数电课程设计---拔河游戏机的设计.doc

数字电路课程设计 1 课课 程程 设设 计计 课程名称 数字电子技术基础 题目名称 拔河游戏机的设计 专业班级 10 级电子信息(2) 学生姓名 吴子芹 学 号51001032005 指导教师 杨春兰 二一二年五月十六日 数字电路课程设计 2 目录目录 目录目录 一一 设计任务书设计任务书 .4 1.1 设计题目 拔河游戏机 4 1.2 设计目的4 1.3 设计任务4 二二 电路总体设计电路总体设计 .5 2.1 总体设计电路框图5 2.2 总体设计描述5 1.整体描述5 2.开机描述5 3.比赛描述5 4.计分描述6 2.3 整机电路.6 2.4 整机电路设计描述7 三三 部分电路设计及原理部分电路设计及原理 .7 3.1 整形电路设计7 3.2 编码电路设计8 3.3 译码电路设计10 3.4 控制电路设计12 3.5 胜负显示设计12 3.6 复位电路设计14 四四 结结 论论 .15 41 实验评价：15 42 心得体会：15 参考文献参考文献 .16 附录附录 a a 系统整体系统整体电电路路 17 附录附录 b b 系统元器件表格清单系统元器件表格清单 18 数字电路课程设计 3 一一 设计任务书设计任务书 1.11.1 设计题目设计题目 拔河游戏机拔河游戏机 1.21.2 设计目的设计目的 1、了解并掌握电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力。 2、通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并 掌握合理选用的原则；进一步掌握电子仪器的正确使用方法。 3、学会使用 eda 软件 multisim 对电子电路进行仿真设计。 4、初步掌握普通电子电路的安装、布线、调试等基本技能。 5、提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力，学会撰写课 程设计总结报告；培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。 1.31.3 设计任务设计任务 给定设计设备和主要元器件，按照电路的各部分组合成一个完整的拔河游 戏机。 1、拔河游戏机需用个发 9 个光二极管排列成一行，开机后只有中间一个点 亮，游戏开始，以此作为拔河的中心线。游戏双方各持一个按键，迅速地、不 断地按动产生脉冲，谁按得快，亮点向谁方向移动，每按一次，亮点移动一次。 移到任一方终端二极管点亮，这一方获胜，此时双方按键均无作用，输出保持， 只有经复位后才使亮点恢复到中心线，新的一轮开始。 2、显示器显示胜者的盘数。 数字电路课程设计 4 二二 电路总体设计电路总体设计 2.12.1 总体设计电路框图总体设计电路框图 见图 21 所示 按键 a、b 整 形 电 路 选 择 开 关 可 逆计 数器 译码 器 取 胜 计 数 器 控制电路中心线显示复位 取 胜 显 示 图 21 拔河游戏机线路框图 2.22.2 总体设计描述总体设计描述 1.整体描述整体描述 电子拔河游戏机是一种能容纳甲乙双方参赛或甲乙双方加裁判的 三人游戏电路。该拔河游戏设计选取九个 led 发光二极管表示拔河的“电子绳”。 由甲乙双方通过按键的快慢使得 led 灯朝自己的那段点亮至终点延伸。谁 最先点亮最后一个发光二极管即为获胜方。此时双方再按开关不会再点亮二极 管，并对获胜方进行累计计数，累计多局定胜负。 用键盘上的 a 和 b 表示开关按钮。c 表示清零信号，每次比赛都要清零， 并使按钮开关复位。中间的的二极管点亮提醒参赛双方新的一轮比赛开始。 2.开机描述开机描述 比赛开始，由裁判下达比赛命令，键盘 d 代表裁判信号。按下键 盘 d 键甲乙双方才能输入信号即分别按下键盘 a，b 键时才能点亮二极管。否 则由于电路具有自锁功能，使得输入信号无效。裁判信号有键盘 d 来控制。 3.比赛描述比赛描述 拔河电子绳由 9 个 led 发光二级管构成，裁判下达比赛开始命令 数字电路课程设计 5 后，按下键盘 d 键，甲乙双方通过按键输入信号，由键盘 a,b 键来模拟信号输 入。摁下 a 键向左移动，摁下 b 键向右移动。石、使发亮的 led 二极管向自 己的一方移动，并阻止向对方那方移动。那方摁的快光点就向这一方移动。当 点亮的亮点从中点至最后一个发光二极管点亮时，表示比赛结束。此时电路自 锁，保持当前状态不变。 4.计分描述计分描述 计分电路由俩段七段数码管分别对双方的获胜次数进行计数，比 赛结束时自动进行计数累加。 2.3 整机电路整机电路 图 22 拔河游戏机整机线路图 数字电路课程设计 6 2.42.4 整机电路设计描述整机电路设计描述 整机电路设计包括六个模块分别为整形电路、编码电路、译码电路、控制 电路、胜负显示、复位。可逆计数器 cc40193 原始状态输出 4 位二进制数 0000，经译码器输出使中间的一只发光二极管点亮。当按动 a、b 两个按键时， 分别产生两个脉冲信号，经整形后分别加到可逆计数器上，可逆计数器输出的 代码经译码器译码后驱动发光二极管点亮并产生位移，当亮点移到任何一方终 端后，由于控制电路的作用，使这一状态被锁定，而对输入脉冲不起作用。如 按动复位键，亮点又回到中点位置，比赛又可重新开始。 将双方终端二极管的正端分别经两个与非门后接至二个十进制计数器 cc4518 的允许控制端 en，当任一方取胜，该方终端二极管点亮，产生一个下 降沿使其对应的计数器计数。这样，计数器的输出即显示了胜者取胜的盘数。 