8路抢答题

  • IT技术
  • 2019-10-01
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简介独立式键盘的各个按键相互独立,每个按键独立地与一根数据输入线(单片机并行口或其它接口芯片的并行口)相连。当相连的芯片接口内部无上拉电阻时,这时就应在芯片外设置上拉电阻;芯片接口内部有上拉电阻时,就直接相连。独立式键盘配置灵活,软件结构简单,但每个按键必须占用一根口线,在按键数量多时,口线占用多。所以,独立式按键常用于按键数量不多的场合。

独立式键盘的软件可以采用随机扫描,也可以采用定时扫描,还可以采用中断扫描。随机扫描是指,当CPU空闲时调用键盘扫描子程序,响应键盘的输入请求。定时扫描是利用定时器产

目录

1引言... 1

2电路原理概述... 2

2.1原理框图... 2

2.2电路图... 2

3按键控制电路... 3

3.1独立式键盘及其接口... 3

3.2矩阵式键盘及其接口... 3

4电源电路设计... 5

5计数脉冲产生... 6

5.1晶体振荡器... 6

6列信号及列显示译码... 8

6.1循环计数器... 8

6.2列信号的产生... 8

6.3列显示译码电路... 10

6.4 CD4511工作原理... 10

7行信号及行显示译码... 12

7.1行信号产生... 12

7.2行显示译码电路... 12

8七段LED显示电路... 13

8.1显示电路的设计... 13

8.2七段LED显示器引脚功能... 13

9主持人控制电路... 14

9.1 RS触发器... 14

9.2主持人按钮数据取值依据... 15

参考文献... 16

致谢... 17

附录... 18

 

本文抢答器利用8×10键坐标XY的不同来确定抢答者的位置,把抢答者位置分为横坐标和列坐标。当抢答者发出信号时,先确定他的列坐标,对列坐标进行扫描记数,选中的为高电平,其他列为低电平,再经过译码器译码,最后送到LED中显示,确定出列坐标位置。然后确定横坐标位置,同样选中的为高电平,未选中的为低电平,用译码器译出X再用LED显示出来,确定出横坐标位置,则利用(XY)可以确定抢答者的位置,最后通过RS触发器触发音响控制电路。

 

关键词:抢答器;译码器;大容量

 

 

Abstract

 

Competition answer Machine in this paper use 8×10 keys and their X,Y data to confirm the respondents’ location which express as different X-coordinate and Y-coordinate. When the respondent sends out signal, first confirm its Y-coordinate, then scan and make notes. The signal which is pitched on ranks high-level inverter, and others low-level inverter. After coding by encoder, the signal finally shows the Y data in LED. Subsequently, confirm the X-coordinate and dispose it, using the same method as Y-coordinate. And then, it can ensure the respondents’ location according to the (X,Y) which just got, spring the sound controller through RS trigger lastly.

 

Key word: competition answer machine; encoder; high-capacity

1引言

 

大部分机关、学校、部队、团体等单位在开展精神文明建设,举行各种知识、智力竞赛、文化娱乐活动时,都能用到抢答器,在一些大型娱乐场所,有时需要几十路甚至几百路大容量抢答器,而一般的抢答器只有几路或十几路,不能满足实际需要。此时我们需要大容量,且性价比高的抢答器,本文所设计的抢答器则符合此要求。

对于大容量的抢答器的设计,主要考虑以下两个问题:一是性能良好,误差时间小;二是抢答器的按钮与控制器的连线应尽量简单。而采用一般小容量抢答器中的连线方式,不仅导线成本高,而且连线复杂,安装和维护也十分复杂。本文介绍的电路,采用键盘连线方式,应用扫描方式进行工作,连线简单,成本低,安装和维护方便,控制电路也有很好的性能。

2电路原理概述

2.1原理框图

 

1 电路原理总框图

 

2.2电路图

 

此图表示是一个80路的抢答电路,抢答按钮采用8×10键盘方式,由数码管LED1LED2分别显示对应按钮所在的行号和列号。

   电路原理图见附录

 

 

3按键控制电路

 

键盘是由若干个按键组成的。按键就是一个简单的开关,当按键按下时,相当于开关闭合;当按键松开时,相当于开关断开。常用键盘分为独立式键盘接口和矩阵式键盘接口。

 

