抢答器课程设计20145826龚利明天津理工大学

1、电子技术课程设计与实践题目：三路抢答器逻辑设计 基于与非门电路的设计 学 院： 计算机与通信工程 专 业： 通信工程 姓 名： 龚利明 学 号： 20145826 指导老师： 宫铭举 童峥嵘 2016年11月摘 要 当代社会，有各式各样的知识竞赛，抢答器也成为了一种很常见的装置。在知识比赛中，特别是做抢答题目的时候，在抢答过程中，为了知道哪一组或哪一位选手先答题，必须要设计一个系统来完成这个任务。因为在抢答过程中，靠视觉是很难判断出哪组先答题。对设计要求认真分析后，又考虑到自己动手焊板子的能力不是很强，就选择了三人智能抢答器的精简装置来进行设计，即仅通过LED显示灯来判别是哪一个参赛者抢答成功

2、。抢答显示电路由三个发光二级管组成。该设计仅用四块数字芯片便实现了数显抢答的功能，与其他抢答器电路相比，有结构简单、成本低、制作方便、实用可靠、成本极低的优点。本文详细介绍了抢答器的设计方案和功能，并对电路原理进行了一定的分析。另外通过仿真和调试过程，让自己对所学知识得到进一步的理解，同时阐释了该设计存在的一些不足之处。关键词：抢答器，数字电路，与非门，74LS20 目 录第一章 绪论11.1抢答器的意义与发展11.2抢答器的主要内容11.3抢答器的结构特点2第二章 抢答器的结构与设计32.1抢答器的原理解析3 2.1.1抢答器的工作状态3 2.1.2抢答器的设计原理32.2抢答器的逻辑设计4

3、2.2.1 74LS20的相关介绍42.2.2抢答器的真值表6第三章 抢答器系统调试83.1硬件调试83.2软件调试8第四章 总结与展望124.1总结问题124.2展望未来12参考文献14附 录15附录1 实物图15附录2 元件清单16致 谢17天津理工大学2014级电子技术课程设计与实践第1章 绪论1.1抢答器的意义与发展 在竞赛、文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确、公正、直观地判断出抢答者的机器。通过抢答者的指示灯显示、数码显示和警示显示等手段指示出第一抢答者。根据自身情况选择适合的抢答器。市场上抢答器种类繁多，功能各异，价格差异也很大。不过越想要越好的，必须需要越多的钱。但是抢答器在今后

4、的比赛当中永远是不可或缺的，在今后的发展中必定呈现上升的趋势，对于抢答器功能的要求也是逐渐的增多。所以说要说可以做好一个完美的抢答器基本上是不可能的抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答场合中，它能迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机(如MCS-51型)和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、抢按前或抢按后的计时、选手得分显示等功能。智力竞赛是一种能锻炼人的头脑开发人的IQ的一种大众化游戏，也起到娱乐的作用。现在智力竞赛越来越被多数人喜爱和娱乐，像中央卫视的

5、三星智力快车、金苹果、幸运50等等多档智力竞赛节目都拥有大批的忠实观众。而且国内外各地电视台、工厂、学校等单位也会常常举办类似的智力竞赛活动，然而智力竞赛抢答器是必要设备。在有些地方举行的各种智力竞赛游戏中我们经常看到有抢答的环节，举办方大多数采用让选手通过举答题板的方法或者是举手的方式判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。所以，我们就需要一种具备自动锁存，置位，清零等功能智能抢答器来解决这些问。信息时代的21世纪人类社会的进步和科学技术的发展非常迅猛，人类开始迈入了数字化和科技化的智能世界。抢答器的发展就是人类社会进步和科学发展的标志之一。抢答器是一种应用

