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四人智力竞赛抢答器

电子工艺实训报告

实训课题智力竞赛抢答器的制作与调试

学号*************

年级**

学院*****

专业***********

姓名******

指导教师******

一．实训目的

（1>学习识别简单的电子元件与电子线路；

（2>学习并掌握抢答器的工作原理；

（3>按照图纸焊接元件，组装一台抢答器，并掌握其调试方法。

二．实训器材

（1>电烙铁：

因为焊接的元件多，所以使用的是外热式电烙铁。

（2>螺丝刀、镊子等必备工具。

（3>焊锡丝，因为锡它的熔点低，焊接时，焊锡能迅速散步在金属表面焊接牢固，焊点光亮美观。

（4>三节5号电池。

三．实训概要

<一）电路元件选择

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>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。

<二）发抢答器装配零件，检查和熟悉各种零件

老师让我们多次熟悉抢答器的电路图和熟悉电路元件，并调试元器件的好坏。

这一天的工作是相对轻松的，仅仅是熟悉电路图和学习使用常用电子仪器仪表，和识别检测常用的电子元件。

这一天最重要的就是常用电子元件的识别和检测。

我们常见的电子元件就是电阻、电容。

电阻上的色带是就是电阻的色环标记法，通过色环来表示电阻的大小，有效数字、倍率和允许误差。

现在见到的电阻的色环有四道和五道的，四道环的有效数字是前两道环所代表，而五道环是由前三道所代表。

接着识别电容器，电容用于交流耦合、滤波、隔断直流、交流旁路和组成振荡电路等，电容的标注分为直接标注和色标法。

通过学习，我明白了直接标注的电容是用数字直接表示电容量，不标单位。

标注1～4位整数时，其单位是pF，标注为小数时，其单位是µF。

也有用三位数字表示容量大小，默认单位是pF，前两位是有效数字，第三位是有效倍率<10m），当第三位是9时，则对有效数字乘以0.1。

而色标法则同电阻器的标注。

检测电容的方法是利用电容的充放电特性，一般用万用表电阻档测试电容的充放电现象，两只表笔触及被测电容的两条引线时，电容将被充电，表针偏转后返回，再将两表笔调换一次测量，表针将再次偏转并返回。

