八路抢答器的设计与制作毕业论文设计.doc

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摘要: 1
1设计任务与要求 2
2总体框图 3
2.1电路功能 3
2.2电路工作过程 3
3功能模块 4
3.1 8线-3线优先编码器74LS148 4
3.2 非门74LS04 5
3.3 LM555管脚及其功能 6
3.4 抢答器 8
3.5 报警器 8
4电路设计 9
4.1 硬件设计.........................................................9
4.2 时钟频率电路的设计..............................................10
4.3 复位电路的可靠性设计.............................................11
4.4 显示电路的设计...................................................12
4.5扫描电路的现.....................................................13
4.6 系位.............................................................14
参考文献.......................................................................................................15
致谢 16

八路抢答器的设计与制作

摘要: 抢答器是竞赛、文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确、公正、直观地判断出抢答者的机器。它可以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。为大家提供了方便。通过抢答者的指示灯显示、数码显示和警3 示显示等手段指示出第一抢答者。
抢答器随着电子技术的发展，数字电路产品在生活中有着极其广泛的应用，包括计算机、数字通信、智能仪器仪表、自动控制及航天等领域中。这些给人们的生活，工作等方面带来了极大的方便，人们也利用了电子技术以及相关的知识解决了一些实际问题。
关键词：八路，抢答，报警，74LS148，74LS279，LM555，七段数码管。

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1 设计任务与要求
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S0～S7表示。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。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。
从原理上讲,它是一种典型的数字电路。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；主持人按开始按钮示意开始，以上两部分组成主体电路。扩展电路在抢答电路中利用一个优先编码器译出最先抢到答题权的选手的编号并经LED显示器显示出来，同时还要封锁电路以防其他选手再抢答，并且扬声器发出警报声，当选手问答完成后，主持人将系统恢复至零。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。

2 总体框图
2.1电路功能
八路抢答器的总体框图如图2-1 所示，电路主要完成基本的抢答功能，即开始抢答前，当有选手按动抢答键时，能显示出选手的编号，同时能封锁输入电路。开始抢答后，提前抢答的电路由主持人清零，当选手按动抢答键时，能显示选手编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。并且报警器发出报警声。
抢 答按 钮
优先编码电路
译码电路
显示电路
主持人控制开 关
控 制 电 路
报 警 电 路
锁 存 器
图2-1 八路报警器框
2.2电路工作过程
该定时抢答器的工作过程是：接通电源后，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，抢答器处于工作状态，当选手按动抢答键时，抢答器要完成以下三项工作：第一，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号；第二，扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意；第三，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。当选手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到原先工作状态，以便进行下一轮抢答。
3 功能模块
3.1 8线-3线优先编码器74LS148
逻辑示意:

图3-1 74LS148 逻辑示意
逻辑功能:
74LS148是8线-3线优先编码器，该编码器的输入和输出都是低电平有效，具有八个输入端、三个输出端，当多个输入有效时，对最大输入数字进行优先编码；输入端EI是片选端，当EI=0时，编码器输出编码，否则输出全是高电平：输出端Gs是输出片选端，当有有效数字输入时Gs=0表示编码器正常工作，正在输出编码；输出端Eo常用于编码器级联。
3.2 非门74LS04

