搶答器課程設計20145826龔利明天津理工大學

1、電子技術課程設計與實踐題目：三路搶答器邏輯設計 基于與非門電路的設計 學 院： 計算機與通信工程 專 業(yè)： 通信工程 姓 名： 龔利明 學 號： 20145826 指導老師： 宮銘舉 童崢嶸 2016年11月摘 要 當代社會，有各式各樣的知識競賽，搶答器也成為了一種很常見的裝置。在知識比賽中，特別是做搶答題目的時候，在搶答過程中，為了知道哪一組或哪一位選手先答題，必須要設計一個系統(tǒng)來完成這個任務。因為在搶答過程中，靠視覺是很難判斷出哪組先答題。對設計要求認真分析后，又考慮到自己動手焊板子的能力不是很強，就選擇了三人智能搶答器的精簡裝置來進行設計，即僅通過LED顯示燈來判別是哪一個參賽者搶答成功

2、。搶答顯示電路由三個發(fā)光二級管組成。該設計僅用四塊數(shù)字芯片便實現(xiàn)了數(shù)顯搶答的功能，與其他搶答器電路相比，有結(jié)構簡單、成本低、制作方便、實用可靠、成本極低的優(yōu)點。本文詳細介紹了搶答器的設計方案和功能，并對電路原理進行了一定的分析。另外通過仿真和調(diào)試過程，讓自己對所學知識得到進一步的理解，同時闡釋了該設計存在的一些不足之處。關鍵詞：搶答器，數(shù)字電路，與非門，74LS20 目 錄第一章 緒論11.1搶答器的意義與發(fā)展11.2搶答器的主要內(nèi)容11.3搶答器的結(jié)構特點2第二章 搶答器的結(jié)構與設計32.1搶答器的原理解析3 2.1.1搶答器的工作狀態(tài)3 2.1.2搶答器的設計原理32.2搶答器的邏輯設計4

3、2.2.1 74LS20的相關介紹42.2.2搶答器的真值表6第三章 搶答器系統(tǒng)調(diào)試83.1硬件調(diào)試83.2軟件調(diào)試8第四章 總結(jié)與展望124.1總結(jié)問題124.2展望未來12參考文獻14附 錄15附錄1 實物圖15附錄2 元件清單16致 謝17天津理工大學2014級電子技術課程設計與實踐第1章 緒論1.1搶答器的意義與發(fā)展 在競賽、文體娛樂活動（搶答活動）中，能準確、公正、直觀地判斷出搶答者的機器。通過搶答者的指示燈顯示、數(shù)碼顯示和警示顯示等手段指示出第一搶答者。根據(jù)自身情況選擇適合的搶答器。市場上搶答器種類繁多，功能各異，價格差異也很大。不過越想要越好的，必須需要越多的錢。但是搶答器在今后

4、的比賽當中永遠是不可或缺的，在今后的發(fā)展中必定呈現(xiàn)上升的趨勢，對于搶答器功能的要求也是逐漸的增多。所以說要說可以做好一個完美的搶答器基本上是不可能的搶答器是一種應用非常廣泛的設備，在各種競賽、搶答場合中，它能迅速、客觀地分辨出最先獲得發(fā)言權的選手。早期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等組成，能通過發(fā)光管的指示辯認出選手號碼?，F(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機(如MCS-51型)和數(shù)字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、搶按前或搶按后的計時、選手得分顯示等功能。智力競賽是一種能鍛煉人的頭腦開發(fā)人的IQ的一種大眾化游戲，也起到娛樂的作用。現(xiàn)在智力競賽越來越被多數(shù)人喜愛和娛樂，像中央衛(wèi)視的

5、三星智力快車、金蘋果、幸運50等等多檔智力競賽節(jié)目都擁有大批的忠實觀眾。而且國內(nèi)外各地電視臺、工廠、學校等單位也會常常舉辦類似的智力競賽活動，然而智力競賽搶答器是必要設備。在有些地方舉行的各種智力競賽游戲中我們經(jīng)?？吹接袚尨鸬沫h(huán)節(jié)，舉辦方大多數(shù)采用讓選手通過舉答題板的方法或者是舉手的方式判斷選手的答題權，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。所以，我們就需要一種具備自動鎖存，置位，清零等功能智能搶答器來解決這些問。信息時代的21世紀人類社會的進步和科學技術的發(fā)展非常迅猛，人類開始邁入了數(shù)字化和科技化的智能世界。搶答器的發(fā)展就是人類社會進步和科學發(fā)展的標志之一。搶答器是一種應用