用相同的量程测不同的电容器时，表针偏转幅度越大说明容量越大。

测试过程中，万用表指针偏转表示充放电正常，指针能回到∞，说明电容没短路，可视为电容完好。

现在说明在模拟电路中常见的二极管，通常二极管有整流、检波、稳压、发光、发电、变容、和开关二极管等。

检测二极管我们利用的是二极管的正向导电性，正向导通反向截止，可以判断管子的好坏。

（三>熟悉抢答器的装配图

图1抢答器的组成框图

我们在实验里认真熟悉抢答器的电路板的装配图。

图2原理框图

（四>焊接各种零件

这一天，我们就真正进入到电子技术实习的操作中去了，以前虽然接触过电烙铁，但毕竟没有实际操作过，总是怀有几分敬畏之心。

而电子电路主要是基于电路板的，元器件的连接都需要焊接在电路板上，所以焊接质量的好坏直接关系到以后制作抢答器的成败。

因此对电烙铁这一关我们是不敢掉以轻心的。

影响焊接质量主要取决于焊接工具、焊锡丝和焊接技术。

对焊接工具和焊锡丝这样的物品我们是没任何办法的，唯一可以改善的就是我们的焊接技术，所以焊接技术就直接决定了我们实习的成败。

焊接时虽然胆战心惊，但还是总结出了心得，就是焊锡要用一点点下去，电烙铁要在锡水熔化后产生光亮就拿开，这样就能焊出光亮圆滑的焊点了。

将他们插好后就依次拆卸下来，先焊接电阻，再焊二极管，然后是四个芯片，焊接时注意二极管的极性，管脚要放入相应位置。

4．实训原理

四路抢答器实现功能

四路抢答器具有清零和抢答控制，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。

优先判断、编号锁存，通过LED显示。

当一轮抢答之后，最先抢答选手的LED点亮，禁止二次抢答。

如果再次抢答必须由主持人再次操作"复位"状态按键S5。

根据电路原理图，四路按键S1，S2，S3，S4对应的显示灯是D1，D2，D3，D4。

74HC175的时钟由555振荡电路产生。

初始状态：

当有时钟信号输入到CLK引脚时，D触发器的输入等于输出，四路输入引脚为低电平，输出引脚Q端输出低电平，三极管Q1，Q2，Q3，Q4截止。

发光二极管D1，D2，D3，D4处于熄灭状态。

抢答状态：

当主持人宣布抢答有效，选手按键抢答，假设1号选手最先按下S1键，D触发器的输入D1等于输出Q1<高电平），三极管Q1导通，发光二极管D1点亮。

此时，/Q1引脚输出电平到74LS20<4路与非门），时钟信号被锁存，74LS20输出端一直为高电平。

D触发器停止工作，其它选手按键无效。

复位状态：

再次抢答，主持人按下键S5是D触发器复位，回到初始状态。

5．电路调试

检测调试步骤：

<一）、检查与调试

上电前的检测，用万用表测量电源输入的+5V脚和GND脚，确保它们之间没有短路才可进行下面的检测。

四路按键S1，S2，S3，S4对应的显示灯是D1，D2，D3，D4。

当按下S1键时，D1亮，再按S2,S3,S4键无效，直到按下复位键S5。

。

当按下S2键时，D2亮，再按S1,S3,S4键无效，直到按下复位键S5。

当按下S3键时，D3亮，再按S2,S1,S4键无效，直到按下复位键S5。

当按下S4键时，D4亮，再按S2,S3,S1键无效，直到按下复位键S5。

<二）、调试中遇到的问题

1.稍微复杂，焊接该电路所需要的导线需要很多；再者在焊接电路过程中必须确保每一步焊接的电路正确，是电路搭接美观实用；最后是通过使用万用表来检测焊接电路的正确性。

2.焊接电路得保证焊点没有虚焊，为此我们焊接速度比较慢，谨慎焊接，保证每个焊点都没有虚焊。

3.在用示波器检测蜂鸣器输出端信号时候，发现信号残缺，后经过排故发现有一根导线脱焊，为此我们小组同学又重新焊接。

后来再测试发现信号没有残缺。

电路的特点和方案的优缺点：

（1>可靠性：

整个实验电路分为四个部分，在实验的过程中，每一部分都经过了仔细的检测，各部分功能完好；通过焊接搭接将各部分按电路图连接成完整的抢答器电路，经过检测，连接无误，最终实现抢答器的功能，保证了抢答器电路的可靠性。

（2>易测性：

抢答器电路由四部分构成，在实验的过程中，依次完成每部分，如果出现什么问题，可以随时检测该部分的功能或连线是否出现故障。

（3>实验改进：

该电路只是用发光二极管显示结果，没有声音，没有显示，应该还要接入一个蜂鸣器和LED显示器。

6．心得体会

通过本次设计，我深刻体会到学术研究的严谨性、规范性，掌握了基本的研究方法，逐渐形成了较强的自主学习能力。

本设计是在刘怀强老师精心指导下完成的。

刘老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响很大，并将积极影响我今后的学习和工作。

本设计的顺利完成，离不开各位老师、同学、朋友的支持、帮助。

大家多次进行设计难题的讨论与分析，这样为本设计的进一步完善提供了帮助。

在此，向老师、同学表示感谢。

最后还要感谢学院、系为我们提供了一个良好的学习氛围和人文环境，这对我们以后的学习、工作、生活具有重要影响。

这次课程设计我选择的题目是“四路抢答器的设计与制作”，要求用数字逻辑电路或者单片机应用系统进行设计，总体上来看，利用数字电子电路来设计电路能够对各单元电路的功能和设计都可以有更加充分的了解，帮助数电知识的巩固，开始的时候我选用数字电路来设计，虽然绘制电路原理图比较容易，但因为电路元件用的相对多，即使原理明白，不过在实际制作实物时跳线用得很多，而且电路的成功也很难确定，因此最后我都是选用单片机应用系统设计，因为之前进行数字电路设计时对电路的原理有了明确的了解，且这个学期也进行了单片机的基础学习，从而可以结合实际应用，掌握单片机的应用和软件、硬件的综合设计。