逻辑符号：如图3-4

图3-2 74LS04逻辑符号
逻辑框图：如图3-5

图3-3 74LS04逻辑框

逻辑功能：

3.3 LM555管脚及其功能

逻辑符号：如图3-4
RST
TH
TR
OUT
0
X
X
0
1
>2/3VCC
>1/3VCC
0
1
<2/3VCC
>1/3VCC
不变
1
<2/3VCC
<1/3VCC
1
1
>2/3VCC
<1/3VCC
1

图3-4 LM555逻辑功能表

逻辑功能：
LM555 时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。其中 6 脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。2 脚为触发端（TR），是下比较器的输入。3 脚为输出端（OUT），有 0 和 1 两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。7 脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。4 脚为复位端（R），叫上低电平（< 0.3V）时可使输出端为低电平。5 脚为控制电压端(CV )，可以用它来改变上下触发电平值。8 脚为电源（VCC），1 脚为地（GND）。
一般可以把 LM555 电路等效成一个大放电开关的 R-S 触发器。这个特殊的触发器有两个输入端：阀值端（TH）可看成是置零端 R，要求高电平；触发端（TR）可看成是置位端 S，低电平有效。它只有一个输出端 OUT，OUT 可等效成触发器的 Q 端。放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反 Q端控制：反 Q=1 时 DIS 端接地；反 Q=0 时 DIS 端悬空。此外这个触发器还有复位端 R，控制电压端 CV，电源端 VCC 和接地端 GND。
这个特殊的 R-S 触发器有两个特点：（1）两个输入端的触发电平要求一高一低：置零端 R 即阀值端 TH 要求高电平，而置位端 S 即触发端 TR 则要求低电平。（2）两个输入端的触发电平，也就是使它们翻转的阀值电压值也不同，当 CV 端不接控制电压是，对 TH（R） 端来讲，> 2/3VCC 是高电平 1，< 2/3VCC 是低电平 0；而对 TR（S）端来讲，> 1/3VCC 是高电平 1，< 1/3VCC 是低电平 0。如果在控制端 CV 加上控制电压 VC，这时上触发电平就变成 VC 值，而下触发电平则变成 1/2VC。改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。
内部原理图：如图3-5

图3-5 LM555内部原理

3.4 抢答器（设选手为1~8分别与数码管0~7相对应）
该抢答电路主要由8线-3线优先编码器、双上升沿D触发器74LS279和集成数码管DCD_HEX组成，器件之间的连接关系.
74LS148抢答电路的逻辑功能有两个：一个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；二是当有选手抢答后，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
当主持人控制开关处于关闭状态时，74LS279的RS触发器的 R 端为低电平，输出端全部为低电平。74LS148的选通输入端EI =0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路74LS279不工作。等待输入端 J7～J0输入信号，当有选手将键按下时(如按下J5)，74LSl48的输出 Y2 Y1 Y0 =010， GS =0，经RS锁存器后，1Q=l， BI =1，74LS279处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经 74LS148 译码后，显示器显示出“5”。此外，1Q=1，使74LSl48的EI 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GS为高电平，但由于1Q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。此时74LS148和74LS279都处于禁止状态。当主持人开关拨到“开始”位置时，提前抢答电路显示的编号自动清零，74LS148和74LS279同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，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。

3.5 报警器
由555定时器和三极管构成的报警电路。其中555构成多谐振荡器，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为低电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。

4电路设计
4.1硬件设计
为使硬件电路设计尽可能合理，应注意以下几方面：
(1) 尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若干普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的的价格不断下降，并不一定比若干普通芯片价格的总和高。
(2) 留有设计余地。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。
(3) 程序空间，选用片内程序空间足够大的单片机，本设计采用AT89C51单片机。
(4) RAM空间，AT89S51内部RAM不多，当要增强软件数据处理功能时，往往觉得不足。如果系统配置了外部RAM，则建议多留一些空间。如选用8155作I/O接口，就可以增强256字节RAM.如果有大批数据需要处理，则应配置足够的RAM，如6264，62256等。随着软件设计水平的提高，往往只要改变或增加软件中的数据处理算法，就可以使系统功能提高很多，而系统的硬件不必做任何更换就使系统升级换代。只要在硬件电路设计初期考虑到这一点，就应该为系统将来升级留足够的RAM空间，哪怕多设计一个RAM的插座，暂不插芯片也好。
(5) I/O端口：在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，那么用的时候就派上用场了。
P2.4为开始抢答[9]，P2.5为加分，P2.6为减分，P1.0-P1.7为六八抢答输入，数码管段选P0口，位选P2口低3位，蜂鸣器输出为P2.7口。

