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1、八路抢答器的设计摘要本文介绍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
2、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，
3、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
4、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
5、钮的输入。（图2）方案三采用PLC1、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
6、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
7、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
8、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
9、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。待添加的隐藏文字内容1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
10、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
11、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，振荡频率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
12、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，CTR1，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
13、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C100uF, R=25K,。有2.15秒。（原理图见图8）（图8） 表2 74121功能表(6) 电源
14、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。（具体电路见图9）（图9）六、 总结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
15、，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
16、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。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。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，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。附录（整机电路原理图）
