八路搶答器的設計-畢業(yè)論文設計

摘要搶答器作為一種工具，已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。但搶答器的使用頻率較低，且有的要么制作復雜，要么可靠性低。作為一個單位，如果專門購一臺搶答器雖然在經濟上可以承受，但每年使用的次數(shù)極少，往往因長期存放使（電子器件的）搶答器損壞，再購置的麻煩和及時性就會影響活動的開展，因此設計了本搶答器。本設計是以八路搶答為基本理念。考慮到依需設定限時回答的功能，利用80C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的搶答系統(tǒng)，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和計數(shù)的原理，將軟、硬件有機地結合起來，使得系統(tǒng)能夠正確地進行計時，同時使數(shù)碼管能夠正確地顯示時間。用開關做鍵盤輸出，揚聲器發(fā)聲提示。同時系統(tǒng)能夠實現(xiàn)：在搶答中，只有開始后搶答才有效，如果在開始搶答前搶答為無效；搶答限定時間和回答問題的時間可在1-99s設定；可以顯示是哪位選手有效搶答和無效搶答，正確按鍵后有音樂提示；搶答時間和回答問題時間倒記時顯示，滿時后系統(tǒng)計時自動復位及主控強制復位；按鍵鎖定，在有效狀態(tài)下，按鍵無效非法。關鍵詞：80C51，LED數(shù)碼管，搶答器，計時八路搶答器的總體圖具體設計方案如下：①接通電源后，主持人將開關撥到"清除"狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器和指示燈滅燈，等主持人將開關置“開始”位置后，搶答器處于等待狀態(tài)，此時可以進行搶答。②搶答器完成：優(yōu)先判斷搶答的組號，并將編號進行鎖存，然后通過譯碼器將編號顯示在七段數(shù)碼管上。③如果再次搶答必須由主持人操作"清除"和"開始"狀態(tài)的開關，即需要主持人清零。2.2.2設計理論依據(jù)計時模塊最主要的是選手的按鍵，其它的都是簡單的編程問題。搶答器的關鍵在于選手按下鍵所給出的脈沖，由單片機內的程序對鍵盤進行查詢，然后去執(zhí)行相應的命令。即大家所看到搶答過程。第三章關鍵器件介紹整個電路的電子器件有：555定時器，CD4511以及若干電容和電阻。我詳細介紹一下我所設計的這兩個電路中所用到的重要器件（數(shù)碼管和555定時器）：3.1數(shù)碼管簡介3.1.1數(shù)碼管結構數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字0～9符號及小數(shù)點。數(shù)碼管的外型結構如圖3-1所示。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結構，分別如圖3-2和圖3-3所示。圖3-1外型結構圖3-2共陰極圖3-3共陽極3.1.2數(shù)碼管工作原理數(shù)碼管就是由簡單的半導體二極管構成，而二極管就是一個PN結，在一個PN結兩端接上相應的電極引線，外面用金屬（或玻璃、塑料）管殼封裝起來，就構成了半導體二極管。共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅動電路輸出端。當某段驅動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻。3.1.3數(shù)碼管字形選擇要使數(shù)碼管顯示出相應的數(shù)字或字符必須使段數(shù)據(jù)口輸出相應的字形編碼。表3.1數(shù)碼管字型編碼表顯示字符字形共陽極Dpgfedcba字型碼000001000111H1111010111D7H220011001032H331001001092H4411011001D4H551001100098H660001100018H7711010011D3H880001000010H991001000090H。。011111117FH熄滅滅11111111FFH靜態(tài)顯示是指數(shù)碼管顯示某一字符時，相字型碼各位定義如下：數(shù)據(jù)線D0與a字段對應，D1字段與b字段對應……，依此類推。如使用共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對應字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對應字段亮。1、靜態(tài)顯示概念對應的發(fā)光二極管恒定導通或恒定截止。這種顯示方式的各位數(shù)碼管相互獨立，公共端恒定接地（共陰極）或接正電源（共陽極）。每個數(shù)碼管的8個字段分別與一個8位I/O口地址相連，I/O口只要有段碼輸出，相應字符即顯示出來，并保持不變，直到I/O口輸出新的段碼。采用靜態(tài)顯示方式，較小的電流即可獲得較高的亮度，且占用CPU時間少，編程簡單，顯示便于監(jiān)測和控制，但其占用的口線多，硬件電路復雜，成本高，只適合于顯示位數(shù)較少的場合。2、動態(tài)顯示概念動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位數(shù)碼管，這種逐位點亮顯示器的方式稱為位掃描。通常，各位數(shù)碼管的段選線相應并聯(lián)在一起，由一個8位的I/O口控制；各位的位選線（公共陰極或陽極）由另外的I/O口線控制。動態(tài)方式顯示時，各數(shù)碼管分時輪流選通，要使其穩(wěn)定顯示必須采用掃描方式，即在某一時刻只選通一位數(shù)碼管，并送出相應的段碼，在另一時刻選通另一位數(shù)碼管，并送出相應的段碼，依此規(guī)律循環(huán)，即可使各位數(shù)碼管顯示將要顯示的字符，雖然這些字符是在不同的時刻分別顯示，但由于人眼存在視覺暫留效應，只要每位顯示間隔足夠短就可以給人同時顯示的感覺。采用動態(tài)顯示方式比較節(jié)省I/O口，硬件電路也較靜態(tài)顯示方式簡單，但其亮度不如靜態(tài)顯示方式，而且在顯示位數(shù)較多時，CPU要依次掃描，占用CPU較多的時間。CD4511是一個用于驅動共陰極LED（數(shù)碼管）顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器，特點如下：具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域寗覮ED顯示器。其引腳如圖CD4511其引腳圖

