(寶雞文理學(xué)院 物理與光電技術(shù)學(xué)院,陜西 寶雞 721016)

0 引言

搶答器在各種智力知識競賽和文化娛樂場合變成為一種必不可少的最公正的用具。在許多知識競賽和文化娛樂活動中都會有搶答環(huán)節(jié)，主持人會通過讓選手舉答題板的方法或者舉手的方法給予選手答題權(quán)，這種方法會因?yàn)橹鞒秩说恼`判，使比賽失去了公平性，隨著搶答器的出現(xiàn)，這樣的問題就能避免。早期的搶答器僅具有搶答鎖定功能，隨著科技的飛速發(fā)展，本設(shè)計(jì)在原有的基礎(chǔ)上增加了定時(shí)功能、報(bào)警功能、數(shù)字顯示和燈光等功能。該電路利用數(shù)字集成芯片完成設(shè)計(jì)了一套電路簡單、功能齊全、易于操作、響應(yīng)時(shí)間短、計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的智力競賽搶答器[1]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

搶答器能實(shí)現(xiàn)的功能為：1)該搶答器設(shè)置了8個(gè)按鍵，編號分別是0～7，編號與選手或代表隊(duì)的編號相對應(yīng),表示允許8個(gè)選手或代表隊(duì)同時(shí)參與搶答;2)設(shè)置了一個(gè)控制開關(guān)，節(jié)目主持人打開控制開關(guān)，表示搶答的開始，閉合控制開關(guān)用來清除上一輪的搶答結(jié)果;3)搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示功能[2]。搶答開始，最先按下?lián)尨鸢粹o的選手編號立即被鎖存，對應(yīng)的編號在顯示器上顯示，揚(yáng)聲器發(fā)出音響提示。其他選手再進(jìn)行搶答時(shí)，系統(tǒng)不工作。主持人閉合控制開關(guān)將系統(tǒng)清零，重新打開搶答控制按鈕才可以繼續(xù)下一輪搶答;4)設(shè)有時(shí)間設(shè)定按鈕來完成定時(shí)搶答的功能，每次主持人可以根據(jù)題目的難易程度來設(shè)定搶答的時(shí)間，時(shí)間設(shè)定好當(dāng)主持人打開“開始”按鈕后，顯示器上顯示剩余時(shí)間，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出提示音[3];5)選手如果在主持人規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按下?lián)尨鸢粹o進(jìn)行搶答，此次搶答有效，顯示電路顯示出搶答選手的編號，同時(shí)定時(shí)器停止工作，顯示剩余時(shí)間，揚(yáng)聲器發(fā)出提示音，直到下一輪搶答開始;6)如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有選手按下?lián)尨鸢粹o進(jìn)行搶答，搶答電路停止工作，選手再進(jìn)行搶答是無效的，直到主持人按下“開始”按鈕后才可進(jìn)行下一輪搶答。

圖1 多功能智力競賽搶答器設(shè)計(jì)框圖

多功能智力競賽搶答器設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成。主體電路包括主持人控制電路、搶答電路、優(yōu)先編碼電路、鎖存電路、譯碼電路、編號顯示電路和報(bào)警電路。擴(kuò)展電路包括由555定時(shí)器構(gòu)成的秒脈沖產(chǎn)生電路、定時(shí)電路、譯碼電路和時(shí)間顯示電路。

2 件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬搶答電路

搶答電路如圖2所示，由8 線-3 線優(yōu)先編碼器74LS148、4R-S觸發(fā)器74LS279和數(shù)碼管組成[4]。開關(guān)A閉合時(shí)，觸發(fā)器的R端為低電平，74LS148輸入端沒有按鍵按下時(shí)，A0A1A2=111， GS為高電平，4個(gè)RS觸發(fā)器的輸出端都為0，實(shí)現(xiàn)清零功能。開關(guān)A打開時(shí)，開始搶答，8個(gè)按鍵有任意一個(gè)按下，74LS148實(shí)現(xiàn)編碼，例如S8按下，74LS148的D7=0，輸出 A0A1A2=000，GS=0。觸發(fā)器的R=1，4個(gè)RS觸發(fā)器的輸出端都為1，數(shù)碼管顯示7，74LS148的EI=1，74LS148不工作。4R-S觸發(fā)器74LS279實(shí)現(xiàn)鎖存功能，其他選手搶答不起作用。支持人實(shí)現(xiàn)清零后，開始下一輪搶答。

