摘要
本文介紹了壹種采用數字電路制作的多功能數顯搶答器，它主要采用了74系列的常用集成電路，它除了具有基本的搶答功能之外，還具有定時報警的功能，和數顯的功能，當搶答開始後，系統會自動倒計時，並且時間是可以預設的，期間有人搶答的話系統會停止計時，如果期間沒人搶答，系統會有短暫的報警，提示搶答結束。
關鍵字
單片機、PLC、搶答、報警、數顯
壹、 設計目的
在電視和學校中我們會經常看到壹些智力搶答的節目，如果要是讓搶答者用舉手等方法，主持人很容易誤判，會造成搶答的不公平，比賽中為了準確、公正、直觀地判斷出第壹搶答者，所設計的搶答器通常由數碼顯示、燈光、音響等多種手段指示出第壹搶答者。為了使這種不公平不發生，只有靠電子產品的高準確性來保障搶答的公平性。
二、 方案
制作搶答器可以用好多的方法，可以用單片機來完成，它的功能強大制作簡單，並且外圍的元件也很少；也可以用PLC來實現，他的制作也是比較簡單；還可以用我們學過的EDA技術來制作；最後也可以用數字電路來實現，它的原理比較簡單，集成塊的價格也比較便宜且很容易購買，與我們學完的〈〈數字電路〉〉聯系緊密，能將我們所學知識用於實際，對鞏固所學知識有重要意義，用了壹些成型電路，如NE555標準秒脈沖電路等，使總體方案易於實現。
方案壹〈采用數字電路〉
1、原理方框圖
定時搶答器的總體框圖如圖1所示，它由主體電路和擴展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答後，當選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成定時搶答的功能。
圖1
圖1所示的定時搶答器的工作過程是：接通電源時，節目主持人將開關置於“清除”位置，搶答器處於禁止工作狀態，編號顯示器滅燈，定時顯示器顯示設定的時間，當節目主持人宣布“搶答開始”，同時將控制開關撥到“開始”位置，揚聲器給出聲響提示，搶答器處於工作狀態，定時器倒計時。當定時時間到，卻沒有選手搶答時，系統報警，並封鎖輸入電路，禁止選手超時後搶答。當選手在定時時間內按動搶答鍵時，搶答器要完成以下四項工作：
①優先編碼電路立即分辨出搶答者的編號，並由鎖存器進行鎖存，然後由譯碼顯示電路顯示編號；
②揚聲器發出短暫聲響，提醒節目主持人註意；
③控制電路要對輸入編碼電路進行封鎖，避免其他選手再次進行搶答；
④控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余的搶答時間，並保持到主持人將系統清零為止。當選手將問題回答完畢，主持人操作控制開關，使系統回復到禁止工作狀態，以便進行下壹輪搶答。
方案二〈采用單片機〉
1、原理方框圖
此電路完成的功能如圖2所示，當主持人宣布搶答開始的時候，按下開始按鈕，此時電路進入搶答狀態，選手的輸入采用了掃描式的輸入，之後把相應的信息送往單片機，再由單片機輸出到顯示輸出電路中。此時有人第壹按下相應的搶答按鈕，經過單片機的控制選擇，在八段顯示器上顯示相應的號碼，並鎖存，同時禁止其他按鈕的輸入。
（圖2）
方案三〈采用PLC〉
1、原理方框圖
此電路的功能如圖3所示，當主持人打開啟動開關後，在設定時間TO 內，如果某組搶先按下搶答按鈕，則驅動音效電路①發出聲響，指示燈LI亮，並且在8段數碼管顯示器上顯示出搶答成功的組號，此時電路實現互鎖，其他組再按下搶答按鈕為無效;
如果在時間TO內，無人應答，則驅動音效電路②發出聲響，指示燈L2亮，表示搶答者均放棄該題;
在搶答成功後，主持人打開限時開關SW2，啟動計時器，在設定的時間TI 內回答有效，當到達設定時間TI時，驅動音效電路③，指示燈L3亮，表示答題時間到。
（圖3）
三、 方案選擇
方案比較
數字電路
單片機
PLC
制作難度
低
壹般
壹般
實現難度
壹般
低
低
價格
低
壹般
高
電路原理
簡單
壹般
壹般
設計難度
簡單
高
壹般
通過上面的方案比較，數字電路的制作方案比較容易實現，並且在原理方面也是比較簡單，所以我選擇采用第壹種方案來完成搶答器電路。
四、 設計系統功能
1.基本功能：
（1） 同時供8名選手比賽，分別用8個按鈕S0 ~ S7表示。
（2）設置壹個系統清除和搶答控制開關S，該開關由主持人控制。
