数字抢答器的设计.docx

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数字抢答器的设计

目录

第1节引言………………………………………………………………………1

1.1数字抢答器概述……………………………………………………………1

1.2设计任务与要求……………………………………………………………1

1.3系统主要功能………………………………………………………………2

第2节抢答器硬件设计……………………………………………………………4

2.1抢答器总体方框图………………………………………………………4

2.2单元电路设计……………………………………………………………4

2.3抢答器原理………………………………………………………………8

第3节系统软件设计……………………………………………………………9

3.1系统主程序设计…………………………………………………………9

3.2中断服务程序设计………………………………………………………10

第4节结束语……………………………………………………………………11

参考文献………………………………………………………………………12

附录……………………………………………………………………………13

数字抢答器的设计

数理与信息工程学院056计算机专升本唐建丰

指导老师：

余水宝张胜

第1节引言

单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。

若把经典的电子系统当作一个僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。

而随着技术的进步，单片机与串口通信的结合更多地应用到各个电子系统中已成一种趋势。

本设计就是基于单片机设计抢答系统，通过串口通信动态传输数据，使抢答系统有了更多更完善的功能。

单片机系统的硬件结构给予了抢答系统“身躯”，而单片机的应用程序赋予了其新的“生命”，使其在传统的抢答器面前具有电路简单、成本低、运行可靠等特色。

对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的，选手进行抢答，抢到题的选手来回答问题。

抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。

选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。

1.1数字抢答器的概述

对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的，选手进行抢答，抢到题的选手来回答问题。

抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。

选手们都站在同一个起跑线上，体现了公平公正的原则。

本实验设计的数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。

优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。

通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。

经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。

更具有实用性。

1.2设计任务与要求

任务：

设计一款数字抢答器

1、基本要求

（1）抢答器同时供6名选手或6个代表队比赛，分别用6个按钮S0~S5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，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。

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。

（4）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，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。

（5）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。

（6）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优点：

与普通抢答器相比，本作品有以下几方面优势:

1、具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵避免有人在主持人说“开始”前提前抢答违反规则。

2、具有定时功能，在30秒内无人抢答表示所有参赛选手获参赛队对本题弃权。

3、30秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。

1.3系统主要功能

其主要功能有：

与普通抢答器相比，本作品有以下几方面优势：

1、具有清零装置和抢答控制，可由主持人操纵避免有人在主持人说“开始”前提前抢答违反规则。

2、具有定时功能，在30秒内无人抢答表示所有参赛选手获参赛队对本题弃权。

3、30秒时仍无人抢答其报警电路工作表示抢答时间耗尽并禁止抢答。

4、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。

5、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15s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10s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。

6、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。

7、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。

数字抢答器图

第2节抢答器硬件设计

2.1数字抢答器总体方框图

如图11、1所示为总体方框图。

其工作原理为：

接通电源后，主持人将开关拨到"清除"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置?

quot;开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。

定时器倒计时，扬声器给出声响提示。

选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：

优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。

当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。

如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。

图1数字抢答器框图

2.2单元电路设计

（1）抢答器电路电路如图２所示。

该电路完成两个功能：

一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。

工作过程：

开关S置于"清除"端时，RS触发器的端均为０，４个触发器输出置０，使74LS148的＝０，使之处于工作状态。

当开关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，1Q=1,=1,74LS48处于工作状态，４Q３Q２Q=101,经译码显示为"５"。

此外，1Ｑ＝１，使74LS148＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。

当按键松开即按下时，74LS148的此时由于仍为１Ｑ＝１，使＝１，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。

如有再次抢答需由主持人将Ｓ开关重新置?

quot;清除"然后再进行下一轮抢答。

74LS148为８线－３线优先编码器，图3为其功能表。

图２数字抢答器电路

图374LS148的功能真值表

（2）定时电路

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，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。

可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路如图11、3所示。

图4可预置时间的定时电路

（3）报警电路

由555定时器和三极管构成的报警电路如图11、4所示。

其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋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。

图5报警电路

（4）时序控制电路

 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

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6时序控制电路

图中，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的输人使能端。

图11、4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11、2中的74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A＝1，则时钟信号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，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，1Q＝1，经G3反相，A＝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，从而实现功能②的要求。

当定时时间到时，则"定时到信号"为0，=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CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能③的要求。

