基礎課程設計電骰子設計與制作

年4月19日基礎課程設計電骰子設計與制作文檔僅供參考，不當之處，請聯(lián)系改正。電子課程設計報告設計課題：電骰子設計與制作設計時間：10月10日—12月26日目錄一、結構設計方案選擇3 方案一：電骰子設計與制作…………3 方案二：8路搶答器設計與制作……………….5方案比較與選擇……………………...6二、摘要 7三、設計任務與要求 7四、單元電路設計、參數(shù)計算及元器件選擇 84.1時鐘控制電路部分 94.2振蕩電路部分 104.3六進制計數(shù)器部分 114.4 譯碼器的設計部分124.5LED的驅(qū)動部分14五、總原理圖及元器件清單 155.1電路總原理圖 155.2元件清單 165.3實驗器材與工具 16六、安裝與調(diào)試 166.1時鐘控制電路部分 166.2振蕩電路部分 166.3六進制計數(shù)器部分 176.4譯碼器的設計部分 186.5LED的驅(qū)動部分196.6總體電路圖 19七、性能測試與分析 20八、實驗結論及擴展 20九、參考文獻 21十、心得與體會21方案一：電骰子的設計與制作一、設計任務與要求骰子是有六個面的正面體，分別刻有1~6的數(shù)字?，F(xiàn)在，我們撇開骰子的形狀和和使用方法來抽象的評價它的功能，那么骰子就是一種從1~6中隨機的選擇1個數(shù)字的選擇裝置。即我們現(xiàn)在設計的電骰子。簡單的說，就是當按下開關時，它能夠從1~6中隨機選擇一個數(shù)字。二、設計框圖及說明圖1-1電骰子設計框圖左圖是一例根據(jù)功能畫出框圖的考慮方法。這是進行電路設計時很重要的一個步驟，右圖是基于基本功能所畫出的框圖。摁下開關相當于搖動骰子的動作。不過在這里是作為計數(shù)器的時鐘控制電路在起作用。就是說，只有在時鐘控制電路的輸出為“H"時計數(shù)器的輸出才發(fā)生變化。計數(shù)器的計數(shù)動作（計算數(shù)字）是由是否輸入了時鐘決定的。就是說，給計數(shù)器輸入時鐘的時間就相當于骰子搖動的時間。計數(shù)器采用六進制計數(shù)器。骰子的點數(shù)有6種，因此只要有6種輸出狀態(tài)就能夠了。必須根據(jù)計數(shù)器的6種輸出狀態(tài)，點亮表示骰子點數(shù)形狀的LED.在這里必須進行譯碼器的設計。三、總體設計電路圖下圖是根據(jù)以上考慮用protues進行仿真的電路圖圖1-2電骰子原理圖方案二：8路搶答器設計方案一、設計任務與要求1.搶答器同時供8名選手或8個代表隊比賽，分別用8個按鈕S0~S7表示。2.設置一個系統(tǒng)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，并在LED數(shù)碼管上顯示，同時揚聲器發(fā)出報警聲響提示。選手搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。二、總體框圖及說明圖1-3總體方框圖工作原理為：接通電源后，主持人將開關撥到“清零”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈；主持人將開關置“開始”狀態(tài)，宣布“開始”，搶答器工作，揚聲器給出聲響提示（或者提示燈給出顯示）。選手進行搶答時，搶答器將完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器（顯示燈）提示等操作。當一輪搶答之后，禁止二次搶答。如果再次搶答必須由主持人再次操作“清除”和“開始”狀態(tài)開關。三、設計電路圖及說明圖中的U2A,U2B和U4A共同組成一個8輸入的與非門，當有選手按按鈕時，經(jīng)過它產(chǎn)生一個高電平信號，此高電平信號與由第四個觸發(fā)器的Q'端初始的高電平信號經(jīng)過與門U10來觸發(fā)觸發(fā)器，又經(jīng)過Q'端的低電平信號來鎖住信號。優(yōu)先編碼器用來對輸入的信號編碼為三位的二進制數(shù)，因此輸出信號最多顯示到111代表十進制的7，而000是我們不需要的，因此我們經(jīng)過一個3輸入的或非門加到數(shù)碼顯示管的第四個管腳，當信號為000時第四個管腳為高電平，這樣顯示8這個數(shù)。后面在給發(fā)光二極管加個脈沖信號來使她閃動起來。圖1-48路搶答器原理圖方案比較與選擇從原理及結構方面來說，這兩種方案使用的都是基本的數(shù)字電路芯片，其具有成本低原理簡單的特點。