基于单片机的多功能八路抢答器的设计
摘要
介绍一种由数字电路构成的多功能数显抢答器，主要采用74系列常用集成电路。除了基本的接听功能外，还具有定时报警和数字显示功能。开始答题时，系统会自动倒计时，时间可以预设。如果有人回答，系统会停止计时。如果无人接听，系统会发出短暂的报警，提醒接听结束。
关键字
单片机、PLC、应急响应、报警和数字显示
一、设计目的
在电视和学校里，我们经常会看到一些抢着答题的智力类节目。如果让抢答者举手，主持人很容易误判，导致抢答不公平。为了在比赛中准确、公正、直观地评判第一抢答器，设计的抢答器通常以数字显示、灯光、声音等方式指示第一抢答器。为了防止这种不公平的发生，只有电子产品的高准确率才能保证先回答的公平性。
第二，程序
抢答器的制作方法有很多种，用单片机就可以完成。功能强大，制作简单，外围组件少。也可以用PLC实现，制作比较简单；也可以用我们学过的EDA技术来制作；最后，也可以用数字电路来实现。它的原理比较简单，集成块价格比较便宜，容易买到。它与我们所学的“数字电路”密切相关，对巩固所学知识具有重要意义。采用了NE555标准秒脉冲电路等成型电路，使整体方案易于实现。
方案1 <使用数字电路>
1原理框图
定时器的整体框图如图1所示，由主电路和扩展电路组成。主电路完成基本的接听功能，即当玩家按下接听键时，可以显示玩家的号码，同时可以阻断输入电路，禁止其他玩家接听。扩展电路完成了及时接听的功能。
图1
图1所示的定时抢答器工作过程如下:接通电源，主持人将开关置于“清零”位置，抢答器处于禁止工作状态，数字显示关闭，定时器显示设定时间。当主持人宣布“开始接听”并将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发出声音提示，答录机处于工作状态，计时器倒计时。时间到了，却没有选手先回答，系统会报警，封锁输入电路，禁止选手超时后先回答。当玩家在固定时间内按下接听键时，接听器要完成以下四项任务:
(1)优先编码电路立即识别应答者的号码，由锁存器锁存，然后由解码显示电路显示；
(2)扬声器发出短促的声音，提醒节目主持人注意；
③控制电路要阻断输入编码电路，防止其他玩家再抢着回答；
(4)控制电路要停止定时器，时间显示显示答题剩余时间，保持到主持人清系统。当选手答完题后，主持人操作控制开关，使系统回到禁止工作状态，从而进行下一轮抢答。
方案2 <使用单片机>
1原理框图
该电路完成的功能如图2所示。当主持人宣布比赛开始时，按下开始按钮，此时电路将进入比赛状态。播放器的输入采用扫描输入，然后将相应的信息送到单片机，再由单片机输出到显示输出电路。这时有人第一次按下相应的接听键，经过单片机的控制和选择，相应的数字显示在八段显示器上并锁存，禁止其他按键的输入。
(图2)
方案3 <采用PLC >
1原理框图
该电路的功能如图3所示。主持人打开启动开关后，如果某组在设定时间to内按下第一个答题按钮，将驱动音效电路①发出声音，指示灯LI亮，8段数码管显示器上显示第一个答题成功的组号。此时电路会互锁，其他组再按第一个接听键无效。
如果在时间TO内没有回答，驱动音效电路②发声，指示灯L2亮，表示所有回答者放弃提问；
回答成功后，主持人打开限时开关SW2，启动定时器，在设定时间ti内回答有效。当到达设定时间ti时，声音电路③被驱动，指示灯L3点亮，表示接听时间到了。
(图3)
三、方案选择
方案比较
数字电路
单片微型计算机
可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)
生产难度
低的
普通的
普通的
实现难度
普通的
低的
低的
价格
低的
普通的
高的
电路原理
简单的
普通的
普通的
设计难度
简单的
高的
普通的
通过以上方案的比较，数字电路的制作方案相对容易实现，原理简单，所以我选择第一种方案来完成抢答器电路。
第四，设计系统功能
1.基本功能:
(1)是供8个玩家同时比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。