通过这次课程设计，使我对单片机及其附属电路有了一定的了解，对课本上的知识有了进一步的掌握，也深刻明白了自己的不足。

附电路图

四人智力竞赛抢答器

一、设计题目

四人智力竞赛抢答器

二、设计目的

1.掌握四人智力竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。

2.熟悉数字集成电路的设计和使用方法。

三、设计任务与要求

1）设计任务

设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。

用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1秒。

选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。

2）设计要求

（1>4名选手编号为：

1，2，3，4。

各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。

（2>给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零<抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。

（3>抢答器具有数据锁存和显示的功能。

抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。

抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

（4>抢答器具有定时<9秒）抢答的功能。

当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续1秒。

参赛选手在设定时间<9秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，同时定时器停止倒计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示剩余抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。

（5>如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。

系统扬声器报警<音响持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。

（6>可用石英晶体振荡器或者555定时器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。

四、原理电路和程序设计：

<1）方案比较；

电路主要由脉冲产生电路、锁存电路、编码及译码显示电路、倒计时电路和音响产生电路组成。

当有选手抢答时，首先锁存，阻止其他选手抢答，然后编码，再经4线7段译码器将数字显示在显示器上同时产生音响。

主持人宣布开始抢答时，倒计时电路启动由9计到0，如有选手抢答，倒计时停止。

电路系统结构如图13：

图13四人智能抢答器原理图

<2）整体电路；

<3）单元电路设计；

1）以锁存器为中心的编码显示电路

抢答信号的判断和锁存可采用触发器或锁存器。

若以四D触发器74LS175为中心构成编码锁存系统，编码的作用是把锁存器的输出转化成8421BCD码，进而送给7段显示译码器。

其真值表3：

表3锁存编码真值表

锁存器输出

编码器输出

工作原理：

四D触发器74LS175的输出Q非控制显示模块显示组号。

当无人抢答时，4个D触发器的输出Q非相与，为“1”时，脉冲能够进入触发器，有一人抢答时，与门中有一个变为“0”，使脉冲不能进入触发器，从而防止其他人抢答。

并停止计时。

将与非后的信号用于控制声音模块报警。

2）脉冲产生电路：

工作原理：

该模块为由555定时器构成的多谐振荡器。

并以74LS160做10分频,产生10Hz和1Hz的脉冲信号。

3）倒计时显示电路：

该电路可采用十进制同步减计数器74LS190，主持人宣布开始时，按下按钮，同时使计数器置数为“9”，并在脉冲作用下开始倒计时并在显示器上显示，到零时停止。

工作原理：

由74LS190十进制计数器计数，其输出端驱动BCD数码器。

160的进位输出反相信号

进位信号和抢答信号控制1HzCP信号的输入，即计数到0时不会倒回9再计时，也控制计数到时抢答模块不许再抢答同时声音模块块报警。

190的MR接收抢答模块的信号，当抢答模块复位时190也复位。

4）音响电路：

由主持人、选手、倒计时共同控制它的输入，使其在主持人开始、选手抢答、倒计时到零时都能鸣叫。

<5）元件选择。

元件

电阻

电容

芯片

开关

其他

型号

1.49k

10u

74LS175、74LS148、74LS190、74LS04、

555、

74LS20、74LS04、74LS11、

74LS02

蜂鸣器、共阴数码管、

数量

各1

五、电路和程序调试过程与结果：

1先将抢答模块接好先，这时的脉冲信号可以先接到实验装置上的10Hz信号，

接好线，测试可否正常抢答，1~4抢答开关断开时对应的LED是否显示正常，抢答后其他人能否抢答和复位是否正常。

2接上显示模块，测试可否显示对应组号，未抢答时和复位有无显示。

3接好脉冲信号模块，代替接到实验装置上的信号，测试是否有产生脉冲信号，是否可以使抢答模块正常工作。

4接上倒计时模块，将控制信号线连接好，测试能否计时，计时到时是否不会继续计时。

5抢答模块是否还能抢答，抢答后是否还计时及复位后计时是否重新计时。

6接上声音模块，测试抢答后及计时到时后是否有报警声。

7对整个电路的功能测试一遍。

六、总结

通过本设计，复习了数字电子的知识，更深入的了解了各元件的使用方法和功能。

体会了设计电路的方法和流程，排除各种故障。

最终使电路工作正常。

并达到各种设计要求。

各部分功能正常，达到老师的要求。

四人智力竞赛抢答器

单片机技术文章2009-12-2517:

