基于集成芯片的三路抢答器设计

李 航 董晶晶

1.辽宁轨道交通职业学院 电气工程系 沈阳 110023 2.沈阳师范大学附属学校 沈阳 110034

1 设计背景

抢答器在各类知识竞赛、文艺娱乐活动和体育项目中有非常广泛的应用[1-3],不但可以快速、准确地判断出第一个抢答者,而且可以通过裁判按钮进行复位。笔者以CC4042和CC4023集成芯片为核心,以变压器、集成稳压器、电阻、电容、二极管、发光二极管、按钮、蜂鸣器等作为辅助,完成了三路抢答器的设计,具有抢答、锁存、复位、声报警、显示等功能,并通过手工焊接方式制作了三路抢答器电路板。这一三路抢答器电路简单,功能完善,价位低廉,完全满足市场和教学需求。

2 功能要求

以CC4042和CC4023集成芯片为核心,以其它电子元件为辅助,设计三路抢答器。功能要求如下:每组抢答者有一个抢答按钮和一个抢答显示灯;裁判有一个控制按钮,可以控制三路抢答器复位和开始工作;设有一个蜂鸣器,用于提醒裁判有抢答者抢答。在抢答过程中,一旦有抢答者按下抢答按钮,抢答者所对应的抢答显示灯点亮,蜂鸣器响,其他抢答者抢答均无效。

(1) 通电工作。在三路抢答器工作电源连接的情况下,三路抢答器可以正常可靠地通电工作。

(2) 抢答。当裁判发出抢答指令后,三位抢答者均可以按下抢答按钮进行抢答。

(3) 锁存。当第一位抢答者按下抢答按钮后,抢答器电路迅速产生相应的动作。如果再有其他抢答者按下抢答按钮,抢答器电路不做出反应。与此同时,封锁其他抢答者的抢答,保留第一位抢答者的信息。

(4) 显示。当第一位抢答者按下抢答按钮后,该抢答者对应的抢答显示灯点亮。如果再有其他抢答者按下抢答按钮,其他抢答者对应的抢答显示灯不会点亮。

(5) 声报警。当第一位抢答者按下抢答按钮后,设置的蜂鸣器进行报警提示,用来告知裁判有抢答者进行抢答。

(6) 复位。开始抢答前,裁判对三路抢答器进行复位,清除之前保存的所有信息,三路抢答器进入准备抢答阶段。当一轮抢答结束后,裁判按下复位按钮对抢答显示灯、蜂鸣器等进行复位,准备开始下一轮抢答。

3 总体设计

为了满足三路抢答器的通电工作、抢答、锁存、复位、声报警、显示等功能,对三路抢答器功能进行细化,分为电源电路、抢答者按钮电路、裁判按钮电路、抢答与锁存电路、显示电路、声报警电路。三路抢答器总体框图如图1所示。

图1 三路抢答器总体框图

4 电路设计

4.1 电源电路

为了保证三路抢答器安全可靠通电工作,主要考虑CC4042和CC4023两个集成芯片的工作电压,采用桥式整流稳压电源电路将交流220 V电压转换为直流15 V,实现输出[4-6]。三路抢答器电源电路如图2所示。

电源电路工作原理为:变压器T将交流220 V电压转换为交流17 V电压,通过由四个二极管构成的整流桥将交流电压转换为脉动直流15 V电压,通过电解电容C1和电容C2进行去旁路脉冲干扰和滤波,产生直流20 V电压,通过集成稳压器CW7815进行稳压,输出直流15 V电压。电解电容C3的主要作用是使输出电压具备更好的瞬态特性,二极管D9起保护作用,防止电解电容C3损坏。

图2 电源电路

4.2 抢答者按钮电路

抢答者按钮电路主要由按钮SB1、SB2、SB3构成,实现三位抢答者的抢答[7-8]。三个按钮的一端可以选择直流15 V电源输入或接地输入,另一端接至CC4042集成芯片。抢答者按钮电路如图3所示。

图3 抢答者按钮电路

4.3 裁判按钮电路

裁判按钮电路由按钮SB4构成,实现裁判对三路抢答器进行复位控制。按钮的一端可以选择直流15 V电源输入或接地输入,另一端接至CC4023集成芯片。裁判按钮电路如图4所示。

图4 裁判按钮电路

4.4 抢答与锁存电路

抢答与锁存电路由CC4042和CC4023两个集成芯片构成,完成三路抢答器的主要控制功能。

CC4023是具有三个三输入与非门的集成芯片,共有14个引脚。三路抢答器只用其中的两个三输入与非门,分别为G1、G2。G1的输出连接至G2的输入,裁判按钮也连接至G2的输入,此时G2还缺少一个输入,在不影响功能的前提下,可以再接一个裁判按钮连接至G2的输入。抢答与锁存电路如图5所示。

图5 抢答与锁存电路

4.5 显示电路

显示电路由三个发光二极管和三个限流电阻构成,用于显示抢答者[9-10]。显示电路中的一路如图6所示。

图6 显示电路

4.6 声报警电路

声报警电路由一个二极管和一个蜂鸣器构成,用于报警提示。声报警电路如图7所示。

图7 声报警电路

5 电路原理

通过六个电路的设计,完成三路抢答器的整体设计。

开始抢答之前,裁判按钮SB4接地,将逻辑信号0传输至与非门G2,G2输出逻辑信号1。时钟、极性端都为逻辑信号1,电平一致,CC4042处于传输状态。此时,可以接收抢答者的信号。

开始抢答时,裁判将按钮SB4接直流15 V电源,与非门G2等待抢答者按下按钮。假设第二位抢答者先抢答,即SB2按下,则第二位抢答者对应的发光二极管点亮,蜂鸣器响。与非门G1的输入分别是1、0、1,这三个信号经与非门之后,输出为1,与非门G2的输出为0。此时,时钟端为逻辑信号0,极性端为逻辑信号1,电平不一致,CC4042处于锁存状态,不再接收其他抢答者的信号,第二位抢答者抢答成功。

6 电路板制作

6.1 元件

根据三路抢答器的电路,准备实现三路抢答器所需要的元件,具体清单见表1。

表1 三路抢答器元件清单

6.2 元件布局

将所需要的元件引脚弯曲成形,按照从左到右、自上而下的顺序在电路板上进行合理布局,保证电路连接的正确性。

6.3 手工焊接

采用三步法进行手工焊接,完成三路抢答器电路板的制作。焊接时,要注意使焊点具备良好的导电性和机械强度,焊料适量,焊点光泽良好,没有虚焊和漏焊。三路抢答器电路板如图8所示,图中未包括电源电路。

图8 三路抢答器电路板

7 结束语

通过研究分析三路抢答器的功能要求,笔者以CC4042和CC4023集成芯片为核心,以其它电子元件为辅助,完成了三路抢答器的设计,并通过手工焊接的方式完成三路抢答器电路板的制作。所设计的三路抢答器具有电路简单、功能完善、价位低廉等优点,具有一定的实用价值。