(2)设置系统清分和应答控制开关S，由主机控制。
(3)应答器具有锁定和显示功能。即演奏者按下按钮锁存相应的数字，扬声器发出声音提示，七段数码管上显示演奏者号码。对最先回答的玩家实行优先级锁定，最先回答的玩家数量一直保持到主持人清空系统。
2.扩展功能:
(1)抢答器具有定时抢答的功能，一次抢答的时间由主持人设定(如30秒)。当主机启动“开始”键时，计时器开始倒计时。
(2)参赛选手应在规定时间内先回答。如果回答有效，计时器将停止工作，显示屏上将显示参赛选手的编号和时间，并一直保持到主持人清空系统。(3)在此期间，如果定时时间已到，没有人先回答，这次抢答无效，系统会报警，禁止抢答，定时显示屏上显示00。
五、单元电路各部分的设计
(1)应答机主电路设计
抢答电路有两个作用:一是可以区分玩家按键的顺序，为解码显示电路锁存优先抢答者的号码；二是作废其他玩家的按键操作。优先级编码器74148和DFF锁存器可以完成上述功能，其电路组成如图4所示。其工作原理是当主机控制开关处于“清零”位置时，RS触发器的端子为低电平，输出端子(4Q~1Q)均为低电平。所以74LS48 =0，显示器灭；74148 =0的门输入，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主机开关转到“开始”位置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即应答器处于等待工作状态，等待来自输入端7的输入信号...0.当有玩家按下按键(如S5)时，74LSl48的输出为=010，=0，经过RS锁存器后，CTR=l，=另外，CTR=1，使得74LSl48的端子为高电平，74ls l48处于禁止工作状态，阻断其他按键的输入。当被按下的键被释放时，74LSl48处于高电平，但是由于CTR保持在高电平，74LSl48仍然处于禁用状态，不会接收到其他键的输入信号。这样就保证了抢答器的优先级和抢答器电路的准确性。当优先抢答器回答完问题后，主持人操作控制开关S，使抢答器电路复位，进行下一轮抢答。
(图4)
74LS148是8线-3线优先级编码器，表1是它的菜单。
表1 74LS148的函数真值表
(2)定时电路的设计
原理与设计:该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、74LS48解码电路和两个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图5所示。两个模块74LS192实现减法计数，通过解码电路74LS48显示在数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74192预置号控制终端实现预置号。节目主持人根据答题难易程度，设定一次答题时间，并通过预设时间电路预设计数器。如果要设置为30S，可以在计数器的预置数控制端输入00110000。时钟脉冲由第二脉冲电路提供。按钮弹出后，计数器开始减法计数，并在阴极七段数码管上显示时间。当有人先回答时，它停止计数，此时显示倒计时时间。如果没有人先回答，倒计时时间到了，输出低电平到定时控制电路控制报警电路报警，同时以后玩家先回答无效。具体电路如图5所示。
(图5)
第二脉冲产生电路:第二脉冲由NE555提供，其端子3输出的脉冲频率为
，结合我们的实际经验，考虑到元器件成本，我们选择电阻值R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入上述公式，即秒脉冲。
(3)报警电路的设计
由555定时器和三极管组成的报警电路如图6所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率。
它的输出信号推动扬声器通过三极管。PR是控制信号。PR高电平时，多谐振荡器工作，PR低电平时，电路停止振荡。
(图6)
(4)时序控制电路的设计
