数字抢答器设计.docx

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数字抢答器设计

微处理器原理与接口课程设计

设计题目：

数字抢答器设计

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目录

1绪论3

1.1摘要3

1.2前言3

1.3设计任务4

1.4设计要求4

1.5设计目的...........................................................................................................................................4

2硬件设计4

2.1单片机控制原理..............................................................................................................................4

2.2抢答器原理......................................................................................................................................5

3电路设计6

3.1抢答电路设计6

3.2定时电路设计7

3.3报警电路设计8

3.4时序电路设计8

3.5整体电路设计……………………………………………………………………….11

4软件设计13

4.1程序设计………………………………………………………………………………………….13

4.2系统流程图……………………………………………………………………………………….14

4.3程序代码………………………………………………………………………………………….15

5调试功能说明16

5.1系统的调试介绍.............................................................................................................................16

5.2软件调试过程.................................................................................................................................16

6设计总结...................................................................................................................................................17

参考文献18

附录………………………………………………………………………………………………………19

1绪论

1.1摘要

介绍了数码显示八路抢答器电路的组成、设计及功能，电路采用74系列常用集成电路进行设计。

该抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警功能。

主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。

若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在规定的时间内无人抢答，则系统中的蜂鸣器将发响，提示主持人本轮抢答无效，实现报警功能，若超过抢答时间则抢答无效。

该抢答器主要运用到了编码器，译码器和锁存器：

它采用74LS148来实现抢答器的选号，采用74LS279芯片实现对号码的锁存，采用74LS192实现十进制的减法计数，采用555芯片产生秒脉冲信号来共同实现倒计时功能，采用74LS121单稳态芯片来实现报警信号的输出。

通过课程设计提高和巩固了所学的专业知识，以及知识的综合应用和焊接技术。

1.2前言

进入21世纪越来越来多的电子产品出现在人们的日常生活中，例如企业、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛,抢答记分器是必要设备。

过去在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。

人们于是开始寻求一种能不依人的主观意愿来判断的设备来规范比赛。

因此，为了克服这种现象的惯性发生人们利用各种资源和条件设计出很多的抢答器，从最初的简单抢答按钮，到后来的显示选手号的抢答器，再到现在的数显抢答器，其功能在一天的趋于完善不但可以用来倒计时抢答，还兼具报警，计分显示等等功能，有了这些更准确地仪器使得我们的竞赛变得更加精彩纷呈，也使比赛更突显其公平公正的原则。

今天随着科技的不断进步抢答器的制作也更加追求精益求精，人们摆脱了耗费很多元件仅来实现用指示灯和一些电路来实现简单的抢答功能，使第一个抢答的参赛者的编号能通过指示灯显示出来，避免不合理的现象发生。

但这种电路不易于扩展，而且当有更高要求是酒无法实现，例如参赛人数的增加。

随着数字电路的发展，数字抢答器诞生了，它易于扩展，可靠性好，集成度高，而且费用低，功能更加多样话，是一种高效能的产品。

而如今在市场上销售的抢答器大多采用可编程逻辑元器件，或利用单片机技术进行设计，本次设计主要利用常见的74LS系列集成电路芯片和555芯片，并通过划分功能模块进行各个部分的设计，最后完成了八路智力竞赛抢答器的设计。

1.3课程设计任务

⒈设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，每组各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。

设计的抢答器应该具有数据锁存和显示的功能。

抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时蜂鸣器给出音响提示。

此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。

在设计过程中还要给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。

这样就可以使第一个抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

1.4课程设计要求

⒈抢答器具有定时抢答的功能，必须在规定的时间内抢答，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时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

2当第一个人回答错误，其他人还可以有机会继续抢答。

⒊如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。

1.5设计目的

通过设计学习单片机最小系统的基本设计方法，掌握单片机应用系统的开发调试过程。

（1）学习单片机开发工具功能、特点和使用方法。

（2）学会单片机控制系统程序的编制和调试方法。

（3）设计单片机抢答器硬件电路，绘制出电路原理图。

（4）编制并调试出键盘扫描程序和显示驱动程序。

（5）掌握单片机定时器的基本用法，编制出定时器的中断程序。

2硬件设计

2.1单片机控制原理

单片机（SCM）是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）的简称。

它是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及输入/输出适配器都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。