而且兩個方案都便于分模塊，方便單獨測試各模塊?？墒菑膽玫慕嵌葋砜?，骰子作為娛樂游戲的一種道具，在生活中的使用比搶答器更普遍，而且電骰子很難在現(xiàn)實生活中見到，比較有創(chuàng)新性。從學習的角度來看，方案二是在大二做過的數(shù)字電路實驗的基礎上擴展修改而成的，而方案一之前沒有做過，更需要我們對方案設計的可行性和可操作性進行考慮和對內(nèi)容進行必要的修改，這都利于我們接觸和學習新的知識。因為方案一符合課程設計的要求，做到理論知識與實踐的結合，相對方案二更加能培養(yǎng)我們實踐的動手能力、創(chuàng)新能力和進行綜合設計的能力，因此我們選擇采用第一種方案（電骰子的設計與制作）來作為本次課程設計的題目。二、摘要骰子是娛樂游戲的一種道具，能夠用它來隨機地選取1~6的數(shù)。本電路設計一個電骰子電路，該電路由電骰子的電路結構決定。電路由555多諧振蕩電路、計數(shù)器電路、譯碼器電路、LED驅(qū)動電路、時鐘控制電路五部分電路構成，其中計數(shù)器是整個電路的核心部分，而譯碼器在電路中沒有采用原有的譯碼器，而用門電路來實現(xiàn)，是為了讓電路更簡單。關鍵詞555振蕩器；計數(shù)器；譯碼器LED三、設計思路與要求1、骰子的作用與功能骰子是有6個面的正六面體。6個面上分別刻有1到6的數(shù)。使用骰子時一般是把骰子搖動擲落，以上面的數(shù)作為選取的數(shù)字。就是說在擲一次骰子后，就能夠從l到6中選取一個數(shù)。沒有1與2之間的小數(shù)，例如1.5這樣的數(shù)。只有l(wèi)、2、3、4、5、6這6個數(shù)。這6個數(shù)中，每擲一次，其中某個數(shù)出現(xiàn)的幾率是1/6，所謂1/6的幾率就是說這6個數(shù)的出現(xiàn)并不是按照某種順字，而是隨機的。如果撇開骰子形狀和使用方法的約束來抽象地評價它的功能，那么骰子就是一種“從l到6的數(shù)字中，每次隨機地選擇1個數(shù)字的選擇裝置”。如果簡單地表示它的功能，那就是當按開關時，它能夠從1到6的數(shù)字中選擇1個數(shù)字。重要的是每次按下開關時并不知道將會選擇哪個數(shù)字。2、由骰子的功能決定設計的要求作為電骰子在理解它的功能之后，就能夠確定它的規(guī)格，即采用什么結構的電路。確定它的規(guī)格時最重要的是確定輸入和輸出部份。即來自外界的信號怎樣輸入以及怎樣表示電路的動作。來自外界的信號，也就是搖動骰子對應的信號以利用按鈕開關。骰子的點數(shù)是從1到6的個位數(shù)。如果想原封不動地表現(xiàn)這6個數(shù)的話，能夠采用7段的LED。也能夠利用LED燈光表示器表現(xiàn)骰'子的點。用6個LED分別作為l到6的數(shù)字，只需要1個LED發(fā)光，聯(lián)系到實際的應用，我們考慮采用形狀更像骰子的電骰子。圖3-1表示骰子點數(shù)的形狀。如果能夠用LED來表示這種點數(shù)的形狀，看起來就很接近真實的骰子了。圖3-1骰子的點數(shù)把7個LED排列成骰子點數(shù)的形狀，就能夠利用LED的發(fā)光表示數(shù)字。圖3-2是用LED的發(fā)光表示點數(shù)的例子。使發(fā)光部分LED的配置接近原來骰子的點數(shù)形狀，讓哪些LED發(fā)光則由電子電路來決定。圖3-2電骰子的LED發(fā)光例單元電路設計、參數(shù)計算及元器件選擇總的設計原理圖如下所示：圖4-1是一例根據(jù)功能畫出框圖的考慮方法。這是進行電路設計時很重要的一個步驟，圖4-2是基于基本功能所畫出的框圖。摁下開關相當于搖動骰子的動作。不過在這里是作為計數(shù)器的時鐘控制電路在起作用。就是說，只有在時鐘控制電路的輸出為“H"時計數(shù)器的輸出才發(fā)生變化。計數(shù)器的計數(shù)動作（計算數(shù)字）是由是否輸入了時鐘決定的。就是說，給計數(shù)器輸入時鐘的時間就相當于骰子搖動的時間。計數(shù)器采用六進制計數(shù)器。骰子的點數(shù)有6種，因此只要有6種輸出狀態(tài)就能夠了。必須根據(jù)計數(shù)器的6種輸出狀態(tài)，點亮表示骰子點數(shù)形狀的LED.在這里必須進行譯碼器的設計。圖4-1從基本功能到框圖圖4-2電骰子的框圖4.1、時鐘控制電路部分時鐘是進入計數(shù)器還是停止是利用RC時常數(shù)電路進行控制的。