完整版八路抢答器的设计毕业设计Word文件下载.docx
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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。
第一章绪论
众所周知，科学技术的发展离不开实践，实践是促进科学技术发展的重要手段，应用起来更加广泛，电子系统的功能越来越强大，电路图也越来越复杂，印刷电路板的走线越来越复杂和精密。
计算机的应用使得我们对各种复杂的电路设计工作变得简单快捷。
“科学实践是科学理论的源泉”。
基于“基础研究，应用研究，开发研究，生产研究”四个方面，如果结合得好的话，经济建设和国防建设定会兴旺发达。
验证性实践和训练性的实践主要是针对电子技术本门学科范围内的理论验证和实际技能的培养。
综合性的实践，属于应用型实践，目的是培养学生综合运用所学的理论的能力和解决比较复杂的实际问题的能力。
设计性实践，主要侧重于某些理论知识的灵活运用。
随着自动化技术的飞速发展，各种新型电子器件和集成电路应用越集中，使得更好更复杂的电路得以实现。
电气自动化工具的集成设计环境，电子设计软件Pro99se软件等的运用使得设计电路更加方便。
作为应用电气自动化专业的学生，更应该熟练掌握各种电路编辑软件，作为专业必需的技能更要及时地对这一类软件的更新版本进行学习，其日趋强大的功能是对我们专业技能的补充。
科学的进步要求我们在不断的实践中熟练各种制板的技术，并不断地总结经验。
这次毕业设计对我来说非常重要，这是我第一次独立地完成一篇相对完整的学科设计，好的开头是成功的第一步，我更应该加倍努力去完成，尽力做到最好，为将来的学习及毕业设计的完成奠定良好的基础！
抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。
早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。
现在大多数抢答器均使用单片机（如MCS-51型）和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。
第二章设计要求、构思和理论依据
2.1设计要求
基于单片机的八路控制抢答器，能够及时快速地辨别选手的号码并执行主持人的命令。
八路抢答器功能为：
1、抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S1--S8表示。
2、设置一个系统清除和抢答控制开关S9，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，计数器进行减一计数，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，计数器停止工作，显示器上显示选手的编号，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0。
2.2设计构思和理论依据
2.2.1设计思路
整个抢答器的设计主要是按键模块。
按键模块可以通过AT89S51单片机内部适当的软件编程来实现。
8051中内部ROM是4K，RAM是256B。
本次设计的8路抢答器，用89S51单片机控制由主持人控制抢答开始和停止按键，选手按键后显示选手序号和点亮相应指示灯，之后开始倒计时，到相应时间，提醒选手时间将结束，启动蜂鸣器，提醒选手要及时作答从而更好把握作答时间。
根据设计我初步将系统分3为大功能模块：
主电路、控制电路和音响电路。
可将主电路分为一个十六进制（实现一分钟倒记时答题时间）计数、译码、显示电路；
数据采集电路（获得优先抢答选手的编号）分为8路抢答开关、八D数据锁存器、优先编码器、加1电路；
控制电路分为锁存控制、倒记时控制、音响控制；
音响电路分为单稳态触发器、音振及喇叭电路。
八路抢答器的总体图
具体设计方案如下：
①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，编号显示器和指示灯灭灯，等主持人将开关置“开始”位置后，抢答器处于等待状态，此时可以进行抢答。
②抢答器完成：
优先判断抢答的组号，并将编号进行锁存，然后通过译码器将编号显示在七段数码管上。
③如果再次抢答必须由主持人操作"
和"
状态的开关，即需要主持人清零。
2.2.2设计理论依据
计时模块最主要的是选手的按键，其它的都是简单的编程问题。
抢答器的关键在于选手按下键所给出的脉冲，由单片机内的程序对键盘进行查询，然后去执行相应的命令。
即大家所看到抢答过程。
第三章关键器件介绍
整个电路的电子器件有：
555定时器，CD4511以及若干电容和电阻。
我详细介绍一下我所设计的这两个电路中所用到的重要器件（数码管和555定时器）：
3.1数码管简介
3.1.1数码管结构
数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0～9符号及小数点。
数码管的外型结构如图3-1所示。
数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图3-2和图3-3所示。
图3-1外型结构图3-2共阴极图3-3共阳极
3.1.2数码管工作原理
数码管就是由简单的半导体二极管构成，而二极管就是一个PN结，在一个PN结两端接上相应的电极引线，外面用金属（或玻璃、塑料）管壳封装起来，就构成了半导体二极管。
共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
3.1.3数码管字形选择
要使数码管显示出相应的数字或字符必须使段数据口输出相应的字形编码。
表3.1数码管字型编码表
显示字符
字形
共阳极
Dp
g
f
e
d
c
b
a
字型码
1
11H
D7H
2
32H
3
92H
4
D4H
5
98H
6
18H
7
D3H
8
10H
9
90H
。
7FH
熄灭
灭
FFH
静态显示是指数码管显示某一字符时，相字型码各位定义如下：
数据线D0与a字段对应，D1字段与b字段对应……，依此类推。
如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；