它的最大优点是体积小，可放在仪表内部；但存储量小，输入/输出适配器简单，功能较低。

目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用，早已深深地融入人们的生活中。

简单的说，用单片机系统来设计抢答器，实现两组的抢答时间即使是相差几微秒，也可分辨出哪组优先答题。

P0端口（P0.0-P0.7）：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1端口（P1.0-P1.7）：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2端口（P2.0-P2.7）：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3端口（P3.0-P3.7）：

P3口管脚是一个带有内部上拉电阻的8位的双向I/O端口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。

2.2抢答器的原理

电子智能抢答计分器在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。

为了完成这个任务设计时系统能显示抢答组号、各组计分并能计分显示以及比赛结束时能发出报警声三个要求；电子智能抢答计分器主要是由硬件部分和软件部分构成，硬件和软件分开设计；

如图所示电路包括主体电路和扩展电路两部分。

其中主体电路完成基本的抢答功能，即主持人按下控制开关后，当选手按动抢答键时，数码管显示选手编号，同时封锁输入电路，其他选手抢答无效。

扩展电路完成定时抢答的功能以及报警功能。

图2.2所示电路的工作过程是：

接通电源后，主持人将控制开关置于“清除”处，此时抢答器处于禁止状态，选手不能进行抢答，定时显示器显示设定的时间（30s），当主持人将控制开关置于“开始”时，扬声器发出声响，抢答器处于工作状态，同时定时器开始倒计时。

当选手在定时时间内按动抢答键时，电路要完成以下功能：

（1）优先编码电路判断抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后通过译码显示电路在数码管上显示抢答者的编号；

（2）扬声器发出短暂声响；

（3）控制电路对其余输入编码进行封锁，禁止其他选手进行抢答；

（4）控制电路要使定时器停止工作，数码管上显示剩余的抢答时间，当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关进行系统清零，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

当定时时间到，却没有选手抢答时，系统将报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。

3电路设计

3.1抢答电路的设计

抢答电路的功能有两个：

一是能分辨出选手按键的的先后，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74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能。

其电路组成如图3-1所示。

其工作原理是：

当主持人控制开关处于“清零”位置时，RS触发器的R端为低电平，输出端（4Q～1Q）全部为低电平。

于是74LS48的BI=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。

当主持人将开关拨到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，既抢答器处于等待工作状态，等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出Y2Y1Y0=010，YEX=0，经RS锁存器后，CTR=1，BI=1，此时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74LS148的ST端为高电平，74LS148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，74LS148的YEX高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号仍不会被接受。

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，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。

3.2定时电路的设计

74LS48的7，6，2，3引脚接受来自74LS192的输出信号并把它译码显示在数码管上。

74LS192的9，10，11，15引脚完成时间设定功能，本设计要求定时30秒，所以把左边的芯片的1，15引脚接高电位，期于的全接低位，使的初始时间设定为30秒。

555芯片完成产生秒脉冲的功能。

工作过程为：

抢答开始前，74LS192的置数端为低电位，处于初始状态，数码管显示为30，5引脚接高电位。

抢答开始后，秒脉冲冲推动右边的芯片开始倒记时，同时右边芯片产生的信号做为左边芯片的CP信号推动左边的芯片倒记时，完成十进制的倒记时功能。

当有人抢答后1Q的输出为1，经过非门后变为0，通过与门屏蔽了秒信号，停止记时，完成显示抢答时间的功能。

当记到了30秒时，左边的芯片产生的定时到信号输出为低电位，也屏蔽了秒信号，使得数码管显示为00。

3.3报警电路的设计

由555定时器和三极管构成报警电路

其中555构成多谐振荡器，振荡频率为：

f0=1/（R1+2R2）*C*ln2=1.43/（R1+2R2）*C

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，反之，电路停振不再工作。

3.4时序电路的设计

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：

①主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态，

②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。

③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。

图3.4（A）抢答与定时电路的时序控制电路

桥式门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ST。

图3-4（a）的工作原理是：

主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时，来自于图3-1中的74LS279的输出CTR=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时，在定时时间未到时，来自于图3-2的74LS192的借位输出端BO2=1，门G2的输出ST=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求；当选手在定时时间内按动抢答键时，CTR=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持状态，门G2的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求；当定时时间到时，来自于图3-2的74LS192的借位输出端BO2=0，门G2的输出ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答，门G1同时处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路为00状态，从而实现功能③的要求，74LS121用于控制报警电路及发声的时间。