4.2 时钟频率电路的设计
时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的。
晶振的选择：
6MHz的晶振，其机器周期是2us。
12MHz的晶振，其机器周期是1us, 也就是说在执行同一条指令时用6MHz的晶振所用的时间是12MHz晶振的两倍。为了提高整个系统的性能我选择了12MHz的晶振。
振荡方式的选择：
内部振荡方式，MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件。这样就构成了内部振荡方式
外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适合用来使单片机的时钟与外部信号一致。
在我的这个设计中没有也无需与外部时钟信号一致，所以我选择了内部振荡方式，由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。晶振我选择了12MHz，相对于6MHz的晶振，整个系统的运行速度更快了。电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值我选择了30pF。内部振荡方式所得的时钟信号稳定性高。单片机必须在时钟的驱动下才能工作.在单片机内部有一个时钟振荡电路,只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元,决定单片机的工作速度。
一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振,在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号,其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容 C1,C2的作用有两个:一是帮助振荡器起振;二是对振荡器的频率进行微调。C1,C2的典型值为30PF。
单片机在工作时,由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数,常用fosc表示。如时钟频率为12MHz,即fosc=12MHz,则时钟周期为1/12µs。
4.3 复位电路的可靠性设计
计算机在启动运行是都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51的复位输入引脚RST为MCS-51提供了初始化的手段，可以使程序从指定处开始执行，在MCS-51的时钟电路工作后，只要RST引脚上出现超过两个机器周期以上的高电平时，即可产生复位的操作。只要 RST保持高电平，则MCS-51循环复位。只有当RST由高电平变低电平以后，MCS-51才从0000H地址开始执行程序。本系统采用按键复位方式的复位电路。
MCS-51单片机有一个复位引脚RST，它是施密特触发输入，当振荡器起振

后，该引脚上出现2个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平。使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51保持复位状态。此时ALE、/PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。复位以后内部寄存器的初始状态为（SP=07，P0、P1、P2、P3为0FFH外，其它寄存器都为0。在RST复位端接一个电容至VccHE 一个电阻至Vss，就能实现上电自动复位，对于CMOS单片机只要接一个电容至Vcc即可。如图，在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使MCS-51有效地复位。RST端在加电时应保持的高电平时间包括Vcc的上升时间和振荡器起振时间，Vcc上升时间若为10ms，振荡器起振时间和频率有关。10MHz时间约为1ms，1MHz时约为10ms，所以一般为了可靠地复位，RST在上电时应保持20ms以上的高电平。图2.5中，RC时间常数越大，上电时RST端保持高电平的时间越长。当振荡频率为12MHZ时，典型值为C=10uF,R=8.2kΩ.

图4-1上电复位电路

4.4 显示电路的设计
显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。
操作者主要设计从显示设备上获取微机系统的信息的，因此，操作者每操作一下，显示设备商都应该有一定的反应。这说明，显示模块与操作有关，即监控程序是需要调用显示模块。不同的操作需要显示不同的内容，这又说明各执行模块对显示模块的驱动方式是不同的。另一方面，在操作者没有进行操作时，显示内容也是变化的，如显示现场各物理量的变化情况。这时显示模块不是由操作者通过命令键来驱动，而是由各类自动执行的功能模块来驱动。自动执行的各类模块在安排在各种中断子程序中，这就是说，各种中断子程序也要调用显示模块。如果监控安排在中断子程序中，两者的要求就统一了，问题比较好解决，如果监控程序安排在主程序中，在监控程序调用显示模块的过程中发生了中断，中断子程序也调用显示模块，这时就容易出问题。一种比较妥善的办法是只让一处调用显示模块，其他各处均不得直接调用显示模块，但有权申请显示。这就要设置一个显示申请标志，当某模块需要显示时，将申请标志置位，同时设定有关显示内容（或指针）。由于一处调用显示模块，故不会发生冲突。为了使显示模块能及时反应系统需要，应将显示模块安排在一个重复执行的循环（如监控循环或时钟中断子程序）中。当监控程序（键盘解释程序）安排在时钟中断子程序中时，处理比较方便，只要在监控程序的汇合处调用显示模块就可以了。
这里将显示功能集中到一起，作为一个功能模块，就要求它的功能全面，能根据系统软件提供的信息自动完成显示内容的查找，变换和输出驱动。这样设计使得各功能模块都不必考虑显示问题，只要给出一个简单的信息（如显示格式编码）甚至不用再提供额外信息，直接利用当前状态变量和软件标志就可以完成所需的显示要求。
如果编写这样一个集中显示模块有困难，也可以将显示模块编小一些，只完成显示缓冲区的内容输出到显示器件上的工作。这时各功能模块在提出显示申请时，还需要将显示内容按需要的格式送入显示缓冲区中。这样分而治之比较容易编程，但要小心出现显示混乱。例如后台程序需要调用显示，将有关信息送入到现实缓冲区进行显示；中断返回后，后台程序继续送完后半部分显示内容，但前半部分内容已经变了，这样就出现了显示错误。解决的办法是，在申请显示前，先检查是否已经有显示申请，如果有，就不再申请，等待下次机会；如果没有，则先申请标志位，再将显示内容送入显示缓冲区。这时就不必担心其他前台模块来打扰了，就可以得到一次完整的显示机会。
在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示[6]上我们采用的方法一般包括两种：一种是静态显示，一种是动态显示。其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多；动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言占用端口资源少。在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。
并通过查表法，将其在数码管上显示出来，其中P0口为字型码输入端，P2口低3位为字选段输入端。在这里我们通过查表将字型码送给7段数码管显示的数字，数码管显示原理如下：
MOV A,R5
MOVC A,@A+DPTR ；查字型

