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1总体设计方案
1.1设计思路
该电路的根本任务时准确的判断出第一抢答者的信号并将其锁存,实现这一功能可用触发器和锁存器等,在得到第一信号后应立即将电路的输入封锁,即使其他组再次发出抢答信号也无效。
同时还必须注意,第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效,当电路形成第一抢答信号之后,用编码、译码及数码显示电路显示出抢答者的组别,也可以用发光二级管直接指示出组别,还可以用鉴别出的第一抢答信号控制一个具有两种工作频率的交替变化的音频振荡器工作,使其推动扬声器发出两个笛音音响,表示该题抢答有效。
1.2设计任务及要求
1.抢答器同时供10名选手或10个代表队比赛,分别用10个按钮S0~S9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.抢答器具有锁存和显示功能。
既选手按动按钮,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,声响持续的时间为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。
1.3总体设计框图
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,主持人将开关制“开始”状态,宣布“开始”抢答工作,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。
1.4集成块简介
CD4067是模拟开关。
数字电路中模拟开关是很有用的器件,用它来切换数字信号的传输是十分方便的。
CD4067是单16路集成模拟开关器件,各开关由外部输入二进制的地址码来切换,CD4067由数码管2个,光电耦合器1个,三极管1个,按钮10个,发光二极管2个,二极管2个,可变电阻1个,电阻12个,电容2个,导线若干构成。
其管脚图如图2和真值表如图3
2主要单元电路
2.1数字式竞赛抢答器电路图
2.2计分电路
IC1和IC2为十进制加/减计数器,分别组成分数的个位和十位。
IC3和IC4为7段译码电路,它把IC1和IC2的十进制数字信号译成可显示0~9数字的7段码。
IC5为分数的百位,它为JK触发器只有二种状态,所以本电路的最高得分为199分。
S1为加分开关,每按一次产生一个脉冲信号使IC1做加法计数一次。
S2为减分开关,每按一次作减法计数一次。
IC1的进位或借位信号会自动传递给IC2使其计数。
S3为清零开关,按S3即显示“000”。
R1、C1、R2、C2为防止开关抖动所设置。
这是因为开关在开或关的瞬间会产生多次抖动从而使电路误计数,所以增设阻容元件来消除开关的抖动。
7段码a~g的每一段输出由三极管驱动电路
2.3LED显示器动态电路
显示器中还有一个圆点型发光二极管(在图中以dp表示),用于显示小数点。
通过7段发光二极管共有两种连接方法:
共阳极接法,把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接+5V。
这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮;
共阴极接法,把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接地,这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮,而输入低电平的则不点亮。
使用LED显示器时要注意区分这种不同的接法。
为了显示数字或符号,要为LED显示器提供代码,因为这些代码是为显示字形的,因此称之为字形代码。
7段发光二极管,再加上一个小数点位,共计八段。
因此提供给LED显示器的字形代码正好一个字节使用LED显示器时,为了显示数字或符号,要为LED显示器提供代码,因此这些代码是通过各段的亮灭来显示不同的数字,因此称之为段码。
七段发光二极管,在加上一个小数点,共计8段。
因此提供给LED显示器的段码正好一个字节。
由N个LED显示块可拼接成N位LED显示器。
N个LED显示块有N根位选线和8﹡N根段选线,七段LED显示器动态显示其排列形状如下:
2.4译码显示电路
在多位LED显示时,为了简化硬件电路,通常将所有位的段选线相应的并联在一起,由一个8位I/O口控制,形成段选线的多路复用。
而各位的共阴极或共阳极分别由相应的I/O线控制,实现各位的分时选通。
虽说段码同时送到了各个显示器,但它们不会同时显示这一数字,只有位选线输出为0的那一位所对应的显示器才会显示这一数字。
显然,这种显示是不连续的,但不断重复上述过程,且扫描频率较高时,由于视觉暂留的作用看上去就是连续的了。
动态显示的要点有两个:
一是代码转换。
因为直接驱动LED显示器的是字形码,而人们习惯的是0、1、2等字符,因此,必须将待显示的字符转换成字形码,图-5所示为七段LED的段码和10位LED显示器的位选码。
LED显示器接口比较简单,例如使用如下图所示的译码驱动器就可以实现BCD码到7位段码的转换,完成一位LED显示器的接口.