3.5整体电路的设计

经以上单元电路的设计，可以得到定时抢答电路的整机电路。

严格根据八路智力竞赛抢答器的总体方框图的指引再结合竞赛抢答器的抢答电路，定时电路，报警电路，控制电路绘制出总体电路！

接通电源后，主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，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键时，选择器分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示译码电路用并且使其它选手按键操作无效。

之后扬声器发声，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，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。

总体电路原理图如下：

4软件设计

4.1程序设计

软件任务分析和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完成，在硬件电路设计基本定型后，也就基本上决定下来了[9]。

软件任务分析环节是为软件设计做一个总体规划。

从软件的功能来看可分为两大类：

一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量，计算，显示，打印，输出控制和通信等，另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度角色的软件。

这两类软件的设计方法各有特色，执行软件的设计偏重算法效率，与硬件关系密切，千变万化。

软件任务分析时，应将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义（输入输出定义）。

在各执行模块进行定义时，将要牵扯到的数据结构和数据类型问题也一并规划好。

各执行模块规划好后，就可以监控程序了。

首先根据系统功能和键盘设置选择一种最适合的监控程序结构。

相对来讲，执行模块任务明确单纯，比较容易编程，而监控程序较易出问题。

这如同当一名操作工人比较容易，而当一个厂长就比较难了。

软件任务分析的另一个内容是如何安排监控软件和各执行模块。

整个系统软件可分为后台程序（背景程序）和前台程序。

后台程序指主程序及其调用的子程序，这类程序对实时性要求不是太高，延误几十ms甚至几百ms也没关系，故通常将监控程序（键盘解释程序），显示程序和打印程序等与操作者打交道的程序放在后台程序中执行；而前台程序安排一些实时性要求较高的内容，如定时系统和外部中断（如掉电中断）。

也可以将全部程序均安排在前台，后台程序为“使系统进入睡眠状态”，以利于系统节电和抗干扰。

智力竞赛抢答器要求有记忆功能，一次时间设置完，复位后不需重新进行时间设定，通过键盘扫描输出按键信息，再通过单片机将它转换成能在七段数码管上显示字型码。

当抢答完毕时，会在数码管上显示抢答者数字号码提示以表示抢答成功，同时显示其分数，分数的加减可有裁判手动进行。

采取独立式键盘，可以实现8路抢答。

在显示时使用的是七段数码管显示在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。

臂并通过查表发将其在数码管上显示出来，其中P1口为字型码输入端，P2口低6位为字选段输入端。

通过查表将字型码送给7段数码管显示的数字。

软件去抖动，如果“开始键”按下就向下执行，否则就跳到开始。

采用发声报警或者采用绿灯，起到报警作用。

如果想调节抢答时间或答题时间,按"抢答时间调节"键或"答题时间调节"键进入调节状态,此时会显示现在设定的抢答时间或回答时间值,如想加一秒按一下"加1s"键,如果想减一秒按一下"-1s"键，时间LED上会显示改变后的时间，调整范围为0s~99s,0s时再减1s会跳到99，99s时再加1s会变到0s。

主持人按"抢答开始"键，会有提示音，并立刻进入抢答倒计时（预设30s抢答时间），如有选手抢答，会有提示音，并会显示其号数并立刻进入回答倒计时（预设60s抢答时间），不进行抢答查询，所以只有第一个按抢答的选手有效。

倒数时间到小于5s会每秒响一下提示音。

如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按"停止"按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按"抢答开始"进入下次抢答计时。

如果主持人未按"抢答开始"键，而有人按了抢答按键，犯规抢答，LED上不断闪烁FF和犯规号数并响个不停，直到按下"停止"键为止。

4.2系统流程图

4.3程序代码（见附录）

5调试功能说明

5.1系统的调试介绍

　　系统调试包括硬件调试和软件调试，而且两者是密不可分的。

我们设计好的硬件电路和软件程序，只有经过联合调试，才能验证其正确性；软硬件的配人情况以及是否达到设计任务的要求，也只有经过调试，才能发现问题并加以解决、完善，最终开发成实用产品。