當按鈕開關接通時，10μF電容器上的電荷變?yōu)?。然后電流經(jīng)過與+5V連接的l00kΩ電阻流過開關。這樣一來反相器的輸入成為“L”電平，于是輸出變?yōu)椤癏”。因此當控制時鐘的NAND門開啟時，來自振蕩器的時鐘就供給計數(shù)器。如果開關斷開，來自+5V的電流經(jīng)過l00kΩ的電阻流向10μF的電容器，使電位逐漸上升。如果電容器上的電位越過反相器的閾值電平，輸出就變?yōu)椤癓”，控制時鐘的NAND門就關閉，于是時鐘停止向計數(shù)器輸入。圖4-3時鐘控制電路用的RC時常數(shù)電路4.2、由555定時器構成的振蕩電路部分：如圖4-4，由555定時器和外接元件R1，R2，C構成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源經(jīng)過R1,R2向C充電以及C經(jīng)過R2向放電端Ct放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在1/3Vcc和2/3Vcc之間充電和放電，其波形如圖4-4所示。輸出信號的時間參數(shù)是T=Tw1+Tw2Twl=0.7(R1+R2)C,Tw2=0.7R2C555電路要求R1與R2均應大于或等于1KΩ，但R1+R2應小于或等于3.3MΩ外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力。因此這種形式的多諧振蕩器應用很廣。本次試驗中C為10μF，R1為固定阻值10KΩ，R2為電位器阻值范圍為0~10KΩ,但考慮到555電路要求R1與R2均應大于或等于1KΩ，故R2在這里的調(diào)節(jié)范圍為1~10KΩ，因此555能提供的周期為T=Tw1+Tw2=0.7(R1+R2)C+0.7R2CR2=1KΩ時T=0.084SR2=10KΩ時T=0.21S因此555提供的信號周期為0.084S到0.210S之間，即頻率大概為5~12HZ。圖4-4555構成的多諧振蕩器4.3、六進制計數(shù)器部分用D觸發(fā)器制作6進制計數(shù)器時，是把觸發(fā)器并列對它的輸出解碼，當輸出為6時對整個計數(shù)器復位。圖4-5是電骰子用計數(shù)器的電路設計圖。圖4-5電骰子用計數(shù)器的電路設計圖三個D觸發(fā)器構成的6進制計數(shù)器，能夠得到由000~111的八種狀態(tài)，但對電骰子電路來說，只需使用其中的六種。因為計數(shù)器的二進制輸出是一個一個出現(xiàn)的，只要確定了與輸入相對應的輸出的邏輯就能夠了，并不需要與二進制一致，為了使電路設計簡單，可得出計數(shù)器電路產(chǎn)生的真值表，如表4-1所示。表4-1計數(shù)器電路產(chǎn)生的真值表由真值表可知011和111這兩種組合狀態(tài)在電路中沒用到，因此能夠把它作為禁止狀態(tài)。計數(shù)器在CP脈沖上升沿有效時，從000狀態(tài)計數(shù)到101；當計數(shù)器處于101狀態(tài)時，若再來計數(shù)脈沖，同時為1，經(jīng)過與非門輸出低電平加到Rs觸發(fā)器輸入端；此時Rs觸發(fā)器輸出半個時鐘時間的復位信號加到觸發(fā)器CD端，計數(shù)器迅速復位到000狀態(tài)，此時觸發(fā)器輸出為0，計數(shù)器復位。計數(shù)器又能夠從000狀態(tài)重新計數(shù)，即開始新的一輪循環(huán)。4.4、譯碼器的設計部分1、譯碼器電路功能框圖圖4-6是譯碼器部分框圖，輸入是來自計數(shù)器的輸出Qx、QyQUOTE、QzQUOTE信號，因此譯碼電路輸入的是000、100、010等6種狀態(tài)，輸出是在a，b，c，d，e，f，g六個端子輸出相應信號。與此相對應的a，b，c，d，e，f，g輸出是服從于圖4.6的電骰子用譯碼器的真值表的數(shù)字輸出。在本設計中使用的LED驅(qū)動是用“1”使LED發(fā)光。圖4-6譯碼器的部分框圖2、電骰子上LED排列用7個LED表現(xiàn)骰子的點數(shù)骰子只處理從l到6的數(shù)字?？墒歉鶕?jù)LED的配置和骰子點數(shù)的形狀必須有7個LED。經(jīng)過其中某幾個LED發(fā)光，表現(xiàn)骰子的點數(shù)。將LED排列成骰子點數(shù)的形狀，圖4-7為電骰子的LED發(fā)光組合圖。