中北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院 李文娟 姚竹亭

1.引言

搶答器又稱第一信號鑒別器，廣泛地應(yīng)用于知識競賽和文娛活動等場合[1]，選手在競賽中使用搶答器搶到題目優(yōu)先作答。目前使用的搶答器存在分立元件較多，造成每路的成本較高，而現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展要求電子電路朝數(shù)字化、集成化方向發(fā)展，因此設(shè)計出數(shù)子集成化全集成電路的多路搶答器是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的要求[2]。本文設(shè)計是基于74LS148設(shè)計的搶答器，其優(yōu)點：具有清零開始搶答、限時搶答、數(shù)碼管顯示選手號碼同時蜂鳴器提示、超時報警等優(yōu)點。

2.實現(xiàn)的功能與總體設(shè)計

2.1 實現(xiàn)功能

設(shè)一個支持人按鍵，供主持人宣布搶答開始。搶答開始后，八個搶答按鍵才有效，同時啟動限時定時器。搶答器具有鎖存和顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，并在LED數(shù)碼管上顯示，同時蜂鳴器發(fā)出警報聲響提示。選手搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。安排倒計數(shù)定時器，選手在設(shè)定的時間30S內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，顯示器上顯示選手的編號和搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。倒數(shù)計時開始后，若預(yù)定時間30S內(nèi)無人搶答，系統(tǒng)報警禁止搶答。倒計數(shù)的計數(shù)脈沖要準(zhǔn)確，要求單電源5V供電。

2.2 總體設(shè)計

接通電源時，節(jié)目主持人將開關(guān)按下時，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時顯示器顯示設(shè)定時間。當(dāng)節(jié)目主持人宣布搶答題目后，說一聲“搶答開始”同時將控制開關(guān)撥到“開始”位置，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器到計時。當(dāng)定時時間30S到，卻沒有選手搶答時，系統(tǒng)報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時搶答。當(dāng)選手在計時時間30S內(nèi)按動搶答器時，搶答器要完成以下4項工作：

（1）優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進(jìn)行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號；

（2）蜂鳴器發(fā)出聲響，提醒節(jié)目主持人注意；

（3）控制電路要對輸入編碼電路進(jìn)行封鎖，避免其他選手再次搶答；

（4）控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余搶答時間，并保持主持人將系統(tǒng)清零為止。當(dāng)選手將問題回答完畢后，主持人操作控制開關(guān)，使系統(tǒng)回復(fù)到禁止工作狀態(tài)，以便進(jìn)行下一輪搶答。

3.各環(huán)節(jié)電路功能與原理分析

3.1 搶答電路

搶答電路的功能有兩個；

一是能分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，送給譯碼顯示電路：

二是要使其他選手隨后的按鍵操作無效。選用優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279可以完成上述功能，其電路組成如圖1所示。

搶答電路的工作原理：當(dāng)主持人按下開關(guān)S8時，RS觸發(fā)器的R端為低電平，輸出端（4Q-1Q）全部為低電平。于是CD4511的BL=0，顯示器滅燈。當(dāng)主持人將開關(guān)S8松開時，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態(tài)，即搶答器處于等待工作狀態(tài)，等待輸出命令端I7…I0輸入信號。當(dāng)有選手將鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出A2A1A0=010，GS=0，經(jīng)CD4511譯碼后，顯示器顯示“5”。此外，CTR=1，經(jīng)兩個與非門使74LS148的EI端為高電平，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，封鎖了其他按鍵的輸入。當(dāng)按下的鍵松開后，74LS148的GS（優(yōu)先編碼輸出端）為高電平，但由于CTR維持高電平不變，所以74LS148仍處于禁止工作狀態(tài)，其他按鍵的輸入信號不會被接收。這就保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)優(yōu)先搶答者回答完問題后，由主持人操作控制開關(guān)S8使搶答電路復(fù)位，以便進(jìn)行下一輪搶答。

3.2 定時電路

圖1 搶答電路

圖2 定時電路

定時電路的功能是主持人控制開關(guān)可以使定時器開始工作，從30s開始倒數(shù)記時。當(dāng)定時時間30s到，卻沒有選手搶答時，封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答。當(dāng)有選手在定時時間30s內(nèi)按動搶答鍵時，使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余搶答時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。選用555定時器和兩片74LS192可以完成上述功能，其電路組成如圖2所示。

圖3 報警電路

圖4 整體原理圖

圖5 PCB圖

定時電路的工作原理：當(dāng)主持人按下按鍵S8時分別使兩片74LS192的置數(shù)端PL=0，即給74LS192預(yù)置數(shù)，經(jīng)CD4511譯碼后，顯示器分別顯示“3”和“0”。當(dāng)松開按鍵S8時使555定時器工作，發(fā)出秒脈沖，接到74LS192的脈沖輸入端CPD，使74LS192工作，進(jìn)行減計數(shù)。當(dāng)定時時間30s到，卻沒有選手搶答時，74LS192的借位輸出端BO2=0，將BO2與555定時器發(fā)出的脈沖信號接到與非門輸入端，則與非門輸出為1，則74LS192的脈沖輸入端CPD將不再有脈沖輸入，則74LS192停止工作。同時BO2=0經(jīng)與非門，使74LS148使能輸入端EI=1，74LS148停止工作，封鎖輸入電路禁止選手超時后搶答。另一方面，若定時時間30s內(nèi)有選手按下?lián)尨疰I時，優(yōu)先編碼器74LS148輸出端GS=0，經(jīng)RS鎖存器74LS279，使CTR=1，則JIAN=0，經(jīng)與非門使74LS192的脈沖輸入端CPD沒有脈沖輸入，則74LS192停止工作，時間顯示器上顯示剩余搶答時間，不再變化。

3.3 報警電路

報警電路的功能：當(dāng)定時時間30s到，卻沒有選手搶答時，系統(tǒng)報警。當(dāng)定時時間30s內(nèi)有選手按下?lián)尨疰I時，蜂鳴器發(fā)出聲響。電路組成如圖3所示。

報警電路的工作原理：當(dāng)定時時間30s到，卻沒有選手搶答時，74LS192借位輸出端BO2=0，經(jīng)與非門輸出alarm=1，則蜂鳴器發(fā)出聲響。當(dāng)定時時間30s內(nèi)有選手按下?lián)尨疰I時，74LS148輸出端GS=0，即beep=0，經(jīng)與非門，輸出alarm=1，則蜂鳴器發(fā)出聲響。

4.整體原理圖和PCB圖

4.1 整體原理圖

基于74LS148的八路搶答器的整體原理圖如圖4所示。

4.2 PCB圖

基于74LS148的八路搶答器的PCB圖如圖5所示。

5.結(jié)論

本文給出的八路搶答器的設(shè)計，經(jīng)過調(diào)試和實際測試可以證明其合理及可行性。該設(shè)計出來的電路板可以穩(wěn)定的工作，并且能夠顯示和保存參加選手的搶答信息，同時屏蔽其他選手的搶答操作。本搶答器具有可靠性強(qiáng)、價格較低、操作簡單等特點，具有很高的應(yīng)用價值。

[1]龔昌來.單片機(jī)控制的智能型搶答器設(shè)計[J].廣東自動化與信息工程,2003,3(3):28-30.

[2]王青萍.八路智力搶答器的設(shè)計[J].湖北教育學(xué)院學(xué)報,2007,24(8):65-67.