3.1独立式键盘及其接口

 

独立式键盘的各个按键相互独立,每个按键独立地与一根数据输入线(单片机并行口或其它接口芯片的并行口)相连。当相连的芯片接口内部无上拉电阻时,这时就应在芯片外设置上拉电阻;芯片接口内部有上拉电阻时,就直接相连。独立式键盘配置灵活,软件结构简单,但每个按键必须占用一根口线,在按键数量多时,口线占用多。所以,独立式按键常用于按键数量不多的场合。

独立式键盘的软件可以采用随机扫描,也可以采用定时扫描,还可以采用中断扫描。随机扫描是指,当CPU空闲时调用键盘扫描子程序,响应键盘的输入请求。定时扫描是利用定时器产生定时中断,在中断服务程序中对键盘进行扫描,并在有键按下时转入键功能处理程序;定时扫描方式的硬件接口电路与随机扫描方式相同。对于中断扫描方式,当键盘上键闭合时产生中断请求,CPU响应中断并在中断服务程序中判别键盘上闭合键的键号,并作相应的处理。

 

3.2矩阵式键盘及其接口

 

矩阵式键盘采用行列式结构,按键设置在行列的交点上。矩阵式键盘的行线通过电阻接+5V(芯片内部有上拉电阻时,就不用外接了),当键盘上没有键闭合时,所有的行线与列线是断开的,行线均呈高电平。

当键盘上某一键闭合时,该键所对应的行线与列线短接。此时该行线的电平将由被短接的列线电平所决定。因此,可以采用以下方法判断是否有键按下及按下的是哪一键。

1)判有无按键按下。将行线接至单片机的输入口,列线接至单片机的输出口。首先使所有列线为低电平,然后读行线状态,若行线均为高电平,则没有键按下;若读出的行线状态不全为高电平,则可以断定有键按下。

2)判断按下的是哪一个键。先让第一列为低电平,其余列线为高电平,读行线状态,如行线状态不全为“1”,则说明所按键在该列,否则不在该列。然后让第二列为低电平,其它列为高电平,判断第二列有无按键按下。其余类推。这样就可以找到所按键的行列位置。

    设计采用矩阵式键盘。

 4电源电路设计

 

电源电路由变压器、单相桥式整流电路、滤波电路和三端稳压电路构成。其电路图如图2所示,图中“output”端输出为+5V

 

2 电源电路

 

电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。三端式稳压器只有输入、输出和公共引出端,由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。在本系统中,要求电源电压为+5V,由于三端式稳压器输出电压固定,故在设计中选择三端式稳压器L7805。三端式稳压器的输入与输出之间电压差为23V,整流桥的输出电压是输入电压(有效值)1.2倍,根据有效值与峰-峰值的关系选择220V/6V的变压器。由于L7805的最大输出电流为1A,电压为稳定的+5V,输出功率为5W,加上三端式稳压器L7805的消耗,故本系统选择降压比为220V/6V、功率为10W的变压器。图19为低频滤波电容,根据经验选择电解电容,其容值分别为为高频滤波电容,均选0.1μF的无极性电容。

 

5计数脉冲产生

 

 对于需要输入100KHz的扫描频率才能使最大时间误差只有0.01ms,所以由和晶振组成的振荡必须产生的信号,将该振荡频率信号送入组成循环记数。

其中列扫描频率由振荡器频率和计数器计数模数决定

因为:

   

又因:      

                                                    (1)

所以:

所以扫描误差时间

 

5.1晶体振荡器                                                                      

 

3 石英晶体振荡器

3中电容与石英晶体组成1MHz的晶体振荡器,振荡器的频率稳定度主要取决于振荡器的标准性和品质因数。石英晶体中是晶体作为电解质的静电容,数值一般为几皮法至几十皮法;对应于机械共振经压电转化而呈现的电参数。是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗,若晶体谐振器是一串并联的振荡器回路。它的串并联谐振频率为

串联:                                                    (2)

并联:                                 (3)

国产B451MHz中精度晶体的等效参数如下:

                  

              

 

 

6列信号及列显示译码

6.1循环计数器

 