（3）搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應的編號，揚聲器發出聲響提示，並在七段數碼管上顯示選手號碼。選手搶答實行優先鎖存，優先搶答選手的編號壹直保持到主持人將系統清除為止。
2.擴展功能：
（1）搶答器具有定時搶答功能，且壹次搶答的時間由主持人設定（如30秒）。當主持人啟動"開始"鍵後，定時器進行減計時。
（2）參賽選手在設定的時間內進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，並保持到主持人將系統清除為止。在這段（3）如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統報警並禁止搶答，定時顯示器上顯示00。
五、 各部分單元電路的設計
（1）搶答器的主體電路設計
搶答電路的功能有兩個：壹是能分辨出選手按鍵的先後，並鎖存優先搶答者的編號，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作無效。選用優先編碼器74148和DFF鎖存器可以完成上述功能，其電路組成如圖4所示。其工作原理是：當主持人控制開關處於“清除”位置時，RS觸發器的端為低電平，輸出端（4Q~1Q）全部為低電平。於是74LS48的 =0，顯示器滅燈；74148的選通輸入端 =0，74LS148處於工作狀態，此時鎖存電路不工作。當主持人開關撥到“開始”位置時，優先編碼電路和鎖存電路同時處於工作狀態，即搶答器處於等待工作狀態，等待輸入端 7... 0輸入信號，當有選手將鍵按下時(如按下S5)，74LSl48的輸出=010， =0，經RS鎖存器後，CTR=l， =1，74LS279處於工作狀態，4Q3Q2Q=101，經74LS48譯碼後，顯示器顯示出“5”。此外，CTR=1，使74l48的端為高電平，74LSl48處於禁止工作狀態，封鎖了其它按鍵的輸入。當按下的鍵松開後，74LSl48的為高電平，但由於CTR維持高電平不變，所以74LSl48仍處於禁止工作狀態，其它按鍵的輸入信號不會被接收。這就保證了搶答者的優先性以及搶答電路的準確性。當優先搶答者回答完問題後，由主持人操作控制開關S，使搶答電路復位，以便進行下壹輪搶答。
（圖4）
74LS148為8線－3線優先編碼器，表1為其功能表。
表1 74LS148的功能真值表
（2）定時電路設計
原理及設計：該部分主要由555定時器秒脈沖產生電路、十進制同步加減計數器74LS192減法計數電路、74LS48譯碼電路和2個7段數碼管即相關電路組成。具體電路如圖5所示。兩塊74LS192實現減法計數，通過譯碼電路74LS48顯示到數碼管上，其時鐘信號由時鐘產生電路提供。74192的預置數控制端實現預置數，由節目主持人根據搶答題的難易程度，設定壹次搶答的時間，通過預置時間電路對計數器進行預置，如果要設置為30S，就可以在計數器的預置數控制端輸入00110000。時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起後，計數器開始減法計數工作，並將時間顯示在***陰極七段數碼顯示管上，當有人搶答時，停止計數並顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，且倒計時時間到時，輸出低電平到時序控制電路，控制報警電路報警，同時以後選手搶答無效。具體電路如圖5所示。
（圖5）
秒脈沖產生電路：秒脈沖由NE555提供，它的的3端輸出的脈沖的頻率為
，結合我們的實際經驗及考慮到元器件的成本，我們選擇的電阻值為R1=15K，R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得，即秒脈沖。
（3）報警電路的設計
采用555定時器和三極管構成的報警電路如圖6所示。其中555構成多諧振蕩器，振蕩頻率
其輸出信號經三極管推動揚聲器。PR為控制信號，當PR為高電平時，多諧振蕩器工作，當PR為低電平的時候，電路停振。
（圖6）
（4）時序控制電路設計