（1）鎖存功能譯碼器的鎖存電路由傳輸門和反相器組成,1腳相位輸出端，傳輸門的導通或截止由控制端LE的電平狀態(tài)。

當LE為“0”電平導通，四位數(shù)碼管引腳圖以及封裝尺寸。TG2截止；管腳圖引腳圖及真值表封裝如下：。當LE為“1”電平時，三位數(shù)碼管引腳圖以及封裝尺寸。TG1截止，GS為片優(yōu)先編碼輸出端。TG2導通，其實最簡單的方法是用5V電源，此時有鎖存作用。（2）譯碼

CD4511譯碼用兩級或非門擔任，PNP三極管管腳圖TO-92管腳圖：。為了簡化線路，每組有一個控制端G，先用二輸入端與非門對輸入數(shù)

據(jù)B、C進行組合，另一種是TOSLINK光纜接口，得出、、、四項，uA709,然后將輸入的數(shù)據(jù)A、D一起用或非門譯碼。引腳電壓（V）功能說明19.2VCC1電源24.8垂直觸發(fā)輸入端34.8單穩(wěn)多諧振蕩時44.8場幅控制端5.550/60HZ轉換場幅64.8鋸齒波電壓形成74.6場輸出交、直流824.5VCC2電源91.9泵電源輸出端101.5防自激負反饋輸110地1215場掃描輸出端1324場輸出電源。3.2555定時器簡介555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件。555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555定時器的內部電路框圖和外引腳排列圖分別如下圖555定時器的內部電路框圖和外引腳排列圖3.2.1555定時器的應用（1）構成施密特觸發(fā)器，用于TTL系統(tǒng)的接口，整形電路或脈沖鑒幅等；（2）構成多諧振蕩器，組成信號產生電路；（3）構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，用于定時延時整形及一些定時開關中。555應用電路采用這3種方式中的1種或多種組合起來可以組成各種實用的電子電路，如定時器、分頻器、元件參數(shù)和電路檢測電路、玩具游戲機電路、音響告警電路、電源交換電路、頻率變換電路、自動控制電路等。3.2.2555定時器的電路結構和工作原理它內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個RS觸發(fā)器，一個放電管T及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC/3和2VCC/3555定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當5腳懸空時，則電壓比較器A1的反相輸入端的電壓為2VCC/3，A2的同相輸入端的電壓為VCC/3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC/3，則比較器A2的輸出為1，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3，同時TR端的電壓大于VCC/3，則A1的輸出為1，A2的輸出為0，可將RS觸發(fā)器置0，使輸出為0電平。(1)它的各個引腳功能如下：1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低處發(fā)端3腳：輸出端Vo4腳：是直接清零端。當此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平,時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5腳：VC為控制電壓端，若此端外接電壓，則改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01uF電容接地，以防引入干擾。6腳：THA高觸發(fā)端。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5-16V,CMOS型時基電路VCC的范圍為3-18V。一般用5V在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器A1、A2基準電壓分別為（3）555的特點有：1.只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。2.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。3.它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。555的基電路的功能表如3-1所示清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端TLQ放電管T功能0××0導通直接清零101x保持上一狀態(tài)保持上一狀態(tài)1101截止置11001截止置11110導通清零表3-1555定時器的功能表由電路框圖和功能表可以得出如下結論：1.555定時器有兩個閾值，分別是4.5V和3V。2.輸出端3腳和放電端7腳的狀態(tài)一致，輸出低電平對應放電管飽和，在7腳外接有上拉電阻時，7腳為低電平。輸出高電平對應放電管截止，在有上拉電阻時，7腳為高電平。3．輸出端狀態(tài)的改變有滯回現(xiàn)象，回差電壓為1.5V。4．輸出與觸發(fā)輸入反相。3.2.3555定時器與觸發(fā)器的聯(lián)系1.555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖2上圖為由555定時器和外接定時元件R、C構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。D為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端處于電源電平，內部放電開關管T導通，輸出端Vo輸出低電平，當有一個外部負脈沖觸發(fā)信號加到Vi端。并使2端電位瞬時低于1/3VCC，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個穩(wěn)態(tài)過程，電容C開始充電，Vc按指數(shù)規(guī)律增長。當Vc充電到2/3VCC時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開關管T重新導通，電容C上的電荷很快經放電開關管放電，暫態(tài)結束，恢復穩(wěn)定，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準備。波形圖見圖3。圖3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間Tw（即為延時時間）決定于外接元件R、C的大小。Tw=1.1RC通過改變R、C的大小，可使延時時間在幾個微秒和幾十分鐘之間變化。當這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時器時，可直接驅動小型繼電器，并可采用復位端接地的方法來終止暫態(tài)，重新計時。此外需用一個續(xù)流二極管與繼電器線圈并接，以防繼電器線圈反電勢損壞內部功率管。2.555定時器接成多諧振蕩器多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。

