抢答器设计论文.doc

七路智力竞赛抢答器的设计摘要抢答器的这一产品是各种竞赛活动中不可缺少的设备，它的发展也是比较快的，从一开始的光具有抢答锁定功能的一个电路，到现在的具有倒计时、定时、自动（或手动）复位、报警（即声响提示，有的以音乐的方式来体现）、屏幕显示、按键发光等多种功能的技术合并，这就可以说明其多种功用及发展的快速。本报告先分析了抢答器的两种方案并选择了合适的一种，再阐述了总体电路原理。对本设计中的各芯片功能及引脚图进行介绍，并对单元电路设计以及总体电路设计进行分析。关键词:七路, 抢答器, 设计,定时，计时，报警一、设计任务及系统功能简介1.基本功能：（1） 抢答器同时供7名选手或7个代表队比赛，分别用7个按钮S1 S7表示。（2） 设置一个复位清零开关S，该开关由主持人控制。（3） 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，持续时间为0.5秒左右，并在数码管上显示选手号码。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。2.扩展功能：（1） 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动开始键后，定时器进行减计时。（2） 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。在这段（3） 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。二、方案选择与比较抢答器的设计方案种类很多，可以用单片机来完成，它的功能强大制作简单，并且外围的元件也很少；也可以用数字电路来实现，它的原理比较简单，集成块的价格也比较便宜且很容易购买，与我们所学内容联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义，对我们掌握集成芯片逻辑功能的应用有很大帮助。方案一采用数字电路定时抢答器的总体框图如下图所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，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。扩展电路完成定时抢答的功能。选手抢答按键主持人控制秒脉冲产生优先编码时序控制定时电路译码显示锁存功能译码显示报警电路上图所示的定时抢答器的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。当定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答键时，显示编号扬声器发出短暂声响，控制电路要对输入编码电路进行封锁，控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。方案二采用单片机抢答按键此电路完成的功能如下图所示，当主持人宣布抢答开始的时候，按下开始按钮，此时电路进入抢答状态，选手的输入采用了扫描式的输入，之后把相应的信息送往单片机，再由单片机输出到显示输出电路中。此时有人第一按下相应的抢答按钮，经过单片机的控制选择，在八段显示器上显示相应的号码，并锁存，同时禁止其他按钮的输入。显示输出单片机控制主持人控制方案选择方案一使用的是基本的数字电路芯片，其有成本低原理简单的有点。方案二使用可编程逻辑器件和单片机，其成本相对较高，且对于一个初学者难度较大。综合以上因素选择方案一，符合本次课程设计的要求，而且在实际生产中也得到广泛的应用。数字电路的制作方案比较容易实现，并且在原理方面也是比较简单，所以我选择采用第一种方案来完成抢答器电路。三、实现的原理与电路1数字抢答器总体方框图 如图1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，抢答器处于 清零状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器显示00，定时器显示设定时间；当主持人按下复位按钮时，抢答器复位，处于禁止状态。当主持人放手时抢答器开始工作，定时器开始到倒计。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按复位按钮进行复位。图一2单元电路设计(1) 抢答器电路图2抢答部分 设计电路如图2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：当复位按钮按下时，RS触发器的 R端均为0，即4Q3Q2Q1Q=0000,4个触发器输出置0，或门输出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。当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后， 4Q3Q2Q1Q=1010,经译码显示为“5”。此时，或门输出为1，使74LS148 优先编码工作标志端EI（图中5号端），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的优先编码工作标志端EI端仍为，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复位按钮重新复位，然后再进行下一轮抢答。所用的部分元件及参数74LS1488线-3线优先编码器74LS14874LS148引脚图74LS148的功能真值表CD4511CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器。74LS148引脚图输 入输 出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐0111111000000消隐111XXXX锁 存锁存74LS148的功能真值表8421 BCD 码对应的显示见下图：(2)定时电路图3 可预置时间的定时电路 原理及设计：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、CD4511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。