用西门子s7-200plc设计一个八位抢答器控制系统

八位抢答器设计要求
本次设计的数字抢答器将具有以下功能：
（1）抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。
（2）设置一个系统清除和抢答控制开关“开始”，“结束”，该开关由主持人控制。
（3）抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，扬声器发出声响提示，并在LED数码管上显示选手号码。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。
此外还有一些扩展功能：
（1）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10秒）。当主持人启动“开始”键后，定时器进行减计时。
（2） 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。
（3） 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0。

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　　2010数字电路课程设计论文

　　数字抢答器设计

　　系 部： 电气系
　　班 级：093341
　　学 号：01
　　学生姓名： 廖 继 武
　　指导教师： 龙 治 红
　　专 业： 电子信息工程

　　2010 年12月12日

　　目录
　　摘要 I
　　第1章 绪论 1
　　第2章 抢答器的系统概述 2
　　2.1设计任务及要求 2
　　2.2 设计方案论证 3
　　2.3 抢答器的工作原理 4
　　2.4优先判断与编号锁存电路 错误！未定义书签。
　　第3章 抢答器的单元电路设计 6
　　3.1抢答器设计中的优先编码电路 7
　　3.2抢答器设计中的定时电路 9
　　3.3抢答器设计中的报警电路 10
　　3.4抢答器设计中的时序控制电路 9
　　3.5七段显示译码器与数码管 12
　　3.6抢答器的功能说明 14
　　第4章 总结 15
　　附录 16

　　摘要

　　数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将电路的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。更具实用性。
　　关键字： 抢答电路 定时电路 报警电路 时序控制电路

　　第1章 绪论

　　当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出的问题，如果要是让抢答者用举手等方法，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，这就要有一种抢答设备作为裁判员，这就必然离不开抢答器。
　　抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机或数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。
　　目前数字电子技术已经广泛地应用到计算机、自动控制、电子测量仪表、电视、雷达、通讯等各个领域。随着科技的发展，现在的抢答器有着数字化，智能化的方向发展，这就必然提高了抢答器的成本。鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器必将大有市场。因此，我选择简易逻辑数字抢答器这一课题。简易逻辑数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。
　　本课题设计通过参考大量文献对抢答器的工作原理做了系统介绍，通过详细的调查和权威技术资料及相关情报的收集，为学校等单位举行的简单的抢答活动提供了简单设计思路，对于企业了解抢答器产品生产技术及其发展状况十分有益。
　　本课题设计了一种采用数字电路制作的多功能数字抢答器，它主要采用了74系列的常用集成电路，它除了具有基本的抢答功能之外，还具有定时报警的功能，和数显的功能，当抢答开始后，系统会自动倒计时，并且时间是可以预设的，期间有人抢答的话系统会停止计时，如果期间没人抢答，系统会有短暂的报警，提示抢答结束。通过这次课程设计,了解简单多功能数字电路抢答器的组成原理，初步掌握数字电路抢答器的调整及测试方法，提高思考能力和实践能力。同时通过本课题设计，巩固已学的理论知识，建立逻辑数字电路的理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。
　　第2章 抢答器的系统概述

　　抢答器我们都知道是选手做抢答题时用的，选手进行抢答，由抢到题的选手回答问题。抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。选手们都站在同一起跑线上，体现公平的原则。本设计的数字抢答器由主体电路和扩展电路组成。现简单的介绍设计任务及要求、设计方案论证、工作原理以及优先判断与编码电路。
　　2.1设计任务及要求
　　设计任务：设计一个具有锁存与显示功能的6人抢答逻辑电路。本课题的设计任务从功能上分, 主要包括以下两个部分:
　　（1）基本功能
　　可同时6名选手参加比赛，他们的编号分别是1，2，3，4，5，6。
　　各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S1，S2，S3，S4，S5，S6。
　　A、节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。
　　B、数字抢答器应具有数码锁存、显示功能。抢答开始后，若有选手按动抢答
　　按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。
　　（2）扩展功能
　　A、定时抢答功能。抢答器定时为20 s，启动起始键后，定时器开始工作，立即减计，并在显示器上显示出来，同时扬声器要短暂报警。
　　B、参赛选手在设定的时间内抢答（30s），抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢倕时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
　　C、 当定时抢答的时间已到，还没有选手抢答进，本次抢答无效，系统短暂报警,并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00。
　　2.2 设计方案论证
　　制作抢答器可以采用多种设计方案，可以用单片机来完成，它的功能强大制作简单，并且外围的元件也很少；也可以用PLC来实现，它的制作也是比较简单；最后也可以用数字电路来实现，它的原理比较简单，集成块的价格也比较便宜且很容易购买，与我们学完的《数字电路》联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩固所学知识有重要意义，用了一些成型电路，如NE555标准秒脉冲电路等，使总体方案易于实现，本设计采用的是数字电路。
　　2.3 抢答器的工作原理
　　如图2.1所示为抢答器的结构框图，它由主体电路和扩展电路两部分组成。主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成检测数码管工作情况。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；主持人将开关置于"开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。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。

