大容量的抢答器的设计.doc

目录1引言12电路原理概述22.1原理框图22.2电路图23按键控制电路33.1独立式键盘及其接口33.2矩阵式键盘及其接口34电源电路设计55计数脉冲产生65.1晶体振荡器66列信号及列显示译码86.1循环计数器86.2列信号的产生86.3列显示译码电路106.4 CD4511工作原理107行信号及行显示译码127.1行信号产生127.2行显示译码电路128七段LED显示电路138.1显示电路的设计138.2七段LED显示器引脚功能139主持人控制电路149.1 RS触发器149.2主持人按钮数据取值依据15参考文献16致谢17附录18摘 要本文抢答器利用810键坐标X、Y的不同来确定抢答者的位置，把抢答者位置分为横坐标和列坐标。当抢答者发出信号时，先确定他的列坐标，对列坐标进行扫描记数，选中的为高电平，其他列为低电平，再经过译码器译码，最后送到LED中显示，确定出列坐标位置。然后确定横坐标位置，同样选中的为高电平，未选中的为低电平，用译码器译出X再用LED显示出来，确定出横坐标位置，则利用（X，Y）可以确定抢答者的位置，最后通过RS触发器触发音响控制电路。关键词：抢答器；译码器；大容量AbstractCompetition answer Machinein this paper use 810 keys and their X,Y data to confirm the respondents location which express as different X-coordinate and Y-coordinate. When the respondent sends out signal, first confirm its Y-coordinate, then scan and make notes. The signal which is pitched on ranks high-level inverter, and others low-level inverter. After coding by encoder, the signal finally shows the Y data in LED. Subsequently, confirm the X-coordinate and dispose it, using the same method as Y-coordinate. And then, it can ensure the respondents location according to the (X,Y) which just got, spring the sound controller through RS trigger lastly.Key word: competition answer machine; encoder; high-capacity181引言大部分机关、学校、部队、团体等单位在开展精神文明建设，举行各种知识、智力竞赛、文化娱乐活动时，都能用到抢答器，在一些大型娱乐场所，有时需要几十路甚至几百路大容量抢答器，而一般的抢答器只有几路或十几路,不能满足实际需要。此时我们需要大容量，且性价比高的抢答器，本文所设计的抢答器则符合此要求。对于大容量的抢答器的设计，主要考虑以下两个问题：一是性能良好，误差时间小；二是抢答器的按钮与控制器的连线应尽量简单。而采用一般小容量抢答器中的连线方式，不仅导线成本高，而且连线复杂，安装和维护也十分复杂。本文介绍的电路，采用键盘连线方式，应用扫描方式进行工作，连线简单，成本低，安装和维护方便，控制电路也有很好的性能。2电路原理概述2.1原理框图图1 电路原理总框图2.2电路图此图表示是一个80路的抢答电路，抢答按钮采用810键盘方式，由数码管LED1和LED2分别显示对应按钮所在的行号和列号。 电路原理图见附录。3按键控制电路键盘是由若干个按键组成的。按键就是一个简单的开关，当按键按下时，相当于开关闭合；当按键松开时，相当于开关断开。常用键盘分为独立式键盘接口和矩阵式键盘接口。3.1独立式键盘及其接口独立式键盘的各个按键相互独立，每个按键独立地与一根数据输入线（单片机并行口或其它接口芯片的并行口）相连。当相连的芯片接口内部无上拉电阻时，这时就应在芯片外设置上拉电阻；芯片接口内部有上拉电阻时，就直接相连。独立式键盘配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根口线，在按键数量多时，口线占用多。所以，独立式按键常用于按键数量不多的场合。独立式键盘的软件可以采用随机扫描，也可以采用定时扫描，还可以采用中断扫描。随机扫描是指，当CPU空闲时调用键盘扫描子程序，响应键盘的输入请求。定时扫描是利用定时器产生定时中断，在中断服务程序中对键盘进行扫描，并在有键按下时转入键功能处理程序；定时扫描方式的硬件接口电路与随机扫描方式相同。