21:

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1、设计目的

1）掌握四人智力竞赛抢答器电路的设计、组装与调试方法。

2）熟悉数字集成电路的设计和使用方法（或单片机系统的设计与应用>。

2、设计任务与要求

1）设计任务

设计一台可供4名选手参加比赛的智力竞赛抢答器。

用数字显示抢答倒计时间，由“9”倒计到“0”时，无人抢答，蜂鸣器连续响1秒。

选手抢答时，数码显示选手组号，同时蜂鸣器响1秒，倒计时停止。

2）设计要求

（1>4名选手编号为：

1，2，3，4。

各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。

（2>给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零<抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。

（3>抢答器具有数据锁存和显示的功能。

抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

（4>抢答器具有定时<9秒）抢答的功能。

当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，扬声器响，音响持续1秒。

（5>如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。

系统扬声器报警<音响持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示0。

3、方案比较与选择

3.1使用数字逻辑电路设计

电路主要由脉冲产生电路、锁存电路、编码及译码显示电路、倒计时电路和音响产生电路组成。

当有选手抢答时，首先锁存，阻止其他选手抢答，然后编码，再经4线7段译码器将数字显示在显示器上同时产生音响。

主持人宣布开始抢答时，倒计时电路启动由9计到0，如有选手抢答，倒计时停止。

电路系统结构如图13：

1）以锁存器为中心的编码显示电路

抢答信号的判断和锁存采用触发器或锁存器。

2）脉冲产生电路：

采用石英晶体振荡器产生高精度的秒脉冲。

3）倒计时显示电路：

该电路采用十进制同步减计数器74LS190，主持人宣布开始时，按下按钮，同时使计数器置数为“9”，并在脉冲作用下开始倒计时并在显示器上显示，到零时停止。

4）音响电路：

利用单稳态触发器74LS121产生定宽的抢答输出脉冲，接入蜂鸣器，根据脉冲宽度可计算得蜂鸣器鸣叫时间。

再由主持人、选手、倒计时共同控制它的输入，使其在主持人开始、选手抢答、倒计时到零时都能鸣叫。

3.2使用单片机系统设计

控制系统主要由单片机应用电路、存储器接口电路、显示接口电路组成。

其中单片机是系统工作的核心，它主要负责控制各个部分协调工作，在其外围接上复位电路，数码管，按钮及蜂鸣器。

P1口与P3口驱动数码管，P2.0-P2.3为4组抢答输入P3.6为蜂鸣器的控制口。

使用汇编语言编写程序，该程序主要包括主程序，倒计时子程序，键盘扫描子程序，显示子程序，响铃子程序，延时子程序等组成。

本次课程设计选用单片机系统设计，虽然使用数字逻辑电路设计可以对各功能模块有充分的认识，但再实物制作的时候很有难度，因此没有选用数字电路设计设计。

4、系统总体方案与硬件设计

4.1控制系统总体方案及所需元件

该四路抢答器控制系统主要由单片机应用电路、显示接口电路、键盘接口电路，其中单片机STC89C52RD是系统工作的核心，它主要负责控制各部分协调工作。

外围电路接上复位电路、数码管、上拉电阻、按钮及蜂鸣器，元件为：

晶振X1、电容C1、C2、C3，电阻。

P2.4由裁判控制，为抢答开始键。

P2.0—P2.3是4组抢答的输入口，P1.0—P1.7和P3.0—P3.7接两个数码管，P2.7为蜂鸣器的控制口。

控制系统仿真用到了伟福软件，集成调试环境，集成了编辑器，编译器，调试器，支持软件模拟，支持项目管理功能强大的观察窗口，支持所有的数据类型。

树状结构显示，支持ASM（汇编>，C语言等，在线直接修改、编译、调试源程序，错误指令定位。

系统仿真还用到了PROTUCE软件，可通过仿真可以完全显示所设计系统的功能，对于程序的调试等有很大的帮助。

4.2硬件设计

1）单片机STC89C52RC芯片的基本特点：

此单片机具有强抗干扰、高速、低功耗的特点，指令完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节RAM，通用I/O<32个），复位后为：