6、非常廣泛的電子電氣設備，在各種搶答場合、競賽中，它能迅速客觀地分辨出最先獲得發(fā)言權的選手以及實現(xiàn)設定發(fā)言時間、記錄分數(shù)等功能。早期的搶答器只由幾個三極管、可控硅、發(fā)光管等組成，能通過發(fā)光管的指示辨認出選手號碼。現(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機和數(shù)字集成電路，并增加了許多新功能，如選手號碼顯示、前或搶答后的計時、選手得分顯示等功能。1.2搶答器的主要內(nèi)容 當前電子技術的應用范圍非常廣，隨著社會的發(fā)展它已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面。課程設計是在校大學生將理論與實際聯(lián)系的一個橋梁。這次的課程設計是針對某一理論課程的要求，這次的三路競賽搶答器對我們進行綜合性實踐訓練的實踐學習環(huán)節(jié)，它可以培養(yǎng)我們將課程中所

7、學的理論知識與實踐緊密結(jié)合，獨立地解決實際問題的能力。本課程設計題目是基于Protel 的仿真設計，設計原理基于數(shù)字電子技術的基本理論，主要介紹了設計的工作過程和原理，特點是成本較低，電路易于實現(xiàn)。如今社會發(fā)揮發(fā)展十分迅速，很多電子產(chǎn)品已經(jīng)漸漸的融入了我們的生活，電子搶答器可以讓我們的競賽非常公平，因為是在生活中用肉眼分辨選手的搶答速度會有誤差，也容易造成某些選手或節(jié)目中的觀眾的不滿所以搶答器很好的擬補了這部分的不足，讓競賽項目更加完美。搶答器有數(shù)字電路組成數(shù)字電子電路中的后起之秀是數(shù)字邏輯電路。把它叫做數(shù)字電路是因為電路中傳遞的雖然也是脈沖，但這些脈沖是用來表示二進制數(shù)碼的，例如用高電平表示

8、“ 1 ”，低電平表示“ 0 ”。聲音圖像文字等信息經(jīng)過數(shù)字化處理后變成了一串串電脈沖，它們被稱為數(shù)字信號。能處理數(shù)字信號的電路就稱為數(shù)字電路。分迅速，很多電子產(chǎn)品已經(jīng)漸漸的融入了我們的生活，電子搶答器可以讓我們的競賽非常公平，因為是在生活中用肉眼分辨選手的搶答速度會有誤差，也容易造成某些 n 1.3搶答器的結(jié)構特點 電路的組成：該電路主要由三大模塊組成。邏輯電路模塊，控制模塊，和顯示模塊。其中邏輯電路用到兩個與非門74LS20和一個非門74LS04.控制模塊有4個開關。顯示模塊主要由發(fā)光二極管組成的。主要利用與非門及或非門等最基本的原理完成該設計，制作的這個最簡單的三路搶答器。 搶答器作為一

9、種工具，已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。搶答器多向著數(shù)字智能化發(fā)展，數(shù)字搶答器由主體電路與擴展電路兩大部分組成：優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將輸入信號顯示；用控制電路和開關啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路；通過定時電路和譯碼電路將脈沖信號在顯示器上輸出實現(xiàn)計時功能，構成擴展電路。搶答器除具有基本的搶答功能外，還具有定時、計時和報警多重功能。主持人通過時間預設開關預設供搶答的時間，系統(tǒng)將完成自動倒計時。再者這次搶答器的實際電路操作中完全按照電路圖來制作的。也分為三大模塊。在整體的結(jié)構上看起來很清晰明朗。 除了三個非門四個開關和三個與非門外，還需要兩個電源，若干導線，一個電路板。一個基座

10、，十幾個不一樣的電阻等等。各級之間緊密相關，尤其是電路板的連接部分。高電平和接地出統(tǒng)一連接起到了節(jié)約成本的問題 ，再者對于電路上導線的連接產(chǎn)生美觀感，易于清楚地觀看。在仿真問題上，我們小組找到了三種的實驗電路。最終都能夠完成仿真任務。更為具體的在后邊幾張會介紹到 。第二章 搶答器的結(jié)構與設計2.1搶答器的原理解析2.1.1搶答器的工作狀態(tài) 搶答器為三路搶答器，共四個開關，一個主裁判開關，其余為選手開關。當主裁判開關沒有下?lián)尨鹈顣r，選手們開關不管怎樣都不亮。當裁判按下?lián)尨鹈铋_關時，其余三位選手第一位按下?lián)尨鹌鞯哪俏贿x手的燈亮，第二位第三位的皆不亮。選手和裁判將開關復原。重新進行新一次的搶答。