6、非常广泛的电子电气设备，在各种抢答场合、竞赛中，它能迅速客观地分辨出最先获得发言权的选手以及实现设定发言时间、记录分数等功能。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辨认出选手号码。现在大多数抢答器均使用单片机和数字集成电路，并增加了许多新功能，如选手号码显示、前或抢答后的计时、选手得分显示等功能。1.2抢答器的主要内容 当前电子技术的应用范围非常广，随着社会的发展它已经渗透到人类生活的方方面面。课程设计是在校大学生将理论与实际联系的一个桥梁。这次的课程设计是针对某一理论课程的要求，这次的三路竞赛抢答器对我们进行综合性实践训练的实践学习环节，它可以培养我们将课程中所

7、学的理论知识与实践紧密结合，独立地解决实际问题的能力。本课程设计题目是基于Protel 的仿真设计，设计原理基于数字电子技术的基本理论，主要介绍了设计的工作过程和原理，特点是成本较低，电路易于实现。如今社会发挥发展十分迅速，很多电子产品已经渐渐的融入了我们的生活，电子抢答器可以让我们的竞赛非常公平，因为是在生活中用肉眼分辨选手的抢答速度会有误差，也容易造成某些选手或节目中的观众的不满所以抢答器很好的拟补了这部分的不足，让竞赛项目更加完美。抢答器有数字电路组成数字电子电路中的后起之秀是数字逻辑电路。把它叫做数字电路是因为电路中传递的虽然也是脉冲，但这些脉冲是用来表示二进制数码的，例如用高电平表示

8、“ 1 ”，低电平表示“ 0 ”。声音图像文字等信息经过数字化处理后变成了一串串电脉冲，它们被称为数字信号。能处理数字信号的电路就称为数字电路。分迅速，很多电子产品已经渐渐的融入了我们的生活，电子抢答器可以让我们的竞赛非常公平，因为是在生活中用肉眼分辨选手的抢答速度会有误差，也容易造成某些 n 1.3抢答器的结构特点 电路的组成：该电路主要由三大模块组成。逻辑电路模块，控制模块，和显示模块。其中逻辑电路用到两个与非门74LS20和一个非门74LS04.控制模块有4个开关。显示模块主要由发光二极管组成的。主要利用与非门及或非门等最基本的原理完成该设计，制作的这个最简单的三路抢答器。 抢答器作为一

9、种工具，已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。抢答器多向着数字智能化发展，数字抢答器由主体电路与扩展电路两大部分组成：优先编码电路、锁存器、译码电路将输入信号显示；用控制电路和开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路；通过定时电路和译码电路将脉冲信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。抢答器除具有基本的抢答功能外，还具有定时、计时和报警多重功能。主持人通过时间预设开关预设供抢答的时间，系统将完成自动倒计时。再者这次抢答器的实际电路操作中完全按照电路图来制作的。也分为三大模块。在整体的结构上看起来很清晰明朗。 除了三个非门四个开关和三个与非门外，还需要两个电源，若干导线，一个电路板。一个基座

10、，十几个不一样的电阻等等。各级之间紧密相关，尤其是电路板的连接部分。高电平和接地出统一连接起到了节约成本的问题 ，再者对于电路上导线的连接产生美观感，易于清楚地观看。在仿真问题上，我们小组找到了三种的实验电路。最终都能够完成仿真任务。更为具体的在后边几张会介绍到 。第二章 抢答器的结构与设计2.1抢答器的原理解析2.1.1抢答器的工作状态 抢答器为三路抢答器，共四个开关，一个主裁判开关，其余为选手开关。当主裁判开关没有下抢答命令时，选手们开关不管怎样都不亮。当裁判按下抢答命令开关时，其余三位选手第一位按下抢答器的那位选手的灯亮，第二位第三位的皆不亮。选手和裁判将开关复原。重新进行新一次的抢答。