MOV P2,#01H ；送位选码
MOV P0,A ；送字型码
ACALL DELAY ；调延时，去闪烁
在七段数码管显示中可分为共阳极和共阴极两种类型极。以共阴为例，要想a段亮，向a段送1就是，返之送0，共阳刚好相反。

4.5扫描电路的实现
键盘是人与微机系统打交道的主要设备。关于键盘硬件电路的设计方法也可以在文献和书籍中找到，配合各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描程序。站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作和操作失控现象。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。
4.6 系统复位
使CPU进入初始状态，从0000H地址开始执行程序的过程叫系统复位。从实现系统复位的方法来看，系统复位可分为硬件复位和软件复位。硬件复位必须通过CPU外部的硬件电路给CPU的RESET端加上足够时间的高电位才能实现。上电复位，人工按钮复位和硬件看门狗复位均为硬件复位。硬件复位后，各专用寄存器的状态均被初始化，且对片内通用寄存器的内容没有影响。但是，硬件复位还能自动清除中断激活标志，使中断系统能够正常工作，这样一个事实却容易为不少编码人员所忽视。软件复位就是用一系列指令来模拟硬件复位功能，最后通过转移指令使程序从0000H地址开始执行。对各专用寄存器的复位操作是容易的，也没有必要完全模拟，可根据实际需要去主程序初始化过程中完成。而对中断激活标志的清除工作常被遗忘，因为它没有明确的位地址可供编程。有的编程人员用020000（LJMP 0000H）作为软件陷阱，认为直接转向0000H地址就完成了软件复位，就是这类错误的典型代表。软件复位是使用软件陷阱和软件看门狗后必须进行的工作，这时程序出错完全有可能发生在中断子程序中，中断激活标志已置位，它将阻止同级中断响应。由于软件看门是高级中断，它将阻止说要中断响应，由此可见清除中断激活标志的重要性。
在所有的指令中，只有RETI指令能够清除中断激活标志。前文各处提案到的出错处理程序ERR主要完成这一功能，其他的善后工作交由复位后的系统去完成。

参考文献：
[1].李广弟等，《单片机基础》 北京航空航天出版社，2001.7。
[2].楼然苗等，《51系列单片机设计实例》北京航空航天出版社，2003.3。
[3].吴国经等，《单片机应用技术》 中国电力出版社，2004.1。
[4].李全利，迟荣强编著《单片机原理及接口技术》高等教育出版社2004.1。
[6].许泳龙等，《单片机原理及应用》，机械工业出版社，2005.1。
[7].张毅刚等，《单片机原理及应用》，高等教育出版社，2006年。
[8].刘焕平等，《单片机原理与接口技术》，北京航空航天大学，2007年。

致谢
课程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。下面我对整个课程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，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。
通过这次设计，我对数字电路设计中的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。