数显抢答器的设计与制作

数显抢答器的设计与制作数显抢答器的设计与制作 摘要摘要 经过本组成员的实验和讨论 研究出了一种采用数字电路制作的多功能数 显抢答器 它主要采用了 74 系列的常用集成电路 它除了具有基本的抢答功能之 外 还具有定时报警的功能 和数显的功能 当抢答开始后 系统会自动倒计时 并且时间是可以预设的 期间有人抢答的话系统会停止计时 如果期间没人抢答 系统会有短暂的报警 提示抢答结束 关键字 关键字 单片机 PLC 抢答 报警 数显 一 一 设计目的设计目的 在电视和学校中我们会经常看到一些智力抢答的节目 如果要是让抢答者用举 手等方法 主持人很容易误判 会造成抢答的不公平 比赛中为了准确 公正 直 观地判断出第一抢答者 所设计的抢答器通常由数码显示 灯光 音响等多种手段 指示出第一抢答者 为了使这种不公平不发生 只有靠电子产品的高准确性来保障 抢答的公平性 二 二 方案方案 制作抢答器可以用好多的方法 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 PLC 来实现 他的制作也是比较简单 还可以用 我们学过的 EDA 技术来制作 最后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 与我们学完的 数字电路 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 用了一些成型电路 如 NE555 标准秒脉冲电路等 使总体方案易于实现 方案一方案一 采用数字电路采用数字电路 1 原理方框图 定时抢答器的总体框图如图 1 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 图 1 图 1 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 抢答器要完成以下四项工作 优先编码电路立即分辨出抢答者的编号 并由锁存器进行锁存 然后由译码显示 电路显示编号 扬声器发出短暂声响 提醒节目主持人注意 控制电路要对输入编码电路进行封锁 避免其他选手再次进行抢答 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 方案二方案二 采用单片机采用单片机 1 原理方框图 此电路完成的功能如图 2 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 图 2 方案三方案三 采用采用 PLC PLC 1 原理方框图 此电路的功能如图 3 所示 当主持人打开启动开关后 在设定时间 TO 内 如 果某组抢先按下抢答按钮 则驱动音效电路 发出声响 指示灯 LI 亮 并且在 8 段数码管显示器上显示出抢答成功的组号 此时电路实现互锁 其他组再按下抢答 按钮为无效 如果在时间 TO 内 无人应答 则驱动音效电路 发出声响 指示灯 L2 亮 表 示抢答者均放弃该题 在抢答成功后 主持人打开限时开关 SW2 启动计时器 在设定的时间 TI 内 回答有效 当到达设定时间 TI 时 驱动音效电路 指示灯 L3 亮 表示答题时间 到 图 3 三 三 方案选择方案选择 方案比较方案比较数字电路数字电路单片机单片机 PLCPLC 制作难度制作难度低低一般一般一般一般 实现难度实现难度一般一般低低低低 价格价格低低一般一般高高 电路原理电路原理简单简单一般一般一般一般 设计难度设计难度简单简单高高一般一般 通过上面的方案比较 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 四四 设计系统功能设计系统功能 1 基本功能 1 同时供 8 名选手比赛 分别用 8 个按钮 S0 S7 表示 2 设置一个系统清除和抢答控制开关 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 并在七段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 五 五 各部分单元电路的设计各部分单元电路的设计 抢答器的主体电路设计 抢答电路的功能有两个 一是能分辨出选手按键的先后 并锁存优先抢答者的 编号 供译码显示电路用 二是要使其他选手的按键操作无效 选用优先编码器 74148 和 DFF 锁存器可以完成上述功能 其电路组成如图 4 所示 其工作原理是 当主持人控制开关处于 清除 位置时 RS 触发器的端为低电平 输出端 4Q 1Q 全部为低电平 于是 74LS48 的 0 显示器灭灯 74148 的选通输入端 0 74LS148 处于工作状态 此时锁存电路不工作 当主持人开关拨到 开始 位 置时 优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态 即抢答器处于等待工作状态 等待输入端 7 0 输入信号 当有选手将键按下时 如按下 S5 74LSl48 的输出 010 0 经 RS 锁存器后 CTR l 1 74LS279 处于工作状态 4Q3Q2Q 101 经 74LS48 译码后 显示器显示出 5 此外 CTR 1 使 74l48 的端为高电平 74LSl48 处于禁止工作状态 封锁了其它按键的输入 当按下的键松开后 74LSl48 的为高电平 但由于 CTR 维持高电平不变 所以 74LSl48 仍处于禁止工作 状态 其它按键的输入信号不会被接收 这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路 的准确性 当优先抢答者回答完问题后 由主持人操作控制开关 S 使抢答电路复 位 以便进行下一轮抢答 图 4 74LS148 为 8 线 3 线优先编码器 表 1 为其功能表 表表 1 1 74LS14874LS148 的功能真值表的功能真值表 定时电路设计 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 74LS48 