与门G1用于控制时钟信号CP的释放和禁止，门G2用于控制74LS148的输入使能端(即图2中的5个端子)。图7的工作原理是，当主机控制开关从“清零”位置切换到“开始”位置时，图2中74LS279的输出为1Q，即CTR=0，G3反转后输出为1，那么NE555产生的时钟信号CP就可以加到74LS192的CPD时钟输入上。同时，当定时时间未到时，“定时到信号”为1，门G2的输出为0，使74LS148处于正常工作状态。当玩家在固定时间内按下接听键，CTR = 1，被G3反相，输出为0，阻断CP信号，保持定时器工作；同时，门G2 =1的输出，74LS148处于禁止操作状态。定时时间到了，“定时到达信号”为0，/ST=1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手抢答。同时，门G1处于关闭状态，阻断时钟CP信号，保持定时电路处于00状态不变，这种加扰结束。
(图7)
集成单稳态触发器74LS121用于控制报警电路和发声时间(其功能表见表2)。具体原理如下:主要由一个555时钟电路(用于控制报警音频率)、一个蜂鸣器、一个相关的延时电路和一个控制电路组成。单稳态触发器74121通过信号/Ys、BO2、S控制报警与否和报警时间，555时钟电路产生脉冲时钟。在规定时间有人先回答时，/Ys从1跳到0，74121，状态为2，即Q输出一个瞬态高电平，蜂鸣器连续发出报警声=2.15秒；如果在规定时间内没有回答，BO2会从1跳到0，74121，会出现1的状态。q将输出一个瞬时高电平，蜂鸣器将持续鸣响报警持续时间为
结合图6所示的报警电路，分析计算如下。取c = C=100uF，R=25K = 25k，。是= 2.15秒。(示意图见图8)
(图8)
表2 74121菜单
(6)电源电路
电源电路采用三端集成线性稳压集成块L7805CV，因为其外围电路比较简单稳定，非常适合74系列集成块。它的稳压精度为2%，工作电流为1.5A，封装为TO-220(A)，工作温度也很好，并且具有过温保护和短路保护，最大输入电压为35V，可以极大的保证电路的长期工作。(具体电路见图9)
(图9)
不及物动词摘要
毕业设计不仅是对之前知识的检验，也是对自身能力的提升。我来简单总结一下整个毕业设计过程。
一、接到任务后选一个题目。选题是毕业设计的开始。选择一个合适的、有趣的题目，对整个毕业设计能否顺利进行有很大的关系。就像走路一样，第一步是决定性的，第一步的方向需要慎重考虑。否则可能会走很多弯路，走很多波折，甚至反其道而行之，难以到达目的地。因此，选择；一定要想好问题。
第二，选题确定后，就是找资料。搜索资料是毕业设计的准备工作，好的开始是成功的一半。去图书馆、书店、资料室虽然是一种原始的方式，但也有一些可取之处。总之，不管你通过哪种方式查资料，都是有价值的，要一一记录下来，以备后用。
第三，通过以上过程，我们积累了很多资料，大概对选题有了一些了解。这一步是在此基础上结合已有信息对题目进行更透彻的分析。
第四，有了研究方向，就应该实现了。其实前面三步都是为这一步做铺垫。
通过这次设计，对数字电路设计中的逻辑关系有了一定的了解，对之前学过的数字电路有了一定的新认识，对之前学过的知识进行了复习，就像人们常说的，但是在设计过程中遇到了很多问题，有些知识不太清楚，但是通过一些资料把数字电路的内容又复习了一遍。在这次毕业设计中，我们同学之间的关系得到了进一步的改善。学生互相帮助。如果有什么不懂的地方，我们可以一起讨论，听听不同的看法，更好地理解我们的知识。所以我很感谢在这里帮助过我的同学们。
感谢导师和老师给我这样一个锻炼的机会。在整个毕业设计过程中，我学到了很多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了我对自己工作能力的信心，相信对我以后的学习、工作和生活都会产生非常重要的影响。而且还大大提高了动手能力，让我在创作过程中充分体会到了探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不完善，但是我在设计过程中学到的东西，是这次毕业设计最大的收获和财富，让我受益终身。