11、2.1.2抢答器的设计原理 三个与非门的四个输入信号分别来自裁判控制，对应选手控制，其他两名选手对应与非输出信号的反馈，因此在电路的初始状态没有开关动作的状态，主裁判控制信号送入低电平，及反馈信号送入高电平。所以发光二极管表现为高电平，所以灯全部不亮，当主裁判开关送入高电平，其中一名选手按下抢答器送入高电平。经与非门输出低电平，故该选手灯亮，经反馈，其余选手输出高电平。当第二位选手按下开关，可由于反馈左右，结果还是输出高电电平.图2.1抢答电路结构图 三位选手把控三个开关，裁判长主控开关，抢答需要在裁判开启开关后电路才会工作，选手一打开开关，控制电路接到信号，输出一个电信号使LED明亮，算作抢

12、答成功，而由于种植电路中的反馈，电路中其他芯片会输出不同的信号，所以其他LED不会亮，产生抢答的目的。开关SA1由裁判使用，开关S2、S3、S4分别属于三个选手（现在叫这三个选手分别为1，2，3），四个开关的初始位置均在常闭位，即给逻辑电路送入低电平信号。三个或非门的四个输入信号分别来自裁判主控、对应选手控制、其他两个选手对应与非门输出信号的反馈，经过取反得到高电平，由于或非门的逻辑特性，输入均为低电平才会输出高电平，一个选手打开开关输入经过取反器为低电平输出为高电平led灯常亮，第二位选手打开开关，由第一位选手的芯片反馈得到第二位选手其中一个输入为高电平，所以输出低电平led不亮，得到抢答的

13、效果。2.2抢答器的逻辑设计2.2.1 74LS20的相关介绍 74ls20是一个四输入一输出的与非门组合的芯片，逻辑功能是完成四个输入的逻辑与非计功能，1、2、4、5脚输入，6脚输出，13、12、10、9脚输入，8脚输出，3、11两个脚空GND，14脚接Vcc。74LS20（使用电压5±0.3V)或74HC20(使用电压2-6V）逻辑关系一样，都是4输入的含有2套与非门的IC，其中7脚地，14脚电源正，1，2，4，5是其中1套的输入端，6是其输出端，9，10，12，13是另1套输入端，8是其输出端，3，11脚没有使用。4000系列里，4012也是4输入的含有2套与非门的IC,不过脚

14、排布的顺序不同，1套是in=2，3，4，5，out=1,另1套是in=9，10，11，12，out=13,而6，8脚没用，7脚地，14脚电源正。使用电压3-18V。74ls20是常用的双4输入与非门集成电路，常用在各种数字电路和单片机是74hc20,下面我给大家介绍一下这个芯片的相关资料两个4输入与非门，内含两组与非门组1,2,4,5输入6输出。第2组：9,10,12,13输入8输出。图2.2引脚图74LS20内部功能：74ls20是一个四输入一输出的与非门组合的芯片，逻辑功能是完成四个输入的逻辑与非计算功能，1、2、4、5脚输入，6脚输出，13、12、10、9脚输入，8脚输出，3、11两个脚

15、空的，7脚接GND，14脚接Vcc。一般芯片的NC引脚在应用中必须悬空，不允许接任何外围。因为NC脚,可能是悬空的脚，也可能是用于测试的脚，但手册中不会明确告知是哪种状态，所以必须悬空。如表2-1是芯片的规格表： 表2-1芯片规格表系类74ls包装管件逻辑类型与非门电路数4特性电源电压4.75v到5.25v电流静态（最大值）电流输出高低逻辑电平 低0.8v逻辑电平 高2v不同v 最大CL时的最大传播延迟15ns 5v 15PF工作温度0到70度安装类型通孔供应商配件分装14PDIP封装 外壳14-DIP 74LS20的逻辑表达式Y=/ABCD真值表和逻辑符号如下图2.3所示：图2.3 72ls

