8路抢答题

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

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摘 要

本文抢答器利用8×10键坐标X、Y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（X，Y）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

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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

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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。

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2电路原理概述

2.1原理框图

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LED1和LED2分别显示对应按钮所在的行号和列号。 电路原理图见附录。

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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。

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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。

本设计采用矩阵式键盘。

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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。

11VVOUTINGNDL78053output220V42+C1220uFBRIDGE1+C247uFTRANS1C30.1uF2C40.1uF3 图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2～3V，整流桥的输出电压是输入电压(有效值)的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中C1、C2为低频滤波电容，根据经验选择电解电容，其容值分别为

C1=220μF、C2=47μF；C3、C4为高频滤波电容，均选0.1μF的无极性电容。

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5计数脉冲产生

对于IC2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

IC1和晶振组成的振荡必须产生fosc1MHz的信号，将该振荡频率信号送入IC2，组成

循环记数。

其中列扫描频率fs由振荡器频率fosc和计数器IC2计数模数M决定 因为：

fosc1MHz M10

又因：

fsfoscM 所以：

fs1MHz10100KHz 所以扫描误差时间

T1f0.01ms s

5.1晶体振荡器

IC1aIC1b2233AA111MHzC2C130p30p

图3 石英晶体振荡器

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图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CO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；Lq，Cq，Rq对应于机械共振经压电转化而呈现的电参数。Rq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：fo1LqCq (2) 2并联：fo12LqCCoCqoCq1CqC2LqCq o国产B451MHz中精度晶体的等效参数如下：

Lq4.00H Cq0.0063 pRq100~200Ω Co2~3pF

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6列信号及列显示译码

6.1循环计数器

图4中IC2 (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IC2的1引脚输入连续的计数脉冲，再从输出端IQ4、IQ3、IQ2、IQ1重复输出0000-1001的8421BCD码，供后续电路产生顺序脉冲（即列扫描信号）。

+5V98CD4518VDDENVss7Cr1ICPIQ1IQ2IQ3IQ46

图4 CD4518引脚图

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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IC2的ICP时, IC2对脉冲计数，并且从IC2的IQ4-IQ1输出四路计数值，IC2中的VDD、EN接

Cr接地。IC2输出的计数值从IQ4-IQ1传送到IC4 (CD4028)进行4-10+5V电源，而VSS、

线译码，IC4中VDD连接电源电压+5V，VSS接地。当计数值从A、B、C、D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。

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图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FF0，FF1，FF2，FF3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。

当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（00#，

10#~70#）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70#）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。

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6.3列显示译码电路

IC2输出的计数值IQ4—IQ1一路送列信号产生，另一路送入由IC3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。

+5VCD4511VDDLT7126ABCDR1~R7abcdefg1234567abcdefgDPYafegdbcLEBIVSS[LEDgn]DPY_7-SEG图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IC，主要管脚功能如下：VDD、VCC分别为正负电源端，电源电压范围是3~18V，通常取5V、10V等，此电路中取5V。

A，B，C，D—BCD码输入端，可接CD4518双BCD加法计数器的输出端。 CD4511七段显示译码器输出的高电平VOH与输出电流If的关系见表1。当VOH、

Vf、If确定之后，利用式4可求出线流电阻值。

R(VOH-Vf)If (4)

表1 CD4511输出的高电平VOH与输出电流If的关系

电源电压VDD(V) 5 10

输出高电平VOH(V) 4.1 3.9 3.4 9.1 9.0 10.6 输出电流If(mA) 5 10 20 5 10 20

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Vf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If10mA时，还可用VDD近似代替公式中的

VOH值。R值稍有误差，不影响正常显示。LED数码管的正向压降Vf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VDD5V，Vf2V，

If10mA。查表得VOH3.9V

所以：

R(3.92.0)190

0.01则选R200最适宜。

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7行信号及行显示译码

7.1行信号产生

IC5(CD4532)为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IC6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Q0，Q1，Q2，VSS接地，VDD、EI接电源电压+5V，EO与IC1c和IC1d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

IC5输出的计数值Q0-Q2送入由IC6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。

+5VVDDLTABCabcIC6dDeVssfgLEBIR1~R71234567360x7abcdefgLED1DPYafegdbc[LEDgn] 图7 行信号显示原理图