與門G1 的作用是控制時鐘信號CP的放行與禁止，門G2的作用是控制74LS148的輸入使能端（即圖二中的5端）。圖7的工作原理是：主持人控制開關從"清除"位置撥到"開始"位置時，來自於圖2中的74LS279的輸出 1Q,即CTR=0，經G3反相，輸出為1，則NE555產生的時鐘信號CP能夠加到74LS192的CPD時鐘輸入端，定時電路進行遞減計時。同時，在定時時間未到時，則"定時到信號"為 1，門G2的輸出 =0，使 74LS148處於正常工作狀態。當選手在定時時間內按動搶答按鍵時，CTR＝1，經G3反相，輸出為0，封鎖 CP信號，定時器處於保持工作狀態；同時，門G2的輸出 =1，74LS148處於禁止工作狀態。當定時時間到時，則"定時到信號"為0，/ST=1，74LS148處於禁止工作狀態，禁止選手進行搶答。同時，門G1處於關門狀態，封鎖時鐘CP信號，使定時電路保持00狀態不變，此次搶答結束。
（圖7）
集成單穩態觸發器74LS121用於控制報警電路及發聲的時間（其功能表見表2）,具體原理如下：主要由555時鐘電路（用於控制報警聲音頻率）、蜂鳴器即相關的延時電路和控制電路組成。單穩態觸發器74121通過信號/Ys、BO2、S控制報警與否和報警時間，555時鐘電路產生脈沖時鐘。在規定的時間有人搶答時，/Ys由1跳變到0，74121有狀態2，即Q輸出暫態高電平，蜂鳴器連續發聲報警，持續時間為 =2.15秒；如果在規定時間內無人搶答，BO2由1跳變到0，74121有狀態1，Q輸出暫態高電平，蜂鳴器連續發聲報警持續時間為
結合圖6所示報警電路，分析 計算如下： 。取C＝100uF, R=25K,。有＝2.15秒。（原理圖見圖8）
（圖8）
表2 74121功能表
(6) 電源電路
電源電路采用三端集成線性穩壓集成塊，L7805CV，因為它的外圍電路比較簡單，並且工作比較穩定，很適合74系列的集成塊。它的穩壓精度為2%，工作電流1.5A，封裝為TO-220(A)，工作溫度也很不錯，並且具有過溫保護和短路保護，最大輸入電壓為35V，能對電路的長時間工作有很大的保障。（具體電路見圖9）
（圖9）
六、 總結
畢業設計不僅是對前面所學知識的壹種檢驗，而且也是對自己能力的壹種提高。下面我對整個畢業設計的過程做壹下簡單的總結。
第壹，接到任務以後進行選題。選題是畢業設計的開端，選擇恰當的、感興趣的題目，這對於整個畢業設計是否能夠順利進行關系極大。好比走路，這開始的第壹步是具有決定意義的，第壹步邁向何方，需要慎重考慮。否則，就可能走許多彎路、費許多周折，甚至南轅北轍，難以到達目的地。因此，選；題時壹定要考慮好了。
第二，題目確定後就是找資料了。查資料是做畢業設計的前期準備工作，好的開端就相當於成功了壹半，到圖書館、書店、資料室去雖說是比較原始的方式，但也有可取之處的。總之，不管通過哪種方式查的資料都是有利用價值的，要壹壹記錄下來以備後用。
第三，通過上面的過程，已經積累了不少資料，對所選的題目也大概有了壹些了解，這壹步就是在這樣壹個基礎上，綜合已有的資料來更透徹的分析題目。
第四，有了研究方向，就應該動手實現了。其實以前的三步都是為這壹步作的鋪墊。
通過這次設計，我對數字電路設計中的邏輯關系等有了壹定的認識，對以前學的數字電路又有了壹定的新認識，溫習了以前學的知識，就像人們常說的溫故而知新嘛，但在設計的過程中，遇到了很多的問題，有壹些知識都已經不太清楚了，但是通過壹些資料又重新的溫習了壹下數字電路部分的內容。在這次畢業設計中也使我們的同學關系更進壹步了，同學之間互相幫助，有什麽不懂的大家在壹起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這裏非常感謝幫助我的同學。
在此要感謝我的指導老師，感謝老師給我這樣的機會鍛煉。在整個畢業設計過程中我懂得了許多東西，也培養了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今後的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創造過程中的探索的艱難和成功的喜悅。雖然這個項目還不是很完善，但是在設計過程中所學到的東西是這次畢業設計的最大收獲和財富，使我終身受益。