16、20真值表2.2.2抢答器的真值表输入 Q总，Q1，Q2,Q3 输出为三个LED灯的亮暗与否D1，D2，D3 ；其中表格中有下划线的为不一定性，能否输出取决于输入的顺序。输入中的Q1，Q2，Q3哪个先输入高电平，对应的D1，D2，D3的灯先亮。其中表格中的1在输入中代表输入高电平，0代表接地。在输出的列表中：1代表对应的LED灯亮，0代表灯不亮。Q总为总开关，即为裁判主控开关，由表可知当裁判开关接地时，不管选手开光如何。所有选手灯不亮。当主裁判开关接入高电平时，对应的选手先接入高电平的则灯亮。如下表2-2所示：表2-2 逻辑真值表Q总Q1Q2Q3D1D2D3000000000010000010

17、0000100000001100001010000110000011100010000001001001101001011001001011011110110111101101111111第三章 系统调试3.1硬件调试 焊好板子后第一步要做的就是排除逻辑故障，对照原理图，检查是否有焊错的现象，特别注意电源系统检查，防止电源短路或极性错误。还要用万用表检查是否有短路情况。保证安装无误后，有时由于焊接技术不娴熟，还有可能出现元件损坏的情况，也会导致实物功能无法实现。这时就需要我们将有可能出现问题的故障元件替换下来后继续调试。 调试电路时应小心操作，避免万用表笔或其它导电工具造成人为短路。3.2软件

18、调试1初始状态：三名选手都不亮，如下图3.1所示的初始状态：图3.1 初始状态 图3.1表示所有选手处于抢答状态，即选手全部接地。主裁判开关也处于接地状态。此时不管选手怎么处理，就算输入高电平LED灯也不亮。同时只要主裁判开关输入高电平。对应的选手输入高电平才亮。2.系统仿真图： 1.其中一名选手按下开关，该选手灯亮。如下图3.2所示的第一位选手抢答状态：图3.2 第一位选手抢答状态 图3.2表示的是主裁判开关处于高电平状态，指示此时可以开始抢答，此图为第一名选手按下抢答器。所以对于得第一个灯亮。若此时第二个人按下抢答器，该灯还是不亮。原因的由于第一位选手的输出低电平，会对其余玩家的芯片进行反

19、馈。此时其余玩家不管怎么样都会输出高电平。导致该选手对于得灯不亮。加入第二位选手先行按下开关。则第一位和第三位玩家选手按下开关都不亮。2.第二位选手按下开关，该选手灯不亮，第一位亮。如下图3.3所示的第二位选手抢答：图3.3第二位选手抢答状态 图3.3表示为两位选手按下开关，该图显示的是第一位选手率先按下开关，完成抢答功能。第二位选手按下开关，灯不亮。因此第一位选手得到抢答机会。3.第三位选手按下开关，该选手灯不亮，第一位亮。图3.4所示的第三位选手抢答：图3.4 第三位选手抢答状态 图3.4显示的是三位选手按下开关，不过基本原理和上图差不多。同样是第一位选手率先按下开关其它选手相应按下开关。

20、结果同样是第一位选手的灯亮，其余选手灯不亮。4.抢答器的基本调试 基于这次的电路调试，与我们组做出的实物相比不同的是，我的设计少了三个非门，同时加了一个电源。但是起到了同样的抢答作用。基本原理基本相同，不同的是最终在LED灯下方输入的是低电平，再由自身所加的电源输出高电平。反馈的原理和做出的实物图原理一样。第一幅图，为电路的基本图，没有进行仿真的原图。每一个开关都接入一个高电平，另一个接地。接着裁判开关接在每一次与非门上，选手开关接在对应的与非门上。每一个与非门又相互连接导线进行反馈。再者每一个与非门输出的电平和led灯相连接。在每一个灯的另一端上接入电源的高电平。这样对应的选手按下的顺序就能