图8实现BCD码到7位段码的转换的译码驱动器
2.5报警电路
由555定时器和三极管构成。
其中555构成多谐震荡器振荡频率F0=1.43/[(R1+2R2)C],其输出信号经三极管推动电路。
PR为控制信号,当PR为高电平时,多谐震荡工作,反之,电路停震。
3设计原理分析
本文介绍了一款利用扫描方式实现10路抢答的大容量抢答器电路。
电路见图。
3.1扫描方式主体电路分析
F1,F2及外围元件构成受控振荡器产生扫描所需的时钟脉冲;
IC1为双十进制计数器CD4518,本电路将其中一个十进制计数器作为个位计数器用,另外一个作为十位计数器用,两个计数器机联构成100进制计数器。
个位计数器输出的BCD码一路作为IC2(4线/10线译码器CD4028)的地址信号,地址信号的变化使IC2的10个输出端依次轮流且循环的出现高电平,形成列线扫描信号;
另一路则作为IC5(BCD译码/7段LED驱动器CD4543)数据输入信号。
十位计数器输出的BCD码一路作为16选1模拟电子开关CD4067的地址信号,对其16个开光中的10个作扫描切换,这10个开关的输入端分别为X0-X9,接行线,输出端为公共端“0”;
另一路则作为IC4(CD4543)的数据输入信号。
抢答开关采用矩阵连线形式。
如果调节R2使振荡器输出脉冲周期为0.1ms(频率10Kz),则在1ms内IC2的Y0-Y9各出现高电平1次,而在10ms内,IC3的X0-X9各与“0”端接通一次,IC2的YO-Y9各出现高电平10次。
假设抢答开关SO1按下(>
10ms),则在IC2的Y1端输出为1,且IC3的X0端与“0”端接通的瞬间,Y1端的高电平经S01,X0端至“0”端,再经R3为光电耦合器PC提供工作电流,使光电耦合器内的光敏三极管导通,将Vcc送至F4的输入端,使F4输入为1而输出为0,F3输出为1,VD1导通经R5正反馈到F4的输入端而实现电路的自锁;
VD2导通则使F1、F2等组成的时钟振荡器停振并使F2恒为高电平输出。
F2高电平输出一方面使IC1的输出不再变化,另一方面又使IC3的INH端置1而使其处于禁止输出状态。
F4输出的低电平使IC4、IC5的消隐输入端“BI”和锁存输入端“LE”置0,从而解除IC4、IC5的消隐功能并对各自的输入数据进行锁存。
F4输出的低电平还使F5、F6输出高电平,再点亮指示灯LED的同时并启动声讯电路,声光指示抢答成功。
由于上述情况对应于IC1的个位计数输出0001,而十位计数器输出0000的时刻,故LED屏上显示抢答者号码为“01”。
主持者按下复位开关AN,F4输入低电平使电路解除自锁,此时F4输出高电平,IC4、IC5的“BI”端置1而使显示消隐,同时使F5、F6输出低电平关闭声讯电路与指示灯。
F4输出高电平又使F3输出低电平,时钟振荡器恢复工作产生扫描时钟脉冲,为下一轮抢答作准备。
为了解决扫描式抢答器电路响应速度与误显率之间的矛盾(扫描时钟频率越高响应速度越快但相应误显率会增加),本电路引入了同步信号对IC3的输出进行同步控制,即IC3的输出端“0”,只有在F2输出低电平期间才允许有输出,否则,F3的输出被禁止。
另外,为了增强电路的抗干扰能力,防止抢答信号线过长对高输入电阻CMOS门电路可能产生误触发现象,即采用光电耦合隔离传输的形式,从而大大增强了电路的抗干扰能力。
3.2显示电路的原理分析
由于使用了专用的7位段码的译码器/驱动器,可以把一位十六位进数(4位二进制)译码为相应的字形代码,并提供足够的功率去驱动发光二极管.使用这种接口方法,虽然软件简单,仅需使用一条输出指令就可以进行LED显示,但使用硬件却比较多,而硬件译码又缺乏灵活性,所以较少使用.在实际应用中使用较为普遍的是以软件来代替硬件译码,这样只需要一个接口芯片就右以实现多位LED显示器的显示,例如以8155作接口电路.单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。