集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间，其工作原理请读者自行分析。

2.3抢答器原理

该抢答器供不多于四个的抢答比赛使用。

每个选手的座位前安装一只抢答按钮开关和一只信号灯。

主持人的座位前安装一只复原按钮开关、一只蜂鸣器和一只抢答器工作状态指示灯。

每当主持人口头发出允许抢答的号令之后，哪个队先按下座位上的按钮开关，该座位的信号灯就先被点亮，同时封锁其他按钮开关的活动。

并且熄灭主持人座位上的状态指示灯和发出3声类似于电话振铃的提示声，以“声明”此次抢答动作已经完成。

在主持人确认后，按下复原按钮，状态指示灯重新点亮，并且同时发出“笛——笛——”声，为下一次的抢答作好准备。

电路中的蜂鸣器FM是一只带有助音腔的压电陶瓷蜂鸣器，用于模拟发出报警声的功率放大器和喇叭。

在FM发声的同时，灯D6也在发光。

FM可以看作是一个电容性负载，本身不能流过直流电流。

发声的原理是，作用在两个电极极板的电位在发生变化时，陶瓷材料就发生弯曲，从而振动空气发出声音。

FM和4只按钮开关SWa~SWd以及4只电阻Ra~Rd都是在演示板的基础上额外添加的。

由于RB端口内部具有上拉电阻，只要用软件设置其有效，即可省略在4只端口引脚上外接上拉电阻。

按钮开关和指示灯与座位的对应关系如表3所示。

按钮开关和指示灯与座位的对应关系

座位

主持人席

座位1

座位2

座位3

座位4

座位5

座位6

按钮开关

SW1

SWa

SWb

SWc

SWd

SWe

SWf

指示灯

D7

D0

D1

D2

D3

D4

D5

蜂鸣器

有

无

无

无

无

无

无

第3节系统的软件设计

3.1系统主程序设计

本例的电话振铃的提示声用软件实现。

在此设计的提示音是以发声1秒、停顿1秒的间歇方式，连发3声。

我们可以用3个不同工作频率的振荡器（频率为500Hz的低音发生器、频率为630Hz的高音发生器和频率为10Hz的用于高、低音切换的振荡器）产生出悦耳的铃声。

500Hz音频对应的周期为2000μS。

如果利用定时器/计数器TMR0模块产生该延迟时间，可以找出恰当的分频比和初始值，分别是1：

8和131。

同理，产生630Hz音频应该采用的分频比和初始值，分别是1：

8和157。

其中，500Hz计算式为T=1/500Hz=0.002s=2000μS，L1000μS÷8=125=256-131；630Hz计算式为T=1/630Hz=0.0015873s=1587.3μS，793.65μHS÷8≈99=256-157。

这两个音频信号再以每秒10次的频率轮流切换，从单片机的一条口线（RC6）上送出，每个信号持续的时间是50ms。

那么，对于500Hz来说，50ms之内包含信号周期的个数为500Hz×0.05s=25个，包含（从高到低和从低到高）的电平切换次数为25×2=50次。

同理，对于630Hz来说，电平切换次数为31.5×2=63次。

因此，发声1秒需要轮流调用500Hz和630Hz的产生程序各10次。

图11是其程序流程图，其中，11（a）为主程序流程图如下，11（b）为中断服务子程序流程图，

主程序

设置RC端口为输出

↓

设置Rb端口为输入

为选项寄存器赋初值

放开INT及总中断控制位

将断口RC全部为底电平

清除RB中断标志

↓

进入睡眠态等待中断

中断到来转服务子程序

3.2中断服务程序设计

中断程序（如图9所示）完成时间计数，时间调整，误差消除等功能。

中断采用AT892051内部T0中断实现，定时时间为125ms，当时间到达125ms×8，即1分钟时，分计数缓冲器MINBUFFER增加1小时，则时计数缓冲器和时计数缓冲器分别到达60min、24h时，则对它们清零，以便重新计数。

是

是

否

图9中断服务子程序

结束语

基于单片机应用系统设计比较的难,从未接触过任何的应用系统的设计,对老师要求我们做的应用系统的设计根本无从下手,于是从图书馆借了几本有关单片机的应用系统的实例书籍，并且在网上参考了较多本实例的应用知识，了解了系统设计报告的写法和结构。

