基于集成芯片的三路搶答器設計

李 航 董晶晶

1.遼寧軌道交通職業(yè)學院 電氣工程系 沈陽 110023 2.沈陽師范大學附屬學校 沈陽 110034

1 設計背景

搶答器在各類知識競賽、文藝娛樂活動和體育項目中有非常廣泛的應用[1-3],不但可以快速、準確地判斷出第一個搶答者,而且可以通過裁判按鈕進行復位。筆者以CC4042和CC4023集成芯片為核心,以變壓器、集成穩(wěn)壓器、電阻、電容、二極管、發(fā)光二極管、按鈕、蜂鳴器等作為輔助,完成了三路搶答器的設計,具有搶答、鎖存、復位、聲報警、顯示等功能,并通過手工焊接方式制作了三路搶答器電路板。這一三路搶答器電路簡單,功能完善,價位低廉,完全滿足市場和教學需求。

2 功能要求

以CC4042和CC4023集成芯片為核心,以其它電子元件為輔助,設計三路搶答器。功能要求如下:每組搶答者有一個搶答按鈕和一個搶答顯示燈;裁判有一個控制按鈕,可以控制三路搶答器復位和開始工作;設有一個蜂鳴器,用于提醒裁判有搶答者搶答。在搶答過程中,一旦有搶答者按下?lián)尨鸢粹o,搶答者所對應的搶答顯示燈點亮,蜂鳴器響,其他搶答者搶答均無效。

(1) 通電工作。在三路搶答器工作電源連接的情況下,三路搶答器可以正常可靠地通電工作。

(2) 搶答。當裁判發(fā)出搶答指令后,三位搶答者均可以按下?lián)尨鸢粹o進行搶答。

(3) 鎖存。當第一位搶答者按下?lián)尨鸢粹o后,搶答器電路迅速產生相應的動作。如果再有其他搶答者按下?lián)尨鸢粹o,搶答器電路不做出反應。與此同時,封鎖其他搶答者的搶答,保留第一位搶答者的信息。

(4) 顯示。當第一位搶答者按下?lián)尨鸢粹o后,該搶答者對應的搶答顯示燈點亮。如果再有其他搶答者按下?lián)尨鸢粹o,其他搶答者對應的搶答顯示燈不會點亮。

(5) 聲報警。當第一位搶答者按下?lián)尨鸢粹o后,設置的蜂鳴器進行報警提示,用來告知裁判有搶答者進行搶答。

(6) 復位。開始搶答前,裁判對三路搶答器進行復位,清除之前保存的所有信息,三路搶答器進入準備搶答階段。當一輪搶答結束后,裁判按下復位按鈕對搶答顯示燈、蜂鳴器等進行復位,準備開始下一輪搶答。

3 總體設計

為了滿足三路搶答器的通電工作、搶答、鎖存、復位、聲報警、顯示等功能,對三路搶答器功能進行細化,分為電源電路、搶答者按鈕電路、裁判按鈕電路、搶答與鎖存電路、顯示電路、聲報警電路。三路搶答器總體框圖如圖1所示。

圖1 三路搶答器總體框圖

4 電路設計

4.1 電源電路

為了保證三路搶答器安全可靠通電工作,主要考慮CC4042和CC4023兩個集成芯片的工作電壓,采用橋式整流穩(wěn)壓電源電路將交流220 V電壓轉換為直流15 V,實現輸出[4-6]。三路搶答器電源電路如圖2所示。

電源電路工作原理為:變壓器T將交流220 V電壓轉換為交流17 V電壓,通過由四個二極管構成的整流橋將交流電壓轉換為脈動直流15 V電壓,通過電解電容C1和電容C2進行去旁路脈沖干擾和濾波,產生直流20 V電壓,通過集成穩(wěn)壓器CW7815進行穩(wěn)壓,輸出直流15 V電壓。電解電容C3的主要作用是使輸出電壓具備更好的瞬態(tài)特性,二極管D9起保護作用,防止電解電容C3損壞。

圖2 電源電路

4.2 搶答者按鈕電路

搶答者按鈕電路主要由按鈕SB1、SB2、SB3構成,實現三位搶答者的搶答[7-8]。三個按鈕的一端可以選擇直流15 V電源輸入或接地輸入,另一端接至CC4042集成芯片。搶答者按鈕電路如圖3所示。

圖3 搶答者按鈕電路

4.3 裁判按鈕電路

裁判按鈕電路由按鈕SB4構成,實現裁判對三路搶答器進行復位控制。按鈕的一端可以選擇直流15 V電源輸入或接地輸入,另一端接至CC4023集成芯片。裁判按鈕電路如圖4所示。

圖4 裁判按鈕電路

4.4 搶答與鎖存電路

搶答與鎖存電路由CC4042和CC4023兩個集成芯片構成,完成三路搶答器的主要控制功能。

CC4023是具有三個三輸入與非門的集成芯片,共有14個引腳。三路搶答器只用其中的兩個三輸入與非門,分別為G1、G2。G1的輸出連接至G2的輸入,裁判按鈕也連接至G2的輸入,此時G2還缺少一個輸入,在不影響功能的前提下,可以再接一個裁判按鈕連接至G2的輸入。搶答與鎖存電路如圖5所示。

圖5 搶答與鎖存電路

4.5 顯示電路

顯示電路由三個發(fā)光二極管和三個限流電阻構成,用于顯示搶答者[9-10]。顯示電路中的一路如圖6所示。

圖6 顯示電路

4.6 聲報警電路

聲報警電路由一個二極管和一個蜂鳴器構成,用于報警提示。聲報警電路如圖7所示。

圖7 聲報警電路

5 電路原理

通過六個電路的設計,完成三路搶答器的整體設計。

開始搶答之前,裁判按鈕SB4接地,將邏輯信號0傳輸至與非門G2,G2輸出邏輯信號1。時鐘、極性端都為邏輯信號1,電平一致,CC4042處于傳輸狀態(tài)。此時,可以接收搶答者的信號。

開始搶答時,裁判將按鈕SB4接直流15 V電源,與非門G2等待搶答者按下按鈕。假設第二位搶答者先搶答,即SB2按下,則第二位搶答者對應的發(fā)光二極管點亮,蜂鳴器響。與非門G1的輸入分別是1、0、1,這三個信號經與非門之后,輸出為1,與非門G2的輸出為0。此時,時鐘端為邏輯信號0,極性端為邏輯信號1,電平不一致,CC4042處于鎖存狀態(tài),不再接收其他搶答者的信號,第二位搶答者搶答成功。

6 電路板制作

6.1 元件

根據三路搶答器的電路,準備實現三路搶答器所需要的元件,具體清單見表1。

表1 三路搶答器元件清單

6.2 元件布局

將所需要的元件引腳彎曲成形,按照從左到右、自上而下的順序在電路板上進行合理布局,保證電路連接的正確性。

6.3 手工焊接

采用三步法進行手工焊接,完成三路搶答器電路板的制作。焊接時,要注意使焊點具備良好的導電性和機械強度,焊料適量,焊點光澤良好,沒有虛焊和漏焊。三路搶答器電路板如圖8所示,圖中未包括電源電路。

圖8 三路搶答器電路板

7 結束語

通過研究分析三路搶答器的功能要求,筆者以CC4042和CC4023集成芯片為核心,以其它電子元件為輔助,完成了三路搶答器的設計,并通過手工焊接的方式完成三路搶答器電路板的制作。所設計的三路搶答器具有電路簡單、功能完善、價位低廉等優(yōu)點,具有一定的實用價值。