21、决定选手们的哪个灯亮了。与设计的原件不同的是，在最后的与非门输出上加了一个非门。这样就可以不用多加一个电源了。其余的反馈原理一样。5.下边是同小组队员的设计，基本思路和我设计一样。第一位队友的设计如图3.5所示的含有与非门与非门的逻辑设计：图3.5与非门与非门图3.5表示的原理和前边的基本一样。不同点在于led灯上端接入的是接地，并且多了三个非门。因为没用电源，所以是低电平，正好在74ls20上加上非门输出了高电平穿过led灯。实现灯亮。图3.6表示的是含有或非门与非门的逻辑设计图3.6或非门与非门 图3.6表示的是另外一名队友的设计图。同样不同的在于把与非门改成了或非门，并且把非门换到了前头

22、。而且在LED灯的另一输入端接地。设计原理差不多。第四章 总结与展望4.1总结 在这次电子课程设计中，我们掌握了书本以外的电子技术知识，进一步了解集成电路的功能和使用方法，熟悉了数字电路系统的计算机仿真方法，真的可谓是受益匪浅。在学习方面，巩固了课本上和以前电路方面的知识。在画电路图时，我们用了protel软件，了解了protel的相关操作。我想在这方面的学习对于一个工科学生来说是大有帮助的且非常必要的 。在其它方面，我感受到了如何利用现有资源能最快捷的查到最有用的资料。通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我用三天时间，原理图和仿真图都实现结果，但实物结果总

23、是实现不了题目的要求。最后经过反复的排查，发现了很多问题。在设计过程，经常会遇到这样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了。不过说也奇怪，整天想着这些问题，脑子和身体却一点都不会觉得累。或许是那种渴望得到知识的欲念把疲劳赶到九霄云外去了吧！我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。另外，掌通过这次课程设计，我也看到了自己的知识体系存在很多漏洞，因为基本理论不扎实，在个芯片连接和各功能实现上遇到的问题不能及时解决，浪费了很多时间。同时也发现自己的动手能力太差，这使我意识到在自己今后的学习

24、当中，一定要努力将课本上的知识联系实际，提高自己的动手能力和独立分析解决问题的能力。 这次课程设计中我学到了很多知识，大学以来第一次自己动手实践让我收获颇丰，试验中材料的选购，电路的设计，电路的焊接以及其他细节的东西都是小组成员辛辛苦苦研究出来的，是我们饿获得了极大的成就感，小组成员之间越来越默契，感情也随之加深，对于数字电路的理解也随之加深，小组合作有效的增加了我们的效率，然而在本次课程设计中，我们也经历了失败，第一次设计电路时没有提前布线导致导线连接不稳，并且并不美观，第二次焊接中，我们就提前布线，焊枪也是用的越来越熟练，但是我们当时并没有观察开关引脚，所以在一次失败了，而第三次焊接之后我

25、们才获得了成功，三次试验并没有让我们气馁，而是加深了我们组员之间的感情，并且使我们对于数字电路的理解更上一层楼。本次实验中也学会了举一反三，并没有找到四输入的或非门，所以我们采用了五输入的或非门元器件，成功做出了仿真。4.2展望 智力竞赛是一种生动活泼的教育方式，而抢答就是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。抢答能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们迅速增加一些科学知识和生活常识。但是，在这类比赛中，对于谁先谁后抢答，在何时抢答，如何计算答题时间等等问题，若是仅凭主持人的主观判断，就很容易出现误判。所以，我们就需要一种具备自动锁存，置位，清零等功能智能抢答器来解决这些问题。在今后的学习生活中，学习这一次的坚持不懈的精神。不懂的问题就问，不懂得知识就学，不懂得电脑技术就好好百度。总之一定要搞懂。希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。，懂得了学习的重要性，这将为以后的学习做出了最好的榜样！ 经过本次单片机的课程设计，我们小组成员收获都很大，巩固了上学期学的单片机原理及应用，还学会了keil和proteus的使用方法，能够实现单片机的仿真和调试，掌握了一定的焊接技术，通过几周以来的团结协作，增强了小组成员之间的团队协作能力。对于单片机的了解不再仅仅局限于书本上的知识，