　　硬件调试分单元电路调试和联机调试，单元电路试验在硬件电路设计时已经进行，这里的调试只是将其制成印刷电路板后试验电路是否正确，并排除一些加工工艺性错误（如错线、开路、短路等）。

这种调试可单独模拟进行，也可通过开发装置由软件配合进行，硬件联机调试则必须在系统软件的配合下进行。

　　软件调试一般包括分块调试和联机调试两个阶段。

程序的分块调试一般在单片机开发装置上进行，可根据所调程序功能块的入口参量初值编制一个特殊的程序段，并连同被调程序功能块一起在开发装置上运行；也可配合对应硬件电路单独运行某程序功能块，然后检查是否正确，如果执行结果与预想的不一致，可以通过单步运行或设置断点的方法，查出原因并加以改正，直到运行结果正确为止。

这时该程序功能块已调试完毕，可去掉附加程序段。

其它程序功能块可按此法进行调试。

程序联机调试就是将已调试好的各程序功能块按总体结构联成一个完整程序，在所研制的硬件电路上运行。

从而试验程序整体运行的完整性、正确性和与硬件电路的配合情况。

在联调中可能会有某些支路上的程序、功能块因受条件制约而得不到相应的输入参数，这时，调试人员应创造条件进行模拟调试。

在联调中如发现硬件问题也应及时修正，直到单片机系统的软件、硬件全部调试成功为止。

系统调试完成后，还要进行一段时间的试运行，从而检验系统的稳定性和抗干扰能力，验证系统功能是否达到设计要求，是否达到预期的效果。

5.2软件调试过程

　　首先对所用软件及使用方法介绍如下：

　　1、Keil是德国开发的一个51单片机开发软件平台，最开始只是一个支持C语言和汇编语言的编译器软件。

后来随着开发人员的不断努力以及版本的不断升级，使它已经成为了一个重要的单片机开发平台，不过KEIL的界面并不是非常复杂，操作也不是非常困难，很多工程师的开发的优秀程序都是在KEIL的平台上编写出来的。

可以说它是一个比较重要的软件，熟悉他的人很多很多，用户群极为庞大，要远远超过伟福等厂家软件用户群，操作有不懂的地方只要找相关的书看看，到相关的单片机技术论坛问问，很快就可以掌握它的基本使用了。

　　2、总调，即应用软件的链接调试，程序固化，软、硬件结合的应用系统

　　软硬件联合仿真系统由一个硬件执行环境和一个软件执行环境组成，通常软件环境和硬件环境都有自己的除错和控制界面，Keil与Multisim的整合调试可以实现系统的总调，在该系统中，Keil作为软件调试界面，Multisim作为硬件仿真和调试界面，下面说一下如何在keil中调用Multisim进行MCU外围器件的仿真。

6设计总结

本次课程设计实习将理论与实践有机地结合，既考查了对理论知识的掌握程度，反映了实际动手能力，更主要的是考查了同学对知识的综合运用以及创新设计思维能力，为今后的发展提供了一次良好的学习环境。

针对课设题目八路抢答器，一开始还没有头绪，不会运用所学知识进行有效设计，但通过上网查阅各种类似的设计，去图书馆翻阅相关设计书籍，查阅所提供的芯片功能，确定基本设计方案，又通过仿真验证试验方案的可实行性，虽说比较烦杂但却对设计一个电路有了基本的经验。

同时也使自己认识到：

1、设计思路是整个设计的灵魂

在设计之前，我感觉到了自己的才疏学浅！

自己都不知道做个什么设计，一点方向都没有。

好在现在有网络资源，通过查看了好多设计之后决定了做“八路抢答器的设计”

拿下课题能有一个非常清晰的设计思路是至关重要的。

只有对课题的充分理解，对各种器件的熟练掌握，勾画出基本的设计图是成功的关键，，必须多花时间在设计上才能为后续工作提供更扎实的基础。

翻阅各种资料，上网查询填补所需知识的空白是必要的。

2、总之，在设计过程中学到了许多。

作为现代的大学生，如果仅停留在以往的层次上，是远远跟不上时代的步伐，也无法使自己立足在竞争如此激烈的社会里，通过此次实习，看到了自己的水平和差距，学要在今后的学习中又进一步的提高。

参考文献

[1]康光华主编.电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社

[2]阎石主编.数字电子技术基础高等教育出版社

[3]赵淑范