编码键盘本身除了按键之外,还包括产生编码按键电路,只要按下某一个键,就能产生这个键的代码,一般称为键码,同时,还能产生一个吗脉冲信号,以通知CPU接收(输入)键码。
这种键盘的使用比较方便,亦不需要编写很多程序,但使用的硬件较复杂,在微型计算机控制系统中使用还不多。
非编码键盘是由一些按键排列成行列矩阵。
非编码键盘几乎不需要附加什么硬件电路,目前,在微型计算机控制系统中使用较为普遍。
使用非编码键盘需要用软件来解决按键的识别,防止抖动以及键码的产生等工作,实际使用的LED显示器都是多位的,对多位LED显示器,通常都是采用动态扫描的方法进行显示,即逐个地循环地点亮各位显示器.这样虽然在任一时刻只有一位显示被点亮,但是由于人眼具有视觉残留效应,看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样.为了实现LED显示器的动态扫描,除了要给显示器提供段(字形代码)的输入之外,还要对显示器加位的控制,这就是通常所说的段控的位控.因此多位LED显示器接口电路需要有两个输出口,其中一个用于输出8条段控线(有小数点显示);
;
另一个用输出位控线,位控线的数目等于显示器的位数.其中C口为输出口(位控口),以输出位控线.由于位控线的驱动电流较大,8段全亮时约40—60mA,因此PC口输出加74LS06进行反相和提高驱动能力,然后再接各LED显示器的位控端.A口也为输出口(段控口),以输出8位字形代码(段控线).段控线的负载电流约为8mA,为提高显示亮度,通常加74LS244进行段控输出驱动.
3.3显示缓冲区分析
为了存放显示的数字或字符,通常在内部RAM中设置显示缓冲区,其单元个数与LED显示器位数相同.假定本例中6个显示器的缓冲单元是79H---7EH,与LED显示器的对应关系为:
动态扫描是从右向左进行,则缓冲区的首地址应为79H,确定是否有键按下CPU通过并行口输出0000到键盘的行线信号,若没有键按下,则PB0∽PB3为1111。
若有任意一个键按下,则有某一条列线为0,也就是当PB0∽PB3不为1111时,就表示有键按下。
通过行扫描确定已按键的行、列位置,所谓行扫描就是依次给每条行线输入0信号,而其余各行都输入1,并检测每次扫描时所对应的列信号,也就是在C口先输出1110(PC0∽PC3),然后是1101,直到最后是0111,并检测每次所对应的B口输入,只有在某行上有键按下时,在这一行上输入0(其他行为1),在列输出上才能检测到0信号,若是输入为0的这一行上没有键按下,则收到的列信号仍然为全1,只要记下列信号不全为1时的C口输出及B口输入,就能确定已按下键的位置,设第3行第1行的键已按下,则必须是行信号为0111,检测到的列信号为1101。
对应于其他的行信号,列信号都是1111。
这样,通过行扫描,就可以确定按键的行、列坐标。
确定是否有多键按下,有时一次按下的键不止一个,这在一般情况下是由于误操作引起的,是不应该出现的,通常称为窜键,出现这种情况时,就可能有不止一次会出得到列信号不全为1,这时就不容易判断哪个键是真正需要按下的,为了处理这种情况可采取两种办法:
一是行扫描一定是扫到最后一行才结束,而不是检测到列信号不全为1时就结束,以便发现窜键;
二是如果出现了窜键,最简单的处理办法就是这次行扫描不算,再来一遍,即以最后放开的那个键为准。
4系统的组装与调试及测试方法
三块实验电路版分别作成数字抢答器电路,可预制时间的定时电路,报警电路和时序控制电路跟具EWB仿真电路及工程上的可操作性布置芯片、元件、导线等。
在焊接过程中,由于经验不足多次发生虚焊或者相邻焊点接触导致短路等事故,心急时也有小组成员被电烙铁烫伤的事发生。
制作的第一块板即数字抢答电路板一开始测试时不能工作,又由于没有稳压电源而不能检验。
情急之下,灵机一动,把3节干电池制成4.5伏电压源,又用万用表逐点排查,原来有虚焊的点。
找出原因后并排斥故障后,电路板正常工作。
深感欣慰!