对于中断扫描方式，当键盘上键闭合时产生中断请求，CPU响应中断并在中断服务程序中判别键盘上闭合键的键号，并作相应的处理。3.2矩阵式键盘及其接口矩阵式键盘采用行列式结构，按键设置在行列的交点上。矩阵式键盘的行线通过电阻接+5V（芯片内部有上拉电阻时，就不用外接了），当键盘上没有键闭合时，所有的行线与列线是断开的，行线均呈高电平。当键盘上某一键闭合时，该键所对应的行线与列线短接。此时该行线的电平将由被短接的列线电平所决定。因此，可以采用以下方法判断是否有键按下及按下的是哪一键。（1）判有无按键按下。将行线接至单片机的输入口，列线接至单片机的输出口。首先使所有列线为低电平，然后读行线状态，若行线均为高电平，则没有键按下；若读出的行线状态不全为高电平，则可以断定有键按下。（2）判断按下的是哪一个键。先让第一列为低电平，其余列线为高电平，读行线状态，如行线状态不全为“1”，则说明所按键在该列，否则不在该列。然后让第二列为低电平，其它列为高电平，判断第二列有无按键按下。其余类推。这样就可以找到所按键的行列位置。 本设计采用矩阵式键盘。4电源电路设计电源电路由变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和三端稳压电路构成。其电路图如图2所示，图中“output”端输出为+5V。图2 电源电路电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。三端式稳压器只有输入、输出和公共引出端，由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。在本系统中，要求电源电压为+5V，由于三端式稳压器输出电压固定，故在设计中选择三端式稳压器L7805。三端式稳压器的输入与输出之间电压差为23V，整流桥的输出电压是输入电压(有效值)的1.2倍，根据有效值与峰-峰值的关系选择220V/6V的变压器。由于L7805的最大输出电流为1A，电压为稳定的+5V，输出功率为5W，加上三端式稳压器L7805的消耗，故本系统选择降压比为220V/6V、功率为10W的变压器。图19中、为低频滤波电容，根据经验选择电解电容，其容值分别为、；、为高频滤波电容，均选0.1F的无极性电容。5计数脉冲产生 对于需要输入100KHz的扫描频率才能使最大时间误差只有0.01ms，所以由和晶振组成的振荡必须产生的信号，将该振荡频率信号送入，组成循环记数。其中列扫描频率由振荡器频率和计数器计数模数决定因为：又因： (1)所以：所以扫描误差时间5.1晶体振荡器 图3 石英晶体振荡器图3中电容与石英晶体组成1MHz的晶体振荡器，振荡器的频率稳定度主要取决于振荡器的标准性和品质因数。石英晶体中是晶体作为电解质的静电容，数值一般为几皮法至几十皮法；，对应于机械共振经压电转化而呈现的电参数。是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗，若晶体谐振器是一串并联的振荡器回路。它的串并联谐振频率为串联： (2)并联： (3)国产B451MHz中精度晶体的等效参数如下： 6列信号及列显示译码6.1循环计数器图4中 (CD4518)为异步2-10进制加法计数器，对晶体振荡器产生的信号进行循环计数。其工作原理为从的1引脚输入连续的计数脉冲，再从输出端IQ4、IQ3、IQ2、IQ1重复输出0000-1001的8421BCD码，供后续电路产生顺序脉冲（即列扫描信号）。 图4 CD4518引脚图6.2列信号的产生用计数器和译码器组成顺序脉冲发生器。其工作过程是当一个脉冲传送到的ICP时, 对脉冲计数，并且从的IQ4-IQ1输出四路计数值，中的、接+5V电源，而、接地。输出的计数值从IQ4-IQ1传送到 (CD4028)进行4-10线译码，中连接电源电压+5V，接地。当计数值从A、B、C、D中输入时，经CD4028译码器译出10个顺序的高电平脉冲从Y0-Y9输出。见图5。图5 脉冲产生原理图图中电路是输出10个顺序脉冲的顺序脉冲发生器，4个触发器FF0，FF1，FF2，FF3组成4个二进制计数器，10个与门组成4-10线译码器，只要在计数器的输入端ICP加入固定频率的脉冲，就能在Y0Y9端依次得到输出脉冲信号。但是由于使用了异步计数器，在电路状态转换时两个触发器的翻转有先有后，因此当两个以上的触发器同时改变状态时将发生竞争-冒险现象，有可能在译码器的输出端输出尖峰脉冲。在使用中规模集成电路的译码器时，由于电路上大多数均没有控制输入端，由此可以用选通的方法来实现。当CD4208译码器的Y0-Y9顺序脉冲高电平时，就产生了列信号，选中某一列线（如Y0）为高电平时，其余列Y1-Y9均为低电平，电路只为该线上的8个按钮（，）提供抢答需要，为了保证选中的为高电平，没选中的均为低电平，所以在Y0-Y9中分别加上一个二极管IN4148，防止列线反向导电，使未选中的列线保持低电平。