4 (CD4518)为异步2-10进制加法计数器,对晶体振荡器产生的信号进行循环计数。其工作原理为从1引脚输入连续的计数脉冲,再从输出端IQ4IQ3IQ2IQ1重复输出0000-10018421BCD码,供后续电路产生顺序脉冲(即列扫描信号)。

 

 

4 CD4518引脚图

 

6.2列信号的产生

 

用计数器和译码器组成顺序脉冲发生器。其工作过程是当一个脉冲传送到ICP, 对脉冲计数,并且从IQ4-IQ1输出四路计数值,中的+5V电源,而接地。输出的计数值从IQ4-IQ1传送到 (CD4028)进行4-10线译码,连接电源电压+5V接地。当计数值从ABCD中输入时,经CD4028译码器译出10个顺序的高电平脉冲从Y0-Y9输出。见图5

 

5 脉冲产生原理图

 

图中电路是输出10个顺序脉冲的顺序脉冲发生器,4个触发器FF0FF1FF2FF3组成4个二进制计数器,10个与门组成4-10线译码器,只要在计数器的输入端ICP加入固定频率的脉冲,就能在Y0~Y9端依次得到输出脉冲信号。但是由于使用了异步计数器,在电路状态转换时两个触发器的翻转有先有后,因此当两个以上的触发器同时改变状态时将发生竞争-冒险现象,有可能在译码器的输出端输出尖峰脉冲。在使用中规模集成电路的译码器时,由于电路上大多数均没有控制输入端,由此可以用选通的方法来实现。

CD4208译码器的Y0-Y9顺序脉冲高电平时,就产生了列信号,选中某一列线(如Y0)为高电平时,其余列Y1-Y9均为低电平,电路只为该线上的8个按钮(~)提供抢答需要,为了保证选中的为高电平,没选中的均为低电平,所以在Y0-Y9中分别加上一个二极管IN4148,防止列线反向导电,使未选中的列线保持低电平。若该列上任一按钮(如)先按下,则相应的行线X7为高电平,其他7根行线X0-X6均为低电平。为了保证选中的为高电平,未选中的为低电平,则在行线X0-X7上分别加一个10千欧电阻(R0-R9)并接地,使得当未按电钮时等效为接地,按下电钮时等效为接高电平,从而满足电路的要求。

 

6.3列显示译码电路 

 

输出的计数值IQ4—IQ1一路送列信号产生,另一路送入由组成的七段显示译码器进行译码,然后驱动数码管LED2显示列号。见图6

 

6 列信号显示原理图

 

6.4 CD4511工作原理

 

CD4511能将二和十进制码(BCD码)译成七段码(a—g,驱动共阴极LED数管。CD4511具有锁存功能,它是一种16双列直插式,主要管脚功能如下:分别为正负电源端,电源电压范围是3~18V,通常取5V10V等,此电路中取5V

ABCD—BCD码输入端,可接CD4518BCD加法计数器的输出端。

CD4511七段显示译码器输出的高电平与输出电流的关系见表1。当确定之后,利用式4可求出线流电阻值。

                                                     (4)

1 CD4511输出的高电平与输出电流的关系

电源电压(V)                     5                             10

输出高电平(V)       4.1        3.9       3.4        9.1       9.0        10.6

输出电流(mA)           5          10        20         5         10          20

 

值最好用数字万用表的二极管档实际测出。若为估算值,亦可从1.7~2.3V中去中间值2.0V。另外CMOS电路而言,当时,还可用近似代替公式中的值。R值稍有误差,不影响正常显示。LED数码管的正向压降一般为2V左右,每段工作电流为5~10mA,则七段全亮电流为35~70mA。若CD4511直接驱动,每段电流将超过LED的最大允许值,容易损坏显示器。因此使用前必须在每段分别串入几百欧的限流电阻,将每段电流控制在5~10mA为宜。因为此电路中。查表得

所以:          

则选最适宜。

 

 

 7行信号及行显示译码

7.1行信号产生

 

(CD4532)8-3线输出编码器,它是将行线中的信号经过编码器之后送至译码器触发LED2显示出行线的行数。其中输入为D0—D7,编码后输出为Q0Q1Q2接地,接电源电压+5VEOIC1cIC1d中与门构成触发器相连,构成按钮复位。

 

7.2行显示译码电路

 