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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“日”，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。N个LED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LT0（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BI0并且LT1（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LE0时选通，LE1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。

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9主持人控制电路

9.1 RS触发器

由IC1c和IC1d构成RS触发器。其中IC1c和IC1d为两个功能完全相同的与非门，IC1d将IC1c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IC1c与IC1d中的输出作为α和β，并定义α1、β0为触发1状态，α0、β1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EO0、SB1时，α1、β0，在EO1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。

当EO1，SB0时，α0，β1。在SB1信号消失后，电路保持0状态不变。 当EOSB0时，电路维持原来的状态不变。

当EOSB1时，αβ0，即不是定义的1状态，也不是定义的0状态。而且，在SB和EO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EOSB1的约束条件，即不允许输入EOSB1的信号。

表2 RS触发器的特性表

S R Qn Qn1

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：

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Qn1SRQn (5)

SR0所以，在IC1c和IC1d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0，IC1c输出为0，IC1d输出为1，此时SB0，EO1。IC1c的输出用来控制IC3和IC6锁存（LE）和消隐（BI）。当LEBI0时，锁存无效，消隐有效，IC3和IC6可将输入的代码进行传输和译码。但因消隐有效，使数码管LED1和LED2同时熄灭。若无人按下按钮，IC5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LEBI1，IC3和IC6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LED1和LED2 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U5V，则

REU10KΩ。对于C7可以按经验取值在4~6F中都可以，取4.7F最适宜。 I

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参考文献

[1]沈长生．常用电子元器件使用一读通[M]．人民邮电出版社，2002：89-93． [2]阎石．数字电子技术基础[M]．高等教育出版社，1983：223-337．

[3]曲学基，王增福，曲敬铠．稳定电源使用手册[M]．电子工业出版社，1994：223-230． [4]华中理工大学教研室．模拟电子技术基础(第四版)[M]．高等教育出版社，1999：135-141． [5]华中理工大学教研室．数字电子技术基础(第四版)[M]．高等教育出版社，1999：112-120． [6]谢自美．电子线路设计、实验、测试(第二版)[M]．华中科技大学出版社，2005：203-213． [7]黄继昌．电子元器件应用手册[M]．人民邮电出版社，1996：145-153．

[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，2003：125-134． [9]康华光．电子技术基础模拟部分(第四版)[M]．高等教育出版社，2000：154-163． [10]黑田彻(日)．电子元器件应用技术[M]．科学出版社，2006：120-138．

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致谢

衷心感谢我的指导老师包昌祥老师在论文的写作过程中对我的悉心指导，他严谨精细的治学态度，渊博的知识，孜孜不倦的工作热忱和诲人不倦的精神我将铭记在心！他优秀的管理能力和开明、正直的作风也给我留下了深刻的印象。感谢物电系的老师对我成长的关心和帮助。要特别感谢我的家人，他们是支持我前进的动力；他们的关爱使我对生活充满信心，勇敢地面对生活、学习中的各种压力；是他们才使我安心完成学业。最后感谢图书馆、电子阅览室为我提供查找资料的场所和优质的服务。

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附录

电路原理图：

+5VIC1aIC2:CD4518VDDEN3A1VssICPCrIQ1IQ2IQ3IQ4+5V1MHzVDDLTaAbcBIC3deCfgDLEBIIC4CD4028D+5VVDDVssCBAR1~R71234567abcdefgIC1b23A12LED2DPYafegd[LEDgn]bcC230pC130pY0...........Y9VD0..........VD9IN4148x10+5VIC5CD4532VDDEID0Q0Q1Q2+5V00#09#......R010K70#79#D7EO+5VR710KGSVSSVssVDDLTabcIC6dDeVssfgABCLEBIR1~R71234567abcdefgLED1DPYafegd[LEDgn]bcIC3,IC6:CD4511R110K1IC1cA23+C74.7uIC1dSB1A23至音响控制+5V电源电路11VINVOUTGNDL780523output220V42+C1220uFBRIDGE13TRANS1C30.1uF+C247uFC40.1uF

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