如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。
1、静态显示概念
对应的发光二极管恒定导通或恒定截止。
这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。
每个数码管的8个字段分别与一个8位IO口地址相连，IO口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到IO口输出新的段码。
采用静态显示方式，较小的电流即可获得较高的亮度，且占用CPU时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。
2、动态显示概念
动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。
通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的IO口控制；
各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的IO口线控制。
动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码，依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符，虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人同时显示的感觉。
采用动态显示方式比较节省IO口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。
CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，采用16脚双列直插式，特点如下：
也可接双电源使用（±
1.5～±
15V），
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
然而很多厂商由于各种原因频频使用RCA接口甚至使用3.5mm的小型立体声接口进行SPDIF传输，可直接驱动LED显示器。
内部功能原理图：
其引脚如图
CD4511其引脚图
（1）锁存功能
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,1脚相位输出端，传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。
当LE为“0”电平导通，四位数码管引脚图以及封装尺寸。
TG2截止；
管脚图引脚图及真值表封装如下：
当LE为“1”电平时，三位数码管引脚图以及封装尺寸。
TG1截止，GS为片优先编码输出端。
TG2导通，其实最简单的方法是用5V电源，此时有锁存作用。
（2）译码
CD4511译码用两级或非门担任，PNP三极管管脚图TO-92管脚图：
为了简化线路，每组有一个控制端G，先用二输入端与非门对输入数
据B、C进行组合，另一种是TOSLINK光缆接口，得出、、、四项，uA709,然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
引脚电压（V）功能说明19.2VCC1电源24.8垂直触发输入端34.8单稳多谐振荡时44.8场幅控制端5.55060HZ转换场幅64.8锯齿波电压形成74.6场输出交、直流824.5VCC2电源91.9泵电源输出端101.5防自激负反馈输110地1215场扫描输出端1324场输出电源。
3.2555定时器简介
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如下图
555定时器的内部电路框图和外引脚排列图
3.2.1555定时器的应用
（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；
（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路；
（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。
555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。
3.2.2555定时器的电路结构和工作原理
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC3和2VCC3
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为2VCC3，A2的同相输入端的电压为VCC3。
若触发输入端TR的电压小于VCC3，则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC3，同时TR端的电压大于VCC3，则A1的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
（1）它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
2脚：
低处发端
3脚：
输出端Vo
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平,时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端，若此端外接电压，则改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01uF电容接地，以防引入干扰。
6脚：
THA高触发端。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5-16V,CMOS型时基电路VCC的范围为3-18V。
一般用5V在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为
（3）555的特点有：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