11、2.1.2搶答器的設計原理 三個與非門的四個輸入信號分別來自裁判控制，對應選手控制，其他兩名選手對應與非輸出信號的反饋，因此在電路的初始狀態(tài)沒有開關動作的狀態(tài)，主裁判控制信號送入低電平，及反饋信號送入高電平。所以發(fā)光二極管表現(xiàn)為高電平，所以燈全部不亮，當主裁判開關送入高電平，其中一名選手按下?lián)尨鹌魉腿敫唠娖?。?jīng)與非門輸出低電平，故該選手燈亮，經(jīng)反饋，其余選手輸出高電平。當?shù)诙贿x手按下開關，可由于反饋左右，結(jié)果還是輸出高電電平.圖2.1搶答電路結(jié)構圖 三位選手把控三個開關，裁判長主控開關，搶答需要在裁判開啟開關后電路才會工作，選手一打開開關，控制電路接到信號，輸出一個電信號使LED明亮，算作搶

12、答成功，而由于種植電路中的反饋，電路中其他芯片會輸出不同的信號，所以其他LED不會亮，產(chǎn)生搶答的目的。開關SA1由裁判使用，開關S2、S3、S4分別屬于三個選手（現(xiàn)在叫這三個選手分別為1，2，3），四個開關的初始位置均在常閉位，即給邏輯電路送入低電平信號。三個或非門的四個輸入信號分別來自裁判主控、對應選手控制、其他兩個選手對應與非門輸出信號的反饋，經(jīng)過取反得到高電平，由于或非門的邏輯特性，輸入均為低電平才會輸出高電平，一個選手打開開關輸入經(jīng)過取反器為低電平輸出為高電平led燈常亮，第二位選手打開開關，由第一位選手的芯片反饋得到第二位選手其中一個輸入為高電平，所以輸出低電平led不亮，得到搶答的

13、效果。2.2搶答器的邏輯設計2.2.1 74LS20的相關介紹 74ls20是一個四輸入一輸出的與非門組合的芯片，邏輯功能是完成四個輸入的邏輯與非計功能，1、2、4、5腳輸入，6腳輸出，13、12、10、9腳輸入，8腳輸出，3、11兩個腳空GND，14腳接Vcc。74LS20（使用電壓5±0.3V)或74HC20(使用電壓2-6V）邏輯關系一樣，都是4輸入的含有2套與非門的IC，其中7腳地，14腳電源正，1，2，4，5是其中1套的輸入端，6是其輸出端，9，10，12，13是另1套輸入端，8是其輸出端，3，11腳沒有使用。4000系列里，4012也是4輸入的含有2套與非門的IC,不過腳

14、排布的順序不同，1套是in=2，3，4，5，out=1,另1套是in=9，10，11，12，out=13,而6，8腳沒用，7腳地，14腳電源正。使用電壓3-18V。74ls20是常用的雙4輸入與非門集成電路，常用在各種數(shù)字電路和單片機是74hc20,下面我給大家介紹一下這個芯片的相關資料兩個4輸入與非門，內(nèi)含兩組與非門組1,2,4,5輸入6輸出。第2組：9,10,12,13輸入8輸出。圖2.2引腳圖74LS20內(nèi)部功能：74ls20是一個四輸入一輸出的與非門組合的芯片，邏輯功能是完成四個輸入的邏輯與非計算功能，1、2、4、5腳輸入，6腳輸出，13、12、10、9腳輸入，8腳輸出，3、11兩個腳

15、空的，7腳接GND，14腳接Vcc。一般芯片的NC引腳在應用中必須懸空，不允許接任何外圍。因為NC腳,可能是懸空的腳，也可能是用于測試的腳，但手冊中不會明確告知是哪種狀態(tài)，所以必須懸空。如表2-1是芯片的規(guī)格表： 表2-1芯片規(guī)格表系類74ls包裝管件邏輯類型與非門電路數(shù)4特性電源電壓4.75v到5.25v電流靜態(tài)（最大值）電流輸出高低邏輯電平 低0.8v邏輯電平 高2v不同v 最大CL時的最大傳播延遲15ns 5v 15PF工作溫度0到70度安裝類型通孔供應商配件分裝14PDIP封裝 外殼14-DIP 74LS20的邏輯表達式Y(jié)=/ABCD真值表和邏輯符號如下圖2.3所示：圖2.3 72ls