P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O用时，需加上拉电阻。

有EEPROM功能，看门狗硬件电路。

其引脚如下图2：

2>各模块具体设计：

A：

外部振荡电路必须在单片机的驱动下才能工作，在单片机内部有一时钟振荡电路，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，采用常用的晶振电路，如图3示：

B：

复位电路：

单片机内外部中断和内部中断并存，有硬件复位端，只要输入持续4个机器周期的高电平即可实现复位。

硬件复位后的各状态都恢复到初始值。

电路如4图所示：

C：

键盘电路：

四个按钮

D：

显示电路：

利用共阳数码管作为显示器件，如图6示：

E：

蜂鸣器电路：

采用三极管9015驱动蜂鸣器，低电平响，且为使蜂鸣器响时，驱动管处于饱和状态，蜂鸣器接在三极管的集电极上，电路如图7：

5.软件系统设计

1）明确系统的功能

主要功能：

当主持人按下开始按钮后，定时器开始倒计时，由“9”倒计到“0”时，定时显示器显示倒计时间，若无人抢答，倒计时结束时，蜂鸣器响，持续1秒。

如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。

系统蜂鸣器报警<音响持续1秒）；抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，禁止其他选手抢答。

抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

2）分析功能，理清程序结构

系统倒计时功能，主持人控制，需要按键允许；抢答开始与倒计时结束，以及抢答成功蜂鸣器响，需要响铃程序：

四组抢答输入，需键盘扫描程序；此外，一选手抢答成功禁止其他选手抢答，这可以通过允许标志位起到锁存的作用。

3）设计程序的初步流程图如图8所示:

4）主要功能的程序段设计与说明

A、查询与倒计时程序段设计：

查询按键是否按下，有去抖动功能；采用定时器T0进行倒计时，设初值50ms，通过工作寄存器R0累加20次后为一秒倒数减一，R0清零继续累加，从而进行倒计时直到结束。

流程图如下图9：

相应的部分程序与说明如下：

。

=====查询程序设计======

START：

......

JBP2.4,NEXT

ACALLDELAY

JBP2.4,NEXT 。

去抖动，如果“开始键”按下就向下运行

ACALLXIANG 。

蜂鸣器响

MOVA,R0

MOVR6,A 。

送R0到R6，因为R6中保存了抢答时间

......

AJMPCOUNT 。

进入倒计时，“查询有效抢答的程序”在COUNT里面

......

。

=======倒计时程序设计=========

COUNT:

MOVR1,#00H 。

重置定时中断次数

MOVTH0,#3CH

MOVTL0,#0B0H 。

重置定时器

RECOUNT:

MOVA,R5 。

R5中倒数时间送A

JZQUIT 。

R5为0时，计时完毕

MOVA,R1

CJNEA,#14H,CHECK 。

R1为20时，即到了1s后顺序执行，否则跳到显示扫描程序

MOVR1,#00H

DECR5 。

倒数次数减1

QUIT:

ACALLXIANG 。

计时结束时进行的程序

......

。

========T0溢出中断<倒计时程序）=======

T0INT:

MOVTH0,#3CH 。

重装初值

MOVTL0,#0B0H

INCR1

RETI

.......

查询抢答是否允许

设置定时器中断次数，重置定时器，

中断到20次？

倒数时间减一

倒数到0s？

蜂鸣器响

B：

按键扫描程序<有锁存功能）

实现锁存可以设计一个抢答允许标志位，若允许则查询，否则禁止抢答，其流程图如图10：

部分程序段如下：

；********************************

；设OK为抢答允许位

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