若该列上任一按钮（如）先按下，则相应的行线X7为高电平，其他7根行线X0-X6均为低电平。为了保证选中的为高电平，未选中的为低电平，则在行线X0-X7上分别加一个10千欧电阻（R0-R9）并接地，使得当未按电钮时等效为接地，按下电钮时等效为接高电平，从而满足电路的要求。6.3列显示译码电路 输出的计数值IQ4IQ1一路送列信号产生，另一路送入由组成的七段显示译码器进行译码，然后驱动数码管LED2显示列号。见图6。图6 列信号显示原理图6.4 CD4511工作原理CD4511能将二和十进制码（BCD码）译成七段码（ag）,驱动共阴极LED数管。CD4511具有锁存功能，它是一种16双列直插式，主要管脚功能如下：、分别为正负电源端，电源电压范围是318V，通常取5V、10V等，此电路中取5V。A，B，C，DBCD码输入端，可接CD4518双BCD加法计数器的输出端。CD4511七段显示译码器输出的高电平与输出电流的关系见表1。当、确定之后，利用式4可求出线流电阻值。 (4)表1 CD4511输出的高电平与输出电流的关系电源电压(V) 5 10输出高电平(V) 4.1 3.9 3.4 9.1 9.0 10.6输出电流(mA) 5 10 20 5 10 20值最好用数字万用表的二极管档实际测出。若为估算值，亦可从1.72.3V中去中间值2.0V。另外CMOS电路而言，当时，还可用近似代替公式中的值。R值稍有误差，不影响正常显示。LED数码管的正向压降一般为2V左右，每段工作电流为510mA，则七段全亮电流为3570mA。若CD4511直接驱动，每段电流将超过LED的最大允许值，容易损坏显示器。因此使用前必须在每段分别串入几百欧的限流电阻，将每段电流控制在510mA为宜。因为此电路中，。查表得所以： 则选最适宜。 7行信号及行显示译码7.1行信号产生(CD4532)为8-3线输出编码器，它是将行线中的信号经过编码器之后送至译码器触发LED2显示出行线的行数。其中输入为D0D7，编码后输出为Q0，Q1，Q2，接地，、接电源电压+5V，EO与IC1c和IC1d中与门构成触发器相连，构成按钮复位。7.2行显示译码电路输出的计数值Q0-Q2送入由组成的七段显示译码器进行译码后驱动数码管LED2显示行号。见图7。图7 行信号显示原理图8七段LED显示电路8.1显示电路的设计七段LED数码显示管由8个发光二极管组成，通常构成字形“日”，其中有一个发光二极管用来显示小数点。各段LED显示器由驱动电路驱动，控制相应的二极管导通，相应的一个笔画或一个点就发光，由此就能显示出对应字符。N个LED显示块有8N根段码线，段码信号控制显示字符的字型，有N位选择线，各位选择信号控制相应某确定位的亮或灭。通常将各段发光二极管的阴极或阳极连在一起作为公共端；将各段发光二极管阳极连在一起的叫共阳极显示器，用低电平驱动；将阴极连在一起的叫共阴极显示器，用高电平驱动。显示电路采用LED数码管显示，LED数码显示管有静态显示方式和动态显示方式，本设计采用串行输出的静态显示方式。8.2七段LED显示器引脚功能a-g七段码（高电平有效）LT灯测试端，只要（低电平），无论其它输入端状态如何，LED就显示全亮划，构成数字“8”，由此可检查数码管的好坏。正常工作时为高电平。BI消隐控制端，当并且（高电平）时，就强迫显示器消隐，不显示任何字形，正常工作时为高电平。LE锁存控制端，当时选通，时锁存。锁存时，显示器总保持锁存前一时刻的计数状态不变，新的数据不能反映到显示器上，利用此端可避免计数过程的跳数现象。9主持人控制电路9.1 RS触发器由IC1c和IC1d构成RS触发器。其中IC1c和IC1d为两个功能完全相同的与非门，IC1d将IC1c中的输出反向，同时将IC1d的另一个输出接低电平，则IC1d的输出将与IC1c的输入同向。将IC1c与IC1d中的输出作为和，并定义、为触发1状态，、为触发0状态。SB称为置位端或置1输入端，EO位称为复位或置0输入端。当、时，、，在信号消失以后（EO回到0），由于有端的高电平接回到IC1d的另一个输入端，固而电路的1状态得以保持。当，时，。在信号消失后，电路保持0状态不变。当时，电路维持原来的状态不变。当时，即不是定义的1状态，也不是定义的0状态。而且，在SB和EO同时回到0后无法断定触发器将回到1状态还是0状态，因此在正常工作时输入信号应遵守的约束条件，即不允许输入的信号。表2 RS触发器的特性表 0 0 0 00 0 1 11 0 0 11 0 1 10 1 0 00 1 1 01 1 0 01 1 1 0由表2可得出RS触发器的特性方程： (5)所以，在IC1c和IC1d构成的RS触发器，完成抢答控制功能按钮SB为主持人控制的复位按钮，每当一次新的抢答开始之前，按动一下SB，将触发器置0，IC1c输出为0，IC1d输出为1，此时，。IC1c的输出用来控制和锁存（LE）和消隐（BI）。当时，锁存无效，消隐有效，和可将输入的代码进行传输和译码。但因消隐有效，使数码管LED1