输出的计数值Q0-Q2送入由组成的七段显示译码器进行译码后驱动数码管LED2显示行号。见图7

 

7 行信号显示原理图

 

 

8七段LED显示电路

8.1显示电路的设计

 

七段LED数码显示管由8个发光二极管组成,通常构成字形,其中有一个发光二极管用来显示小数点。各段LED显示器由驱动电路驱动,控制相应的二极管导通,相应的一个笔画或一个点就发光,由此就能显示出对应字符。NLED显示块有8×N根段码线,段码信号控制显示字符的字型,有N位选择线,各位选择信号控制相应某确定位的亮或灭。通常将各段发光二极管的阴极或阳极连在一起作为公共端;将各段发光二极管阳极连在一起的叫共阳极显示器,用低电平驱动;将阴极连在一起的叫共阴极显示器,用高电平驱动。

显示电路采用LED数码管显示,LED数码显示管有静态显示方式和动态显示方式,本设计采用串行输出的静态显示方式。

 

8.2七段LED显示器引脚功能   

 

a-g—七段码(高电平有效)

LT—灯测试端,只要(低电平),无论其它输入端状态如何,LED就显示全亮划,构成数字“8”,由此可检查数码管的好坏。正常工作时为高电平。

BI——消隐控制端,当并且(高电平)时,就强迫显示器消隐,不显示任何字形,正常工作时为高电平。

LE——锁存控制端,当时选通,时锁存。锁存时,显示器总保持锁存前一时刻的计数状态不变,新的数据不能反映到显示器上,利用此端可避免计数过程的跳数现象。


9主持人控制电路

9.1 RS触发器

 

IC1cIC1d构成RS触发器。其中IC1cIC1d为两个功能完全相同的与非门,IC1dIC1c中的输出反向,同时将IC1d的另一个输出接低电平,则IC1d的输出将与IC1c的输入同向。将IC1cIC1d中的输出作为α,并定义为触发1状态,为触发0状态。SB称为置位端或置1输入端,EO位称为复位或置0输入端。当时,,在信号消失以后(EO回到0),由于有α端的高电平接回到IC1d的另一个输入端,固而电路的1状态得以保持。

时,。在信号消失后,电路保持0状态不变。

时,电路维持原来的状态不变。

时,,即不是定义的1状态,也不是定义的0状态。而且,在SBEO同时回到0后无法断定触发器将回到1状态还是0状态,因此在正常工作时输入信号应遵守的约束条件,即不允许输入的信号。

 

2 RS触发器的特性表

                                                         

0                     0                      0                     0

0                     0                      1                     1

1                     0                      0                     1

1                     0                      1                     1

0                     1                      0                     0

0                     1                      1                     0

1                     1                      0                     0

1                     1                      1                     0

 

由表2可得出RS触发器的特性方程:

                                               (5)

所以,在IC1cIC1d构成的RS触发器,完成抢答控制功能按钮SB为主持人控制的复位按钮,每当一次新的抢答开始之前,按动一下SB,将触发器置0IC1c输出为0IC1d输出为1,此时IC1c的输出用来控制锁存(LE)和消隐(BI)。当时,锁存无效,消隐有效,可将输入的代码进行传输和译码。但因消隐有效,使数码管LED1LED2同时熄灭。若无人按下按钮,的输入D0—D7均为0,则EO端为高电平,使触发器保持0状态,IC1c的输出由0变为1,此时的锁存功能有效,消隐无效,对最先按下的按钮所在的行号和列号进行锁存,再经译码后驱动数码管LED1LED2    进行行号和列号的显示。锁存功能有效后,对随后按下的其他按钮的行和列号不再进行传输,实现抢答控制功能。

 

9.2主持人按钮数据取值依据

 

对于SB,主持人按钮开关,当SB按下时,输出IC1d中的电压为高低电压。因为一般按钮电流很低,按经验取值为0.5mA左右,又因为电源电压,则。对于可以按经验取值在中都可以,取最适宜。

 

 参考文献

 

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[8]曾兴雯高频电路原理与分析(第三版)[M]西安电子科技大学出版社,2003125-134

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[10]黑田彻()电子元器件应用技术[M]科学出版社,2006120-138

 


 附录

 

电路原理图:

 

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