圖2 搶答電路

2.2 定時(shí)電路

74LS90是一種中規(guī)模二-五-十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器，通過兩片74LS90級連組成一個(gè)一百進(jìn)制的計(jì)數(shù)器[5]。74LS192是由兩個(gè)時(shí)鐘方式構(gòu)成的的十進(jìn)制加法/減法計(jì)數(shù)器，74LS90設(shè)置計(jì)數(shù)時(shí)間，74LS192完成到計(jì)時(shí)。如圖3所示，S1閉合時(shí)，74LS192預(yù)置輸入控制端LOAD=0，設(shè)置倒計(jì)時(shí)時(shí)間。開關(guān)S11按下一次倒計(jì)時(shí)時(shí)間加1秒，S1打開時(shí)，開始搶答，74LS192實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，當(dāng)有選手搶答時(shí)，倒計(jì)時(shí)停止。

2.3 時(shí)序控制電路

由555定時(shí)器接成多諧振蕩器，如圖4所示，多諧振蕩器輸出脈沖頻率計(jì)算方法為：

T=0.7(R1+2R2)C3

(1)

(2)

圖4電路中，R1=10 kΩ,R2=68 kΩ,C3=10 μf,將R1、R2、C3代入周期計(jì)算公式(1)得：

T=0.7(10×103+2×68×103)×10×10-6≈1 s

輸出周期為1 s的方波[6-7]。如圖4所示，通過3片74LS00送入74LS192減時(shí)鐘輸入端DOWN。分為3種情況：1)主持人開關(guān)閉合時(shí),異步置數(shù)，設(shè)置倒計(jì)時(shí)時(shí)間;2)主持人開關(guān)打開，開始搶答。DOWN輸出周期為1 s的方波，顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間。時(shí)間到0時(shí)，未有選手搶答，DOWN輸出周期為高電平，倒計(jì)時(shí)時(shí)間顯示為0;3)主持人開關(guān)打開，開始搶答。當(dāng)有選手搶答時(shí)，DOWN輸出周期為高電平，倒計(jì)時(shí)時(shí)間停止。

圖3 定時(shí)電路

圖4 時(shí)序控制電路

2.4 聲響電路

聲響電路如圖5所示，主要由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器SN74121和蜂鳴器組成。其輸出信號經(jīng)三極管推動揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警[8]。揚(yáng)聲器需要音頻振蕩電路才可以發(fā)聲，而蜂鳴器只需要接上電源就能發(fā)出聲音，電路比揚(yáng)聲器電路更加簡單可靠。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)后的暫態(tài)持續(xù)時(shí)間可以通過R7=100 K、C3=10 μF計(jì)算得出大約是0.5 s，進(jìn)而蜂鳴器發(fā)出提示音的時(shí)間大約是0.5 s[9-10]。SN74121的引腳B接主持人開關(guān)S1的一端, SN74121引腳A2接秒十位的74LS192的輸出引腳BO, SN74121的A1接74LS08輸出端，74LS08輸入端接 74LS148的輸出端引腳GS。主持人開關(guān) S1打開，開始搶答，引腳B由低電平變高電平，出現(xiàn)上升沿，觸發(fā)器開始工作，蜂鳴器發(fā)出提示音；主持人開關(guān) S1打開，搶答開始引腳B為高電平，當(dāng)有選手進(jìn)行搶答后，74LS148的引腳GS由高電平變?yōu)榈碗娖剑敵鲆粋€(gè)負(fù)脈沖，觸發(fā)器輸出高電平驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出提示音。為了保證電路的時(shí)序的正確性和電路能正常工作，使用了與門74LS08起到時(shí)延的作用；主持人打開開始開關(guān),在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有選手搶答時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器SN74121的引腳B=1，引腳A1=1， 74LS192的借位輸出端BO由高電平變?yōu)榈碗娖?，送入SN74121的引腳A2，觸發(fā)器工作，蜂鳴器發(fā)出提示音。通過電路圖中的DCD_BARGRAPH能看到在仿真過程中蜂鳴器兩端電壓的高低，通過電壓的高低檢驗(yàn)蜂鳴器能不能發(fā)出聲音[11-12]。

