位竞赛抢答器课程设计

1. 原理分析（by 张潇）

1.1 设计任务

以单片机为核心，设计一个8位竞赛抢答器，同时供8 名选手或8 个代表队比赛。

设置一个系统清除和抢答控制开关S,开关由主持人控制。

抢答器具有锁存与显示功能。即选手按按钮，锁存相应的编号，并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间可由主持人设定。

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。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。

1.2 性能指标

电源电压：直流5V± 10%

选手组数：2-8 组

初始抢答倒计时：20s

初始回答倒计时：30s

倒计时范围：1-99s可设

倒计时提示时间：最后5s

1.3 工作原理

八路数字抢答器原理框图如图1 所示，其工作原理为：接通电源后，主持人未按下开始抢答，抢答器处于禁止状态，数码管显示“ -------------- ”；主持人宣布“开始”同时按下开始抢答

按键，抢答倒计时开始计时，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，回答倒计时开始计时、禁止二次抢答、数码管显示抢答选手编号以及回答剩余时间。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。

图 1 八路抢答器原理框图

2. 方案选择（by 张潇）

2.1 方案设定

方案一以AVR 单片机为主控制芯片，显示电路用LCD1602 实现，用机械开关按钮作为控制开关，实现抢答输入信号的触发。该电路的优点是中小规模集成电路应用技术成熟，性能可靠，能方便地完成选手抢答的基本功能。

方案二该系统采用51 系列单片机AT89C51 作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改。

2.2方案比较

方案一由于系统功能要求较高，所以电路连接集成电路相对较多，而且过于复杂，并且制作过程工序比较烦琐，使用不太方便，同时AVR的编程一般需要gcc或者icc，有特定的环境，与51相比，稍微复杂一点，资料也没有51多，而且对于初学者，51使用起来更得心应手一些。

方案二使用的51单片机可靠性好功能性强，比起方案一，系统更具有灵活的可编程性，

周围辅助电路也不多，简单可靠成本低，对于学生来说，不失为一个更优选。

2.3方案选择

综上所述，方案二比方案一更具有可行性，因此我们选择使用AT89C51单片机为主控制器，外加4位数码管显示电路和报警电路、按键电路的组合，来完成我们8路抢答器的设计。3.电路原理图绘制及

仿真（by王倩）

3.1所需元器件型号及数量

如图2所示，该抢答器由主控制器AT89C51控制，外围显示电路、脉冲产生电路和按键电路构成。电路通电后打开电源开关，支持人按下开始键即开始抢答倒计时，倒计

3.2电路原理图

图2 8路抢答器总体电路图

时时间和回答问题时间均可由主持人自由设定。倒计时最后5s时蜂鸣器会发出提示声

若有选手抢答成功，就开始回答倒计时，无人抢答则返回到最初状态

3.3电路仿真结果

见附录1。

4. Pcb图绘制（by朱文广）

4.1pcb绘制步骤

①建立元件库。将自己所需的所有元件放入自己设计的pcb库专用设计文件。

②规划电路板，主要是确定电路板的边框，包括电路板的尺寸大小等等。在需要放置固定孔的地方放上适

当大小的焊盘。

注意：在绘制电路板地边框前，一定要将当前层设置成Keep Out层，即禁止布线层。

③导入网络表文件和修改零件封装。

④设置布局。Protel99可以进行自动布局，也可以进行手动布局。如果是手动布局，用鼠标选中一个元件，

按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。

⑤根据情况再作适当调整然后将全部器件锁定。放好后用VIEW3D功能察看一下实际效果，存盘。

4.2pcb绘制原则

印制电路板（PCB是电子产品中电路元件和器件的支撑件•它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着

电于技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大•因此，在进行PCB设计时•必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局

及导线的布设是很重要的。为了设计质量好。造价低的PCB应遵循以下一般原则：

A. 布局。首先，要考虑PCB尺寸大校PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后•再确定特殊元件的位置。最后，根据电

路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

B. 尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元

器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

C. 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带

高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

D. 重量超过15g的元器件。应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重。发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。

E对于电位器。可调电感线圈。可变电容器。微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若

是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相

适应。

F. 应留岀印制板定位孔及固定支架所占用的位置。根据电路

的功能单元. 对电路的全部元器件进行布

局时，要符合以下原则：

a. 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的

方向。

b. 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀。整齐。紧凑地排列在PCB 上•尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。