圖4多諧振蕩器和工作波形接通電源后，假定是高電平，則T截止，電容C充電。充電回路是VCC—R1—R2—C—地，按指數(shù)規(guī)律上升，當上升到時（TH、端電平大于），輸出翻轉為低電平。是低電平，T導通，C放電，放電回路為C—R2—T—地，按指數(shù)規(guī)律下降，當下降到時（TH、端電平小于），輸出翻轉為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如此周而復始，產生振蕩，經分析可得輸出高電平時間T=(R1+R2)Cln2輸出低電平時間T=R2Cln2振蕩周期T=(R1+2R2)Cln2電路設計搶答器現(xiàn)在廣泛的應用于生活實踐中及各個領域，那么我們所熟悉的搶答器，又有幾部分構成呢？搶答器的電路的構成：搶答電路、音響電路、時序電路。4.1搶答電路搶答電路的功能有兩個：一是能分辨出選手按鍵的的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作無效。其電路圖如下：工作過程：開關S置于“清除”端時，RS觸發(fā)器的端均為0，5個觸發(fā)器輸出置0，使74LS148的＝0，使之處于工作狀態(tài)。當開關S置于“開始”時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當有選手將鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出,,經RS鎖存后,2Q=1,,74LS48處于工作狀態(tài)，5Q4Q3Q=101，且1Q=0，則經譯碼顯示為“5”。此外，2Q＝１，使74LS148的＝１，處于禁止狀態(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時，74LS148的此時由于仍有2Q＝１，使＝１，所以74LS148仍處于禁止狀態(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將S開關重新置于“清除”然后再進行下一輪搶答。若按下S0，經RS鎖存器后，1Q=1，74LS148的輸出,,經RS鎖存后,2Q=1,,74LS48處于工作狀態(tài)，5Q4Q3Q=000，且1Q=1,所以經譯碼顯示為“8”。保證搶答者的優(yōu)先性與上述類似。若所按的是其他開關(S1、S2、S3、S4、S6、S7)的工作過程與按下開關S5的工作過程相似，只是5Q4Q3Q的輸出會發(fā)生變化。=1\*GB3①優(yōu)先判決器優(yōu)先判決器主要是由74LS148集成優(yōu)先編碼器等組成。該編碼器有8個信號輸入端，3個二進制碼輸出端，選通輸入端，選通輸出端和擴展端。其功能表如表2所示。從功能表中可以看出當＝“0”時，編碼器工作，而當＝“1”時，則不論8個輸入端為何種狀態(tài)，輸出端均為“1”，且端和端為“1”，編碼器處于非工作狀態(tài),這種情況被稱為輸入低電平有效。表2