圖5 聲響電路

3 電路仿真及其工作過程

3.1 搶答仿真

主持人將開關(guān)S1閉合置于停止位時(shí)，8個(gè)選手中任何一個(gè)按下?lián)尨鸢粹o，數(shù)碼管都不顯示，表示封鎖輸入，搶答電路不工作；主持人將開關(guān)S1打開置于開始位時(shí)，通過定時(shí)器設(shè)置了搶答時(shí)間，在該時(shí)間內(nèi)選手2按下?lián)尨鸢粹o，數(shù)碼管顯示搶答選手對應(yīng)的編號2，如果超出定時(shí)器設(shè)置的搶答時(shí)間，選手2按下?lián)尨鸢粹o，搶答電路不工作。

3.2 鎖存仿真

主持人將開關(guān)S1打開置于開始位時(shí)，先后有5和2兩名選手按下?lián)尨鸢粹o，選手編號顯示數(shù)碼管只顯示了最早按下?lián)尨鸢粹o的選手對應(yīng)的編號“5”，不會再顯示“2”。表示電路具有編碼和鎖存的能力；主持人將開關(guān)S1打開置于開始位時(shí)，先后有5和7兩名選手按下?lián)尨鸢粹o，選手編號顯示數(shù)碼管只顯示了最早按下?lián)尨鸢粹o的選手對應(yīng)的編號“5”，沒有顯示“7”。表示電路屏蔽了8 線-3 線優(yōu)先編碼器74LS148按照優(yōu)先級編碼的特性，按照搶答的先后順序只對最先按下?lián)尨鸢粹o的選手對應(yīng)的編號進(jìn)行編碼和鎖存，雖然之后按下?lián)尨鸢粹o的選手輸入端優(yōu)先級比最先按下?lián)尨鸢粹o的選手輸入端優(yōu)先級高。

3.3 定時(shí)功能仿真

主持人將開關(guān)S1閉合置于停止位時(shí)，可以設(shè)置定時(shí)時(shí)間的長短，每按下一次，時(shí)間加1 s，按下10次表示設(shè)置的倒計(jì)時(shí)時(shí)間為10 s，時(shí)間顯示數(shù)碼管上顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間“10”,倒計(jì)時(shí)時(shí)間最大可以設(shè)置為99 s，主持人將開關(guān)S1打開置于開始位時(shí)，定時(shí)器開始倒計(jì)時(shí)，在定時(shí)時(shí)間內(nèi)選手5按下?lián)尨鸢粹o，倒計(jì)時(shí)時(shí)間停止，選手編號顯示數(shù)碼管上顯示“5”，時(shí)間顯示數(shù)碼管上顯示剩余時(shí)間“04”；如果定時(shí)器設(shè)置的搶答時(shí)間已到后，在定時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有選手按下?lián)尨鸢粹o，時(shí)間顯示數(shù)碼管停止在“00”不動，有選手超時(shí)搶答后，選手編號顯示數(shù)碼管不顯示，封存了輸入電路，表示禁止選手超時(shí)后搶答；主持人將開關(guān)S1打開置于開始位時(shí)，開始下一輪的搶答，倒計(jì)時(shí)時(shí)間為上一輪定時(shí)器設(shè)置的搶答時(shí)間，主持人將開關(guān)S1閉合置于停止位時(shí)，按下開關(guān)S10，通過開關(guān)S11可以重新設(shè)置定時(shí)時(shí)間。從仿真效果可以看出定時(shí)電路可設(shè)定定時(shí)時(shí)間長短，一次設(shè)定可以長久有效，也可以隨時(shí)設(shè)定。從仿真效果還可以看出定時(shí)電路具有倒計(jì)時(shí)的功能。