当复位按钮按下时进行置数，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，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 ，于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为，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，即秒脉冲。ui1ui2uOT的工作状态00导通11截止11截止10导通10导通555定时器功能表图4 标准秒脉冲产生电路 NE555555 定时器。NE555芯片的引脚图引脚编号 符号 功能说明 1 地线 2 触发 3 输出 4 复位 5 控制电压 6 阀值 7 放电 8 电源 NE555引脚功能74LS192十进制可逆计数器74LS192 74LS192引脚图 74LS192逻辑图 输入 输出1000000dcbadcba011 加计数011 减计数 74LS192功能真值表（3）报警电路。图5 报警电路工作原理：该报警电路有555定时器和三极管构成，有555定时器构成一个多谐振荡器，振荡频率 1.43（RI2R2）C,其输出信号可以经三极管推动扬声器。当4端接高电平，振荡器正常工作，当为低电平时，振荡器停止工作，不会发声。因为来一个高电平是该报警电路会发声，但是只有在一个周期内发声，这个周期非常短，只是多谐振荡器的一个周期，只有一秒钟，所以中间需要加一个单稳态触发器74LS121，这样可以延长这个周期，是发声信号加长，当74LS121的5端到达一个上升沿时就触发该触发器，该触发器用到的电阻是20 k，电容是100uf，根据公式tw=0.7RxCx计算得到的周期是1.4秒。图674LS121不可重复触发集成单稳态触发器74LS121 图3.4.1 74LS121引脚图图3.4.2 74LS121功能表单稳态触发器常用于脉冲整形、定时、延时、方波发生、噪声消除、数字滤波和频率/电压变换等。 （4）时序控制电路图 7 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：主持人点下复位按钮时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态。 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。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。功能的实现：根据上面的功能要求以及图2，设计的时序控制电路如图7所示。图中，与门G1 的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，或门G2的作用是控制74LS148的输入使能端（即图2中的5端）。图4的工作原理是：主持人复位按钮从按下到松开时，图2中74LS279的4Q3Q2Q1Q=0000,即G2输出0，74LS148的优先编码工作标志端EI为0，从而抢答器开始工作。G2的输出经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CLK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，则时间到信号BO为 1，74LS279的1S1,1S2=1，1Q=0，使 74LS148处于正常工作状态，从而实现功能的要求。功能的实现：当选手在定时时间内按动抢答按键时，2Q3Q4Q中必有一个为1，此时G2输出为1，74LS148的EI=1,禁止抢答。同时报警信号ALK从0到1，产生上升沿。74LS121被触发，从而报警。G2的输出经G3反相，输出为0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态，从而实现功能的要求。功能的实现：当定时时间到时，则时间到信号为0，74LS279的1S1,1S2=0，1Q=1,此时4Q3Q2Q1Q=0001,门G2输出1，从而74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时报警信号ALK从0到1，产生上升沿。74LS121被触发，从而报警。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，从而实现功能的要求。（5）整机电路原理图：见附录。四，所用元器件列表序号编号名称数量说明174LS192十进制可逆计数器2片工作电压5V2NE555单稳态触发器2片工作电压5V3CD4511七路显示译码器3片工作电压5V474LS148优先编码器1片工作电压5V574LS279触发器1片工作电压5V674LS121非重触发单稳态触发器1片工作电压5V774LS00四2输入与非门1片工作电压5V874LS32四2输入或门1片工作电压5V9R1,R16,R17510电阻3只10R2R8,R1110K电阻8只11R9,R1415K电阻2只12R10,R1568K电阻2只13R12,R131K电阻 2只14C110uF1只15C2,C40.1uF2只16C3100uF1只17C5100nF1只18SW弹片开关8只19DPY_7-SEG共阴极七段数码显示管3片20Speaker蜂鸣器1只8，6V212N2219三极管1只五、收获、体会和建议这次课程设计历时两星期，通过课程设计，发现自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。在这两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，比如焊接，布线，剥线等。以前学的都是书本的理论东西，加上自己的不重视，因此在这次的设计中吃了不少的苦头，所以在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，比如一些元件的管脚分布问题。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如555电路的周边元件参数的计算通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。更重要的时通过这次课程设计让我学会了使用软件来仿真电路图，学会了制作PCB板的一些基础知识，极大的提高了学习兴趣。同时这次设计让我