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 5 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 如果要设置为 30S 就可以在计数器的预置数控制端输入 时钟 脉冲由秒脉冲电路提供 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 具体电路如图 5 所示 图 5 秒脉冲产生电路 秒脉冲由 NE555 提供 它的的 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 报警电路的设计 采用 555 定时器和三极管构成的报警电路如图 6 所示 其中 555 构成多谐振荡器 其输出信号经三极管推动扬声器 PR 为控制信号 当 PR 为高电平时 多谐振荡器 工作 当 PR 为低电平的时候 电路停振 图 6 4 时序控制电路设计 与门 G1 的作用是控制时钟信号 CP 的放行与禁止 门 G2 的作用是控制 74LS148 的输入使能端 即图二中的 5 端 图 7 的工作原理是 主持人控制开关 从 清除 位置拨到 开始 位置时 来自于图 2 中的 74LS279 的输出 1Q 即 CTR 0 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 定时电路进行递减计时 同时 在定时时间未到时 则 定时到信号 为 1 门 G2 的输出 0 使 74LS148 处于正常工作状态 当选手在定时时间内按动抢 答按键时 CTR 1 经 G3 反相 输出为 0 封锁 CP 信号 定时器处于保持工作状 态 同时 门 G2 的输出 1 74LS148 处于禁止工作状态 当定时时间到时 则 定时到信号 为 0 ST 1 74LS148 处于禁止工作状态 禁止选手进行抢答 同时 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 此次抢答 结束 图 7 集成单稳态触发器 74LS121 用于控制报警电路及发声的时间 其功能表见表 2 具体原理如下 主要由 555 时钟电路 用于控制报警声音频率 蜂鸣器即相 关的延时电路和控制电路组成 单稳态触发器 74121 通过信号 Ys BO2 S 控制报 警与否和报警时间 555 时钟电路产生脉冲时钟 在规定的时间有人抢答时 Ys 由 1 跳变到 0 74121 有状态 2 即 Q 输出暂态高电平 蜂鸣器连续发声报警 持 续时间为 2 15 秒 如果在规定时间内无人抢答 BO2 由 1 跳变到 0 74121 有状 态 1 Q 输出暂态高电平 蜂鸣器连续发声报警持续时间为 结合图 6 所示报警电路 分析 计算如下 取 C 100uF R 25K 有 2 15 秒 原理图见图 8 图 8 表表 2 2 7412174121 功能表功能表 6 电源电路 电源电路采用三端集成线性稳压集成块 L7805CV 因为它的外围电路比较简 单 并且工作比较稳定 很适合 74 系列的集成块 它的稳压精度为 2 工作电流 1 5A 封装为 TO 220 A 工作温度也很不错 并且具有过温保护和短路保护 最 大输入电压为 35V 能对电路的长时间工作有很大的保障 六 六 总结总结 结束语 经过小组认真透彻的分析 还有指导老师的专业指导 我们觉得 这次的小组 实验相当成功 不仅仅让我们对大学三年所学习的东西再次巩固 而且还让我们增 强了团队协作的意识 同时 在老师的教导下 也让我们了解到自己的知识范围还 有很多不足之处 再次感谢老师的教导 在这次的毕业设计中 我发现了自己不足 之处 主要表现在以下几点 1 对平时所学的知识掌握不牢固 没有及时的用于实践中 2 平时的动手操作比较少 3 没有根据所学的知识更广的去扩展 毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验 而且也是对自己能力的一种提高 下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结 第一 接到任务以后进行选题 选题是毕业设计的开端 选择恰当的 感兴趣的题 目 这对于整个毕业设计是否能够顺利进行关系极大 好比走路 这开始的第一步 是具有决定意义的 第一步迈向何方 需要慎重考虑 否则 就可能走许多弯路 费许多周折 甚至南辕北辙 难以到达目的地 因此 选 题时一定要考虑好了 第二 题目确定后就是找资料了 查资料是做毕业设计的前期准备工作 好的开端 就相当于成功了一半 到图书馆 书店 资料室去虽说是比较原始的方式 但也有 可取之处的 总之 不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的 要一一记录下 来以备后用 第三 通过上面的过程 已经积累了不少资料 对所选的题目也大概有了一些了解 这一步就是在这样一个基础上 综合已有的资料来更透彻的分析题目 第四 有了研究方向 就应该动手实现了 其实以前的三步都是为这一步作的铺垫 通过这次设计 我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识 对以前学 的数字电路又有了一定的新认识 温习了以前学的知识 就像人们常说的温故而知 新嘛 但在设计的过程中 遇到了很多的问题 有一些知识都已经不太清楚了 但 是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容 致谢 在此要感谢我的指导老师 感谢老师给我这样的机会锻炼 在整个毕业设计过 程中我懂得了许多东西 也培养了我独立工作的能力 树立了对自己工作能力的信 心 相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响 而且大大提高了动手的能力 使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦 虽然这个项目还不是 很完善 但