16、20真值表2.2.2搶答器的真值表輸入 Q總，Q1，Q2,Q3 輸出為三個LED燈的亮暗與否D1，D2，D3 ；其中表格中有下劃線的為不一定性，能否輸出取決于輸入的順序。輸入中的Q1，Q2，Q3哪個先輸入高電平，對應的D1，D2，D3的燈先亮。其中表格中的1在輸入中代表輸入高電平，0代表接地。在輸出的列表中：1代表對應的LED燈亮，0代表燈不亮。Q總為總開關，即為裁判主控開關，由表可知當裁判開關接地時，不管選手開光如何。所有選手燈不亮。當主裁判開關接入高電平時，對應的選手先接入高電平的則燈亮。如下表2-2所示：表2-2 邏輯真值表Q總Q1Q2Q3D1D2D3000000000010000010

17、0000100000001100001010000110000011100010000001001001101001011001001011011110110111101101111111第三章 系統(tǒng)調(diào)試3.1硬件調(diào)試 焊好板子后第一步要做的就是排除邏輯故障，對照原理圖，檢查是否有焊錯的現(xiàn)象，特別注意電源系統(tǒng)檢查，防止電源短路或極性錯誤。還要用萬用表檢查是否有短路情況。保證安裝無誤后，有時由于焊接技術不嫻熟，還有可能出現(xiàn)元件損壞的情況，也會導致實物功能無法實現(xiàn)。這時就需要我們將有可能出現(xiàn)問題的故障元件替換下來后繼續(xù)調(diào)試。 調(diào)試電路時應小心操作，避免萬用表筆或其它導電工具造成人為短路。3.2軟件

18、調(diào)試1初始狀態(tài)：三名選手都不亮，如下圖3.1所示的初始狀態(tài)：圖3.1 初始狀態(tài) 圖3.1表示所有選手處于搶答狀態(tài)，即選手全部接地。主裁判開關也處于接地狀態(tài)。此時不管選手怎么處理，就算輸入高電平LED燈也不亮。同時只要主裁判開關輸入高電平。對應的選手輸入高電平才亮。2.系統(tǒng)仿真圖： 1.其中一名選手按下開關，該選手燈亮。如下圖3.2所示的第一位選手搶答狀態(tài)：圖3.2 第一位選手搶答狀態(tài) 圖3.2表示的是主裁判開關處于高電平狀態(tài)，指示此時可以開始搶答，此圖為第一名選手按下?lián)尨鹌?。所以對于得第一個燈亮。若此時第二個人按下?lián)尨鹌?，該燈還是不亮。原因的由于第一位選手的輸出低電平，會對其余玩家的芯片進行反

19、饋。此時其余玩家不管怎么樣都會輸出高電平。導致該選手對于得燈不亮。加入第二位選手先行按下開關。則第一位和第三位玩家選手按下開關都不亮。2.第二位選手按下開關，該選手燈不亮，第一位亮。如下圖3.3所示的第二位選手搶答：圖3.3第二位選手搶答狀態(tài) 圖3.3表示為兩位選手按下開關，該圖顯示的是第一位選手率先按下開關，完成搶答功能。第二位選手按下開關，燈不亮。因此第一位選手得到搶答機會。3.第三位選手按下開關，該選手燈不亮，第一位亮。圖3.4所示的第三位選手搶答：圖3.4 第三位選手搶答狀態(tài) 圖3.4顯示的是三位選手按下開關，不過基本原理和上圖差不多。同樣是第一位選手率先按下開關其它選手相應按下開關。

20、結(jié)果同樣是第一位選手的燈亮，其余選手燈不亮。4.搶答器的基本調(diào)試 基于這次的電路調(diào)試，與我們組做出的實物相比不同的是，我的設計少了三個非門，同時加了一個電源。但是起到了同樣的搶答作用?；驹砘鞠嗤煌氖亲罱K在LED燈下方輸入的是低電平，再由自身所加的電源輸出高電平。反饋的原理和做出的實物圖原理一樣。第一幅圖，為電路的基本圖，沒有進行仿真的原圖。每一個開關都接入一個高電平，另一個接地。接著裁判開關接在每一次與非門上，選手開關接在對應的與非門上。每一個與非門又相互連接導線進行反饋。再者每一個與非門輸出的電平和led燈相連接。在每一個燈的另一端上接入電源的高電平。這樣對應的選手按下的順序就能

21、決定選手們的哪個燈亮了。與設計的原件不同的是，在最后的與非門輸出上加了一個非門。這樣就可以不用多加一個電源了。其余的反饋原理一樣。5.下邊是同小組隊員的設計，基本思路和我設計一樣。第一位隊友的設計如圖3.5所示的含有與非門與非門的邏輯設計：圖3.5與非門與非門圖3.5表示的原理和前邊的基本一樣。不同點在于led燈上端接入的是接地，并且多了三個非門。因為沒用電源，所以是低電平，正好在74ls20上加上非門輸出了高電平穿過led燈。實現(xiàn)燈亮。圖3.6表示的是含有或非門與非門的邏輯設計圖3.6或非門與非門 圖3.6表示的是另外一名隊友的設計圖。同樣不同的在于把與非門改成了或非門，并且把非門換到了前頭

