数显抢答器的设计与制作

数显抢答器的设计与制作 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 ： 单片机、 PLC、抢答、报警、数显 一、 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、 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） 方案三采用 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、 方案选择 方案比较 数字电路 单片机 PLC 制作难度 低 一般 一般 实现难度 一般 低 低 价格 低 一般 高 电路原理 简单 一般 一般 设计难度 简单 高 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 、 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、 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（ 4Q1Q）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 1 74LS148 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 00110000。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 2 74121 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、 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