3.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
555的基电路的功能表如3-1所示
清零端
高触发端TH
低触发端TL
Q
放电管T
功能
×
导通
直接清零
x
保持上一状态
截止
置1
清零
表3-1555定时器的功能表
由电路框图和功能表可以得出如下结论：
1.555定时器有两个阈值，分别是4.5V和3V。
2.输出端3脚和放电端7脚的状态一致，输出低电平对应放电管饱和，在7脚外接有上拉电阻时，7脚为低电平。
输出高电平对应放电管截止，在有上拉电阻时，7脚为高电平。
3．输出端状态的改变有滞回现象，回差电压为1.5V。
4．输出与触发输入反相。
3.2.3555定时器与触发器的联系
1.555定时器构成单稳态触发器
图2
上图为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。
D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。
并使2端电位瞬时低于13VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。
当Vc充电到23VCC时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。
波形图见图3。
图3单稳态触发器波形图
暂稳态的持续时间Tw（即为延时时间）决定于外接元件R、C的大小。
Tw=1.1RC
通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。
当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。
此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。
2.555定时器接成多谐振荡器
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
图4多谐振荡器和工作波形
接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。
充电回路是VCC—R1—R2—
C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。
是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得
输出高电平时间T=（R1+R2）Cln2
输出低电平时间T=R2Cln2
振荡周期T=（R1+2R2）Cln2
第4章电路设计
抢答器现在广泛的应用于生活实践中及各个领域，那么我们所熟悉的抢答器，又有几部分构成呢？
抢答器的电路的构成：
抢答电路、音响电路、时序电路。
4.1抢答电路
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。
其电路图如下：
工作过程：
开关S置于“清除”端时，RS触发器的端均为0，5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,2Q=1,,74LS48处于工作状态，5Q4Q3Q=101，且1Q=0，则经译码显示为“5”。
此外，2Q＝１，使74LS148的＝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的此时由于仍有2Q＝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开关重新置于“清除”然后再进行下一轮抢答。
若按下S0，经RS锁存器后，1Q=1，74LS148的输出,,经RS锁存后,2Q=1,,74LS48处于工作状态，5Q4Q3Q=000，且1Q=1,所以经译码显示为“8”。
保证抢答者的优先性与上述类似。
若所按的是其他开关（S1、S2、S3、S4、S6、S7）的工作过程与按下开关S5的工作过程相似，只是5Q4Q3Q的输出会发生变化。
优先判决器
优先判决器主要是由74LS148集成优先编码器等组成。
该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端，选通输入端，选通输出端和扩展端。
其功能表如表2所示。
从功能表中可以看出当＝“0”时，编码器工作，而当＝“1”时，则不论8个输入端为何种状态，输出端均为“1”，且端和端为“1”，编码器处于非工作状态,这种情况被称为输入低电平有效。
表2
优先编码器74LS148功能表
输入
输出
111
11
11111111
01
0
000
10
001
011
010
10
0111
01111
100
011111
101
0111111
110
01111111
注：
表中×
代表任意状态
锁存器
SR锁存器是该设计中保证多个开关随后触发而不产生紊乱的重要部分，因实验室不能提供现成的锁存器，则用两个与非门（与非门由集成电路74LS00提供）组成了一个SR锁存器，连线如图3所示，其真值表见表3。
表3用与非门组成的SR锁存器的特性表
00
SD、RD的0状态同时消失以后状态不定。
③译码器
本设计中选用的译码器型号是74LS48（共阴），其引脚排列如图6所示，其中、、、—BCD码输入端，、、、、、、—译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。
—测灯输入端，＝“0”时，译码输出全为“1”，数码管七段同时电亮，以检查数码管各段能否正常发光。
—灭灯输入端，＝“0”时，译码输出全为“0”。
作为输出端使用时，称灭“0”输出端，在A=B=C=D=0时，而且=0时，才会输出低电平，表示译码器把不希望显示的零熄灭了。
—熄零输入端。
用来熄灭不希望显示的零
4.2音响电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图3-3所示：
图4.2报警电路
其中555构成多谐振荡器，振荡频率为：
f0=1（R1
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