　　2.4优先判断与编号锁存电路
　　74LS190的 优先判断与编号锁存电路如图2.2所示。电路选用优先编码器 74LS148（逻辑功能图2.3）和基本RS触发器（逻辑功能图2.4）来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作
　　过程：系统清除按键按动时，四个RS触发器的置 端均为+5V，使四个触发器均被置0。1Q为0，使74LS148的使能端 =0，74LS190计数器的输入端D0=0，此时十位的74LS190输入“0010”，个位唯“0000”，从而进行20倒计时（见图2.5），74LS148处于允许编码状态，同时1Q为0，使74LS48的灭灯输入端 =0，数码管无显示。这时抢答器处于准备抢答状态。
　　当系统清除按键松开时，抢答器处于等待状态。当有选手将按键开关按下时，抢答器将接受并显示抢答结果，假设按下的是S4，则74LS148的编码输出为011，此代码送入基本RS触发器后再锁存74LS148，使4Q3Q2Q=100，亦即74LS148的输入为0100；又74LS148的优先编码标志输出Ys非为0，使1Q=1，即 =1，74LS48处于译码状态，译码的结果显示为“4”。同时1Q=1，使74LS148的 =1，74LS148处于禁止状态，从而封锁了其他按键的输入。此外，当优先抢答者的按键松开再按下时，由于仍为1Q=1，使 =1，74LS148仍处于禁止状态，确保不会接受二次按键时的输入信号，保证了抢答者的优先性。

　　图2.2

　　图2.3 CT74LS148 逻辑功能示意图

　　图2.4 基本RS触发器示意图

　　图2.5 控制74 LS190计数器
　　第3章 抢答器的单元电路设计

　　简易逻辑数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。现简单介绍抢答器设计中的优先编码电路、定时电路、报警电路、时序控制电路、七段显示数码器及译码管电路。
　　3.1抢答器设计中的优先编码电路
　　优先编码电路如图3.1所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。
　　工作过程：开关S置于“清除”端时，RS触发器的 端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的 ＝0，使之处于工作状态。当开关S置于“开始”时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出 经RS锁存后，1Q=1， =1，74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101，经译码显示为“5”。此外，1Q＝1，使74LS148 ＝1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的 此时由于仍为1Q＝1，使 ＝1，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置于“清除”然后再进行下一轮抢答。并且当1Q=时，使得74LS190的输入当D0=1，从而十位的74LS190的输入端唯“0011”，个位为“0000”，从而进行30秒倒计时。
　　74LS148是二进制的8线-3线优先编码器，从它的功能真值表中可以看出，输入、输出都是低电平有效，且输入中的I7的优先权最高，I0的优先权最低。输出低电平有效也称反码输出。当编码器工作时，若I0=1，不论其他输入端是否为有效低电平，只对IN7进行编码，编码输出为 若I7 =1，I6=0，则只对I6进行编码，编码输出为 ，其他编码过程依次类推。
　　( 74LS148为8线－3线优先编码器。表3.1为74LS148的功能真值表。)

　　表3.1 74LS148的功能真值表
　　3.2抢答器设计中的定时电路
　　由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置（20S），计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS190进行设计，具体电路如图3.2所示。本设计是以555构成震荡电路，由74LS190来充当计数器，构成抢答器的倒计时电路。该电路简单，无需用到晶振，芯片都是市场上容易购得的。设计功能完善，能实现直接清零、启动。74LS190 是一个十进制可逆计数器，它有两个时钟输入端CU和CD，当从CU输入时，进行加法记数，从CD输入时，进行减法记数。它有进位和借位输出，可以进行几位串接记数。它还有独立的置“0”输入端，并且可以单独对加法或减法记数进行预置数，本设计中的抢答器的定时电路就是利用74LS190中的预置数的功能来进行定时的。