参考了网上较多的实例，实在话，让我自己亲手动手去做实在不能完成，只有通过图书馆借的书和通过网络才可完成。

这一定程度上也提高了网上搜索信息的能力。

在借鉴了网上的信息，同时添加了自己借的书中的一些内容，整合成了这篇设计。

共花了我三天时间，一直是呆在寝室做这个系统设计，除了吃饭出去一下，这三天时间有两天是花在在网上搜索本系统设计有关的知识。

在网上发现很多优秀的产品多是基于单片机来制作成。

感知单片机的应用范围实在太广了，小到一个小小的电子时钟，就是我们短学期做的作品，大到航天卫星，与我们日常生活是栩栩相关。

今天总算完成了设计，心中还是蛮开心的，这并不是说我想偷懒或者是想偷工减料，草草完事；而是依靠自己完成了这个设计文档，在还未做之前，一直在想这个设计文档该如何完成….心里真的没底，就连上睡觉的时候也在想着这问题，而今天我完成了。

有点感触就是：

任何事情只要去做，多多去尝试，努力的要以自己去做为前提的心态，那么任何事情即使做的不好，也会受益很多，不是有句话叫做：

心态决定的成败的话吗，实在是有理。

不知想写些什么，今天晚上去吃饭的时候，碰到考研教室的同学说：

好几天没看到你了啊，，我笑着说：

马上就要过去了。

在路上心想：

前面的路还很长，还得要一步步走过。

就像有所歌唱的那样不经历风雨，怎么见彩虹。

记得在余老师叫我们做系统设计文档的时候，我们却钨声不断，然后余老师说了一句很经典的话：

“即使你们现在骂我，我也还是要叫你们去做。

”现在想来的确应该如此。

只有做过了才知道事情是怎么一回事。

同时也对我们以后的毕业设计做好更好的准备。

感谢老师叫我们做这个设计报告！

参考文献

[1]谢自美，《电子线路设计·实验·测试》。

华中理工大学出版社

[2]历雅萍、易映萍编《电子技术课程设计》。

高等教育出版社

[3]彭介华主编《电子技术课程设计指导》。

高等教育出版社

[4]任致程主编《经典集成电路400例》。

机械工业出版社

附录

1.电路原理图

2.抢答器功能说明

1、可以设计声控装置，在主持人说开始时，系统自动完成清零并开始计时的功能。

2、在主持人读题的过程中，禁止抢答，可以在主持人控制的开关上另接一个与图2一样的电路，即可实现“违规者可见”的功能，即在主持人读题时如果有人违反比赛规定抢先按动按钮，显示器可以显示是哪个参赛队抢先，便于作出相应的处理。

3.全部源程序

P1.0为开始抢答，P1.7为停止，p1.1-p1.6为六路抢答输入数码管段选P0口，位选P2口，蜂鸣器输出为P3.6口。

OKEQU20H;抢答开始标志位;将P1口与P2口互换，P3.0-P1.0,P3.1-P1.7

RINGEQU22H;响铃标志位

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0003H

AJMPINT0SUB

ORG000BH

AJMPT0INT

ORG0013H

AJMPINT1SUB

ORG001BH

AJMPT1INT

ORG0040H

MAIN:

MOVR1,#0FH;初设抢答时间为15s

MOVR2,#0AH;初设答题时间为10s

MOVTMOD,#11H;设置未定时器/模式1

MOVTH0,#0F0H

MOVTL0,#0FFH;越高发声频率越高,越尖

MOVTH1,#3CH

MOVTL1,#0B0H;50ms为一次溢出中断

SETBEA

SETBET0

SETBET1

SETBEX0

SETBEX1;允许四个中断,T0/T1/INT0/INT1

CLROK

CLRRING

SETBTR1

SETBTR0;一开始就运行定时器,以开始显示FFF.如果想重新计数,重置TH1/TL1就可以了

;=====查询程序=====

START:

MOVR5,#0BH

MOVR4,#0BH

MOVR3,#0BH

ACALLDISPLAY;未开始抢答时候显示FFF

JBP1.0,NEXT;ddddddd

ACALLDELAY

JBP1.0,NEXT;去抖动,如果"开始键"按下就向下执行,否者跳到非法抢答查询

ACALLBARK;按键发声

MOVA,R1

MOVR6,A;送R1->R6,因为R1中保存了抢答时间

SETBOK;抢答标志位,用于COUNT只程序中判断是否查询抢答

MOVR3,0AH;抢答只显示计时,灭号数

AJMPCOUNT;进入倒计时程序,"查询有效抢答的程序"在COUNT里面

NEXT:

