是电路的一个安全隐患。还有，通过这次设计我的动手能力提高了很多。以前只注重了理论学习，没有关注实践，也没有这样的机会，所以动手能力一直很差，而这次设计，弥补了我这个弱势，提高了我的动手能力，增加了自信。最后，特别感谢这次设计的指