　　图3.2定时电路
　　3.3抢答器设计中的报警电路
　　在我们实验室里，由于蜂鸣器不要CP脉冲只要有一定的电压和电流就能报警，只要前面的电路正确就报警，根据老师的要求，我设计了有人抢答和最后5S、3S、1S报警(见下图)。我主要通过十位的74LS190的Q0,Q1与个位的74LS190的Q0,Q1.Q2,Q3,经过8个输入端的或非门来控制最后5S、3S、1S报警，例如控制最后5S报警时，吧十位的Q0,Q1直接接在或非门上，个位的Q0,Q2经过非门后再接在或非门是，Q1，Q3直接接就可以啦！8输入端的或非门其余没用的管脚接地或者悬空就可以实现最后5S报警呢！关于最后3S，1S报警的与5S报警的差不多，只要控制好相应的管脚就可以啦！
　　有人抢答就报警就是把74LS148的三个输出端一起经过与非门就可以，因为没有人抢答时，输出端都为1；当有人抢答时三个输出端必定有一个为零，经过与非门后即为1，从而报警（见下图）。

　　最后5S,3S,1S报警电路图

　　有人抢答报警电路图
　　3.4抢答器设计中的时序控制电路
　　时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：
　　①主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。
　　②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时回答电路开始工作。
　　③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。
　　根据上面的功能要求，设计的时序控制电路。通过74LS4078控制74LS148的输人使能端 。工作原理是：主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，有74LS148送到基本RS触发器输出 1Q=0， 同时1Q的信号送到74LS148 端，使74LS148开始工作，且1Q送到74LS190的D0端，使74LS190进行定时电路进行递减计时（20S）。同时，在定时时间未到时，通过8输入端的或非门输出端为“0”，则"定时到信号"为0，送到74LS148 端，使74LS148开始工作，从而实现功能①的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1， 即74LS148 =1，74LS148处于禁止工作状态，同时RS触发器输出的信号1到74LS190的DO，使74LS190实现从30S开始递减，从而实现功能②的要求。当定时时间到时，通过8输入端的或非门使"定时到信号"为1，使74LS190的 =1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。
　　3.5七段显示译码器与数码管
　　七段显示译码器与数码管如下图3.6所示。7段显示译码74LS48将锁存器74LS279的信号译码，输出给数码管。当后台工作人员将S置于GND， =0，使灯测试输入端（图中3号）=1，这时测试数码管工作情况；当后台工作人员将S置于Vcc， =1，使灯测试输入端（图中3号）=1，这时正常译码。
　　（74LS48为4线－七段译码器/驱动器，表3.2为其真值表，图3.7为逻辑图）

　　图3.6 7段显示译码器与数码管

　　Inputs Outputs

　　D C B A
　　a b c d e f g
　　0 H H L L L L H H H H H H H L
　　1 H X L L L H H L H H L L L L
　　2 H X L L H L H H H L H H L H
　　3 H X L L H H H H H H H L L H
　　4 H X L H L L H L H H L L H H
　　5 H X L H L H H H L H H L H H
　　6 H X L H H L H L L H H H H H
　　7 H X L H H H H H H H L L L L
　　8 H X H L L L H H H H H H H H
　　9 H X H L L H H H H H L L L L
　　10 H X H L H L H L L L H H L H
　　11 H X H L H H H L L H H L L H
　　12 H X H H L L H L H L L L H H
　　13 H X H H L H H H L L H L H H
　　14 H X H H H L H L L L H H H H
　　15 H X H H H H H L L L L L L L
　　BI X X X X X X L L L L L L L L
　　RBI H L L L L L L L L L L L L L

　　L X X X X X H H H H H H H H
　　表3.2 74LS48真值表

　　图3.7 74LS48逻辑图

　　3.6抢答器的功能说明
　　在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。本文主要介绍了简单逻辑数字电路抢答器的设计及工作原理，以及它的实际用途。如果要让比赛更公平，防止出现违规现象，可以增加其扩展功能：
　　(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3-1一样的电路，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。

　　第4章 总结

　　本设计主要讲述了抢答器的工作原理和工作过程。在说明工作原理的过程中，突出了抢答器设计中的基本电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能；结合本设计的内容，指出了各单元电路的设计方法和意义，以及如何进行抢答控制。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。电路设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在单元电路的理解和设计上面。很多单元电路是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个单元电路才是关键的问题所在。经过这段时间的努力，在老师和同学的帮助下终于彻底的做完了课程设计的所有工作。通过这次的课程设计，我能运用已学的知识解决我在设计中遇到的问题，使我思考问题的能力得到了很大的提高。在做设计的过程中我查阅了很多的资料，并认真的阅读这些与我的设计相关的资料，从而我的专业涵养得到了提高，知识的储备量也有所增加。在做设计时，我复习了很多专业课的知识，这使得我的专业知识在离校之前得到了巩固。
　　这次设计,让我受益匪浅。我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过查找一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。
　　通过这次设计我也发现自己的很多不足之处。在设计过程中我发现自己考虑问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢固，所掌握的电路应用软件还不够多，我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。而且，通过这次设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的学习做出了最好的榜样！我将会在以后的生活中继续学习。

　　附录

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