制作第2块板即可预置时间的定时电路时,我已有了自我感觉十分娴熟的焊接技术,不料忙中出错,重蹈覆辙,又有虚焊点。
遂相互提醒,前事不忘,后事之师。
5扩展功能
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。
6总结与体会
经过这次毕业设计,使我深深的感受到了,理论联系实际的必要性及其重要性,在我们以往的学习过程中,我们刻意地去加强理论的基础,对于一个程序我们只求它在运行时没有出错,我们便以为我们的计划成功了岂不知它能否在硬件结构中得以实现则是另外一回事,这就要求我们的动手能力了,如果无法使软件与硬件实现有机的结合,那么再好的程序也只是一堆废字符,本次设计有机地结合了理论与实践,既考察了我们对理论知识的掌握情况,还反映出我们实际动手能力,更主要的是它激起我们创新思维,为今后的进一步学习创下良好条件,为以后的就业也打下一个根基,真可谓一举多得,
在制作过程中,认认真真的学习特别是电子类的设计制作更应该如此,一步一步来,这次设计,设计题目为数字式竞赛抢答器,刚开始,我们理不清头绪,无从下手,但通过认真研究设计课题,跑图书馆查资料、确定基本设计方案、对所用芯片功能进行查找、调试、上机仿真等,经历了一次次的困难,积累了很多宝贵的经验,最后在指导老师的指导下完成了这次任务,我也认识到自己在电路设计和制作的课程中的不足,由于我们学习的马虎和一知半解导致了很多知识的贫乏,我深深的感受到自己在专业知识深度上的差距,我感谢指导老师的帮助。
参考文献
[1]张志锐.数字电路设计与实用电路[M].广州:
华南理工大学出版社.1989
[2]朱承高.数字电子技术手册[M].北京:
高等教育出版社.1990
[3]王有春.电脑电子报抢答器专刊[J].四川:
科学技术出版社.2002年
Briefanalysisthedigitalcompetitionsnatchesanswering
Author:
JiadongZhaoinstructsteacher:
ZhanchengKang
(CollegeofphysicsandelectricityscienceShanxiDatongUniversity,DatongShanxi037009)
Abstract:
Thisdesignismostgreatlymayhold10groupofcontestantstoparticipatedigitallysnatchesanswering,eachgroupestablished1tosnatchtheansweringbuttonfortosnatchtheansweringuse.Theelectriccircuithasassoonassnatchesanswersthesignalthedistinctionandthelocksavesthefunctiontobeconcurrentafterthedirectorthesystemreplacementsnatchesanswerstheinstruction,iftheparticipantaccordingtosnatchesanswerstheswitch,thenthisgroupofindicatinglampsarebrightanddemonstratedwiththegroupotherdisplaycircuitsnatchestheansweringgrouptoleave,simultaneouslythespeakermakesthesound,thistimetheelectriccircuithasthelocktosavethefunction,causesthegroupnottosnatchanswerstheswitchnottoplaytherole.
Keyword:
Iscontrolledtheoscillator;
BCDdecodes/7sectionofLEDactuation;
Photoelectricitycouplerfeedback;
Self-locking;
Clockpulse;
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- 浅析 数字式 竞赛 抢答