3.4 報(bào)警功能仿真

主持人將開關(guān)S1打開置于停止位，通過定時(shí)電路設(shè)置好定時(shí)時(shí)間，將開關(guān)S1打開置于開始位，蜂鳴器發(fā)出提示音，時(shí)間大約是0.5 s。DCD_BARGRAPH亮，說明開始搶答有聲響提示；主持人將開關(guān)S1打開置于停止位，通過定時(shí)電路設(shè)置好定時(shí)時(shí)間，將開關(guān)S1打開置于開始位，當(dāng)有選手3在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按下?lián)尨鸢粹o時(shí)，蜂鳴器發(fā)出提示音，時(shí)間大約是0.5 s，DCD_BARGRAPH亮，說明搶答成功有聲響提示；主持人將開關(guān)S1打開置于停止位，通過定時(shí)電路設(shè)置好定時(shí)時(shí)間，將開關(guān)S1打開置于開始位，如果定時(shí)搶答時(shí)間已到，沒有選手搶答而按下其中任一個(gè)搶答按鈕，蜂鳴器發(fā)出提示音，時(shí)間大約是0.5 s，DCD_BARGRAPH亮，說明開始定時(shí)時(shí)間已到有聲響提示。

3.5 整體電路仿真

如圖3所示，主持人將開關(guān)S1打開置于停止位，通過按鍵J11來設(shè)置定時(shí)時(shí)間的數(shù)值，每按下一次時(shí)間加1 s，例如當(dāng)按下J11八次后，設(shè)定定時(shí)時(shí)間為8 s，時(shí)間顯示數(shù)碼管上顯示“08”。主持人將開關(guān)S1打開置于開始位時(shí)，表示開始強(qiáng)答，蜂鳴器電路發(fā)出提示音，時(shí)間顯示數(shù)碼管上顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，按下其中一個(gè)搶答按鈕S2時(shí)，選手編號顯示數(shù)碼管顯示“1”，倒計(jì)時(shí)時(shí)間停止，時(shí)間顯示數(shù)碼管上顯示剩余時(shí)間。其他選手再進(jìn)行搶答，數(shù)碼管仍然顯示“1”。搶答成功后聲響提示時(shí)間大約為0.5S，同時(shí)DCD_BARGRAPH亮[13]。如果主持人宣布開始搶答，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有選手按下?lián)尨疰I，時(shí)間計(jì)時(shí)到零為止，聲響電路發(fā)出提示音，同時(shí)DCD_BARGRAPH亮，不顯示選手編號。如果定時(shí)搶答時(shí)間已經(jīng)顯示為“00”，再按下其中任一個(gè)搶答按鈕，搶答都是無效狀態(tài)，數(shù)碼管不顯示任何值，說明該電路具有禁止選手超時(shí)后搶答的功能[14-15]。S10按下可以利用S11重新設(shè)定定時(shí)時(shí)間。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的搶答器以集成芯片為核心，采用組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，完成數(shù)字搶答器的設(shè)計(jì)，并利用Multisim12軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。該設(shè)計(jì)除了具有普通搶答的功能外，同時(shí)還增加了設(shè)置定時(shí)時(shí)間電路、聲響電路、數(shù)碼管顯示電路，該搶答器具有成本低、體積小、適用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。它在日常各種智力競賽中被廣泛應(yīng)用。為豐富人們?nèi)粘Ｉ畹母鞣N智力競賽提供方便，具有良好的應(yīng)用前景。

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