JNBP1.1,FALSE1

NBP1.2,FALSE2

JNBP1.3,FALSE3

NBP1.4,FALSE4

JNBP1.5,FALSE5

JNBP1.6,FALSE6

AJMPSTART

;=====非法抢答处理程序=====

FALSE1:

ACALLBARK;按键发声

MOVR3,#01H

AJMPERROR

FALSE2:

ACALLBARK

MOVR3,#02H

AJMPERROR

FALSE3:

ACALLBARK

MOVR3,#03H

AJMPERROR

FALSE4:

ACALLBARK

MOVR3,#04H

AJMPERROR

FALSE5:

ACALLBARK

MOVR3,#05H

AJMPERROR

FALSE6:

ACALLBARK

MOVR3,#06H

AJMPERROR

;=====INT0（抢答时间R1调整程序）=====

INT0SUB:

MOVA,R1

MOVB,#0AH

DIVAB

MOVR5,A

MOVR4,B

MOVR3,#0AH

ACALLDISPLAY;先在两个时间LED上显示R1

JNBP3.4,INC0;P3.4为+1s键,如按下跳到INCO

JNBP3.5,DEC0;P3.5为-1s键,如按下跳到DECO

JNBP1.7,BACK0;P3.1为确定键,如按下跳到BACKO

AJMPINT0SUB

INC0:

MOVA,R1

CJNEA,#63H,ADD0;如果不是99,R2加1,如果加到99了,R1就置0，重新加起。

MOVR1,#00H

ACALLDELAY1

AJMPINT0SUB

ADD0:

INCR1

ACALLDELAY1

AJMPINT0SUB

DEC0:

MOVA,R1

JZSETR1;如果R1为0,R1就置99，

DECR1

ACALLDELAY1

AJMPINT0SUB

SETR1:

MOVR1,#63H

ACALLDELAY1

AJMPINT0SUB

BACK0:

RETI

;=====INT1（回答时间R2调整程序）=====

INT1SUB:

MOVA,R2

MOVB,#0AH

DIVAB

MOVR5,A

MOVR4,B

MOVR3,#0AH

ACALLDISPLAY

JNBP3.4,INC1

JNBP3.5,DEC1

JNBP1.7,BACK1

AJMPINT1SUB

INC1:

MOVA,R2

CJNEA,#63H,ADD1

MOVR2,#00H

ACALLDELAY1

AJMPINT1SUB

ADD1:

INCR2

ACALLDELAY1

AJMPINT1SUB

DEC1:

MOVA,R2

JZSETR2

DECR2

ACALLDELAY1

AJMPINT1SUB

SETR2:

MOVR2,#63H

ACALLDELAY1

AJMPINT1SUB

BACK1:

RETI

;=====倒计时程序（抢答倒计时和回答倒计时都跳到改程序）=====

COUNT:

MOVR0,#00H;重置定时器中断次数

MOVTH1,#3CH

MOVTL1,#0B0H;重置定时器

RECOUNT:

MOVA,R6;R6保存了倒计时的时间,之前先将抢答时间或回答时间给R6

MOVB,#0AH

DIVAB;除十分出个位/十位

MOV30H,A;十位存于（30H）

MOV31H,B;个位存于（31H）

MOVR5,30H;取十位

MOVR4,31H;取个位

MOVA,R6

SUBBA,#07H

JNCLARGER;大于5s跳到LARGER,小于等于5s会提醒

MOVA,R0

CJNEA,#0AH,FULL;1s中0.5s向下运行

CLRRING

AJMPCHECK

FULL:

CJNEA,#14H,CHECK;下面系1s的情况,响并显示号数并清R0,重新计

SETBRING

MOVA,R6

JZQUIT;计时完毕

MOVR0,#00H

DECR6;一秒标志减1

AJMPCHECK

LARGER:

MOVA,R0

CJNEA,#14H,CHECK;如果1s向下运行,否者跳到查"停/显示"

DECR6;计时一秒R6自动减1

MOVR0,#