優(yōu)先編碼器74LS148功能表輸入輸出11111101111111111101000001000100110001101010001110111000111110010001111110110001111111101000111111111110注：表中×代表任意狀態(tài) =2\*GB3②鎖存器 SR鎖存器是該設計中保證多個開關隨后觸發(fā)而不產生紊亂的重要部分，因實驗室不能提供現(xiàn)成的鎖存器，則用兩個與非門(與非門由集成電路74LS00提供)組成了一個SR鎖存器，連線如圖3所示，其真值表見表3。表3用與非門組成的SR鎖存器的特性表Q1100111101010111100110110001=1\*GB3①0011=1\*GB3①注：=1\*GB3①SD、RD的0狀態(tài)同時消失以后狀態(tài)不定。 ③譯碼器 本設計中選用的其中BCD碼輸入端，碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅動共陰極LED數(shù)碼管。測燈輸入端，＝“0”時，譯碼輸出全為“1”，數(shù)碼管七段同時電亮，以檢查數(shù)碼管各段能否正常發(fā)光。滅燈輸入端，＝“0”時，譯碼輸出全為“0”。作為輸出端使用時，稱滅“0”輸出端，在=0時，才會輸出低電平，表示譯碼器把不希望顯示的零熄滅了?！爿斎攵恕Ｓ脕硐绮幌Ｍ@示的零4.2音響電路由555定時器和三極管構成的報警電路如圖3-3所示：圖4.2報警電路其中555構成多諧振蕩器，振蕩頻率為：f0=1/(R1+2R2)*C*ln2=1.43/(R1+2R2)*C其輸出信號經三極管推動揚聲器。PR為控制信號，當PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振不再工作。4.2.1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設音響提示時間為2秒左右，可采用一脈寬為2秒的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)。實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的方法有很多，可以用與非門或者非門電路實現(xiàn)微分型單穩(wěn)、利用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)單穩(wěn)、集成單穩(wěn)等。現(xiàn)采用555定時器實現(xiàn)，注意其脈寬的計算公式為tw=1.1RC.若一個負脈沖觸發(fā)信號到來，將有效觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路產生一個脈寬為2秒的正脈沖。4.2.2音頻振蕩器及喇叭電路利用555定時器實現(xiàn)頻率約1kHz的音頻振蕩器，因555定時器有較強的功率輸出能力，可以直接推動喇叭輸出。當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進入暫穩(wěn)態(tài)產生一個正脈沖時，控制555定時器開始工作，發(fā)出響聲；當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器自動返回穩(wěn)態(tài)后，555定時器清零，不能發(fā)聲。4.3時序電路時序控制電路是搶答器設計的關鍵，它要完成以下三項功能：①主持人將控制開關撥到“開始”位置時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進入正常搶答工作狀態(tài)，②當參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作。③當設定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發(fā)聲，同時搶答電路和定時電路停止工作。根據(jù)上面的功能要求以及圖3.2.1和圖3.2.2，設計的時序控制電路如圖3.2.4所示：圖3.2.4(A)搶答與定時電路的時序控制電路圖3.2.4(B)報警電路的時序控制電路圖中，門G1的作用是控制時鐘信號CP的放行與禁止，門G2的作用是控制74LS148的輸入使能端ST。圖3-4（a）的工作原理是：主持人控制開關從“清零”位置撥到“開始”位置時，來自于圖3-1中的74LS279的輸出CTR=0，經G3反相，A=1，則從555輸出端來的時鐘信號CP能夠加到74LS192的CPD時鐘輸入端，定時電路進行遞減計時，在定時時間未到時，來自于圖3-2的74LS192的借位輸出端BO2=1，門G2的輸出ST=0，使74LS148處于正常工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能①的要求；當選手在定時時間內按動搶答鍵時，CTR=1，經G3反相，A=0，封鎖CP信號，定時器處于保持狀態(tài)，門G2的輸出ST=1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能②的要求；當定時時間到時，來自于圖3-2的74LS192的借位輸出端BO2=0，門G2的輸出ST=1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進行搶答，門G1同時處于關門狀態(tài)，封鎖CP信號，使定時電路為00狀態(tài)，從而實現(xiàn)功能③的要求，74LS121用于控制報警電路及發(fā)聲的時間。電路實驗與調試5.1焊接通過實驗原理圖進行實物焊接，焊接時能深刻體會到焊接工藝的重要性：各個芯片的引腳功能不能混淆，必須了解各個芯片的使用方法，內部結構以及使用時的注意事項，該接電源的一定要接電源，該接地的一定要接地，且不能有懸空。同時在電路板上要預先確定電源的正負端，便于區(qū)分及焊接。正確焊接各芯片個管腳連接必須查閱各種資料并記錄，以確保在焊接過程和調試過程中芯片不被燒壞，同時確保整個電路的正確性。在焊接完后每塊芯片都用萬用表檢測，看是否有短接等，還有焊接時要盡量使布線規(guī)范清晰明了，這樣才有利于在調試過程