22、。而且在LED燈的另一輸入端接地。設計原理差不多。第四章 總結(jié)與展望4.1總結(jié) 在這次電子課程設計中，我們掌握了書本以外的電子技術知識，進一步了解集成電路的功能和使用方法，熟悉了數(shù)字電路系統(tǒng)的計算機仿真方法，真的可謂是受益匪淺。在學習方面，鞏固了課本上和以前電路方面的知識。在畫電路圖時，我們用了protel軟件，了解了protel的相關操作。我想在這方面的學習對于一個工科學生來說是大有幫助的且非常必要的 。在其它方面，我感受到了如何利用現(xiàn)有資源能最快捷的查到最有用的資料。通過這次課程設計，加強了我動手、思考和解決問題的能力。在整個設計過程中，我用三天時間，原理圖和仿真圖都實現(xiàn)結(jié)果，但實物結(jié)果總

23、是實現(xiàn)不了題目的要求。最后經(jīng)過反復的排查，發(fā)現(xiàn)了很多問題。在設計過程，經(jīng)常會遇到這樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實際接上電路，總是實現(xiàn)不了。不過說也奇怪，整天想著這些問題，腦子和身體卻一點都不會覺得累?；蛟S是那種渴望得到知識的欲念把疲勞趕到九霄云外去了吧！我覺得做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設計，那些問題就迎刃而解了。另外，掌通過這次課程設計，我也看到了自己的知識體系存在很多漏洞，因為基本理論不扎實，在個芯片連接和各功能實現(xiàn)上遇到的問題不能及時解決，浪費了很多時間。同時也發(fā)現(xiàn)自己的動手能力太差，這使我意識到在自己今后的學習

24、當中，一定要努力將課本上的知識聯(lián)系實際，提高自己的動手能力和獨立分析解決問題的能力。 這次課程設計中我學到了很多知識，大學以來第一次自己動手實踐讓我收獲頗豐，試驗中材料的選購，電路的設計，電路的焊接以及其他細節(jié)的東西都是小組成員辛辛苦苦研究出來的，是我們餓獲得了極大的成就感，小組成員之間越來越默契，感情也隨之加深，對于數(shù)字電路的理解也隨之加深，小組合作有效的增加了我們的效率，然而在本次課程設計中，我們也經(jīng)歷了失敗，第一次設計電路時沒有提前布線導致導線連接不穩(wěn)，并且并不美觀，第二次焊接中，我們就提前布線，焊槍也是用的越來越熟練，但是我們當時并沒有觀察開關引腳，所以在一次失敗了，而第三次焊接之后我

25、們才獲得了成功，三次試驗并沒有讓我們氣餒，而是加深了我們組員之間的感情，并且使我們對于數(shù)字電路的理解更上一層樓。本次實驗中也學會了舉一反三，并沒有找到四輸入的或非門，所以我們采用了五輸入的或非門元器件，成功做出了仿真。4.2展望 智力競賽是一種生動活潑的教育方式，而搶答就是智力競賽中非常常見的一種答題方式。搶答能引起參賽者和觀眾的極大興趣，并且能在極短的時間內(nèi)，使人們迅速增加一些科學知識和生活常識。但是，在這類比賽中，對于誰先誰后搶答，在何時搶答，如何計算答題時間等等問題，若是僅憑主持人的主觀判斷，就很容易出現(xiàn)誤判。所以，我們就需要一種具備自動鎖存，置位，清零等功能智能搶答器來解決這些問題。在今后的學習生活中，學習這一次的堅持不懈的精神。不懂的問題就問，不懂得知識就學，不懂得電腦技術就好好百度?？傊欢ㄒ愣ＯＭ约旱倪@些不足之處能在今后的工作和學習中得到改善。，懂得了學習的重要性，這將為以后的學習做出了最好的榜樣！ 經(jīng)過本次單片機的課程設計，我們小組成員收獲都很大，鞏固了上學期學的單片機原理及應用，還學會了keil和proteus的使用方法，能夠?qū)崿F(xiàn)單片機的仿真和調(diào)試，掌握了一定的焊接技術，通過幾周以來的團結(jié)協(xié)作，增強了小組成員之間的團隊協(xié)作能力。對于單片機的了解不再僅僅局限于書本上的知識，