圖4-7電骰子的LED發(fā)光組合7個LED的位置分別用a～g字母表示。7個LED發(fā)光的所有組合形式算起來是非常多的。這里僅把其中發(fā)光組合相同的LED進行分組，圖4-8是分組的情況。從這個結果看出能夠分成四個組。圖4.8(b)表意味著表示骰子的3、4、5、6點數(shù)時a和g這兩個LED必須發(fā)光。圖4-8（a）以LED為主體必須發(fā)光的數(shù)字圖4-8（b）a與g、b與f、c與e的分別組合在經(jīng)過計數(shù)器的輸出作用下利用譯碼器，產(chǎn)生使LED發(fā)光的信號。LED這樣發(fā)出的光點與骰子點數(shù)形狀是一致的。3、譯碼器電路設計表4-2是電骰子用譯碼器的真值表。這個真值表中7個排列的LED分別用a～g這7個字母表示，它們與各計數(shù)器的輸出（Qx、QyQUOTE、Qz）相對應，確定該哪個LED發(fā)光。表4-2電骰子用譯碼器的真值表注：“1”發(fā)光、“0”熄滅由于計數(shù)器使用的觸發(fā)器輸出有兩個端子Q和，能夠有效地利用反轉(zhuǎn)信號(x、yQUOTE、z），從計數(shù)器的輸出與骰子的點數(shù)相對應的角度能夠看到，當（Qx=0，QyQUOTE=0，Qz=0）時表示數(shù)字1，當（Qx=1，QyQUOTE=0，Qz=0）時表示數(shù)字2，等等。因此，計數(shù)器的二進制輸出是一個一個出現(xiàn)的。沒有什么特別的問題，作為譯碼器，只要確定了與輸入相對應的輸出的邏輯就能夠了，并不需要與二進制一致。用表4-2的真值表為基礎設計譯碼器邏輯電路。在表4-2的真值表中能夠看出a與g，b與f，c與e各自有相同的邏輯。因此，從a～g不需要做出7種電路，只用4種電路就能夠了。實際的邏輯IC中經(jīng)常使用NAND或者NOR。這里所用的譯碼器電路都是由1個NAND門（74LS00）構成的，見圖4-9用IC組合的簡單電骰子譯碼器電路。圖4-9IC組合的簡單電骰子譯碼器4.5LED的驅(qū)動部分LED的發(fā)光使用驅(qū)動74LS04驅(qū)動。當加邏輯“H”電平時，它的輸出晶體管導通（“L”電平）。+5V經(jīng)過LED和電阻接到驅(qū)動上。由于使用了470Ω的限流電阻，因此流過LED的電流約為6mA。圖4-10LED的驅(qū)動五、總原理圖及元器件清單5.1、總原理圖5.2、元件清單表5-1元件清單元件序號元件名主要參數(shù)數(shù)量備注1NE555NE555定時器2274LS00四2輸入正與非門4374LS04六反相器4474LS74雙D觸發(fā)器45LED發(fā)光二極管146電位器10kΩ27R1100kΩ28R2470Ω149C110μF410C20.01μF211開關普通開關312數(shù)電實驗箱THDL-125.3實驗儀器、工具表5-2實驗儀器、工具儀器序號儀器工具名稱主要作用數(shù)量備注1數(shù)字萬用表測量導線的導通情況及各個元件的參數(shù)12雙蹤示波器脈沖模塊進行觀測1 3電烙鐵用來焊接發(fā)光二極管 1六、安裝與調(diào)試6.1、時鐘控制電路部分圖6-1時鐘控制電路部6.2、由555定時器構成振蕩電路部分：圖6-2555定時器構成的振蕩電路6.3、六進制計數(shù)器部分圖6-3六進制計數(shù)器6.4、譯碼器的設計部分圖6-4譯碼器部分6.5、LED的驅(qū)動部分圖6-5發(fā)光二極管部分6.6總體電路圖圖6-6總體電路圖七、性能測試與分析1、時鐘控制電路部分因為電路部分相當簡單，所用元件很少，因此在實驗箱上很容易就搭建了電路，經(jīng)過示波器顯示的圖像，跟原理中說明的圖像一致。2、振蕩電路部分起初采用RC振蕩電路?？墒怯捎谶@種電路產(chǎn)生的信號不穩(wěn)定，因此最后更改為555振蕩電路。它產(chǎn)生的信號較穩(wěn)定，而且可經(jīng)過外部電阻的阻值來更改振蕩頻率。而在實際搭建中，又將電阻更換為電位器，這樣能夠產(chǎn)生一個可變頻率，而不是固定頻率，從而調(diào)節(jié)LED閃爍的頻率。這部分電路也相對比較簡單，而且555振蕩電路我們也曾經(jīng)實際操作過，因此成功的搭建了電路，經(jīng)過示波器顯示的圖像，跟原理中說明的圖像一致。3、六進制計數(shù)器部分雖然電路圖比較簡單，主要連線集中在兩個芯片上，因此在搭建電路時，很容易連錯。因