三三 部分电路设计及原理部分电路设计及原理 3.13.1 整形电路设计整形电路设计 cc40193 是可逆计数器，控制加减的 cp 脉冲分别加至 5 脚和 4 脚，此时 当电路要求进行加法计数时，减法输入端 cpd 必须接高电平；进行减法计数时， 加法输入端 cpu 也必须接高电平，若直接由 a、b 键产生的脉冲加到 5 脚或 4 脚，那么就有很多时机在进行计数输入时另一计数输入端为低电平，使计数器 不能计数，双方按键均失去作用，拔河比赛不能正常进行。加一整形电路，使 a、b 二键出来的脉冲经整形后变为一个占空比很大的脉冲，这样就减少了进 行某一计数时另一计数输入为低电平的可能性，从而使每按一次键都有可能进 行有效的计数。整形电路由两片 cc4011、一片 cc4081、开关及电阻组成的逻 辑组合及时序组合电路来得到 cp 下降沿脉冲的同时消除因开关的抖动带来的 不稳定脉冲。其电路仿真如图 31 所示。 数字电路课程设计 7 vcc 5v r1 1k r2 1k r3 1k r4 1k j1 key = a j2 key = b u1a 4011bd_5v u2b 4011bd_5v u1c 4011bd_5v u2d 4011bd_5v u3a 4081bd_5v u4b 4081bd_5v 3 5 2 1 6 u5a 4011bd_5v u6b 4011bd_5v u7c 4011bd_5v u1d 4011bd_5v 8 9 4 7 11 x1 2.5 v x2 2.5 v 13 14 10 12 0 vcc 0 图 31 整形电路电路仿真图 3.23.2 编码电路设计编码电路设计 编码器有二个输入端，四个输出端，要进行加 / 减计数，因此选用 cc40193 双时钟二进制同步加 / 减计数器来完成。一方进行加运算，使亮点向 右移动，一方进行减预算。其控制端和前一级抢答器电路相连。cc40193 同步 递增或递减二进制计数器引脚排列如图 32 及功能表表 1。 u1 40193bd_5v o0 3 o1 2 o2 6 o3 7 tcu 12 p0 15 p1 1 p2 10 p3 9 pl 11 cpu 5 mr 14 cpd 4 tcd 13 图 32cc40193 引脚排列图 注：注： tcd 借位输出端借位输出端 tcu 进位输出端进位输出端 cpd 减计数时钟输入端减计数时钟输入端 cpu 加计数时钟输入端加计数时钟输入端 mr 清除端清除端 p0p3 并行数据输入端并行数据输入端 pl 并行置数控制端并行置数控制端 q0q3 计数器输出端计数器输出端 数字电路课程设计 8 表 1 cc40193 的功能表 输入输出 mrplcpucpdp0p1p2p3q0q1q2q3 h l x l x x x x x d0 x d1 x d2 x d3 l d0 l d1 l d2 l d3 lh hxxxx加计数 lhh xxxx减计数 lhhhxxxx保持 cc40193 功能表具体反映了 cc40193 具有：同步可逆计数功能；异步清零 功能；异步置数功能和保持功能；加减可逆计数功能。当 mr=1 时进行清零功 能；当 mr=0，pl=0 时进行置数功能；当 mr=0，pl=1 时，cpd=1，cpu上升 沿进行加计数功能；cpu=1，cpd下降沿进行减计数功能。 编码电路进行加减计数时来使亮点左右移动最终亮点到达最左端或最右端 先到达者获胜。编码电路的主要器件为 cc40193，其功能仿真图如图 33 所示。 u1 40193bd_5v o0 3 o1 2 o2 6 o3 7 tcu 12 p0 15 p1 1 p2 10 p3 9 pl 11 cpu 5 mr 14 cpd 4 tcd 13 u2 dcd_hex_dig_green vcc 5v j1 key = 1 j2 key = 2 j3 key = 3 vcc 3 1 2 45 6 7 v1 10 hz 5 v 8 0 图 33 cc40193 功能仿真图 数字电路课程设计 9 3.33.3 译码电路设计译码电路设计 选用 416 线 cc4514 译码器。译码器的输出 q0q8 分接 9 个发光二极 管，二极管的负端接地，而正端接译码器；这样，当输出为高电平时发光二极 管点亮。 比赛准备，译码器输入为 0000，q0 输出为“1”，中心处二极管首先点亮。 当编码器进行加法计数时，亮点向右移，进行减法计数时，亮点向左移。 cc4514 引脚排列及功能表如图 34 所示。 u1 4514bd_5v o0 11 o1 9 o2 10 o3 8 o4 7 o5 6 o6 5 o7 4 a0 2 a1 3 a2 21 el 1 e 23 a3 22 o8 18 o9 17 o10 20 o11 19 o12 14 o13 13 o14 16 o15 15 a0a3 数据输入端 inh 输出禁止控制端 le 数据锁存控制端 y0y15 数据输出端 图 34 cc4514 引脚排列图 数字电路课程设计 10 表 1 cc4514 的功能表 输 入输 入 leinha3a2a1a0 高电平 输出端 leinha3a2a1a0 高电平 输出端 100000yo101001y9 100001y1101010y10 100010y2101011y11 100011y3101100y12 100100y4101101y13 100101y5101110y14 100110y6101111y15 100111y711 无 101000y800 输出状态锁定在上一个 le=“1”时，a0 a3的输入状态。 译码电路的仿真图如图 35 所示 led1 led2 led3led4led5led6led7 r3 200 r4 200 r5 200 r6 200 r7 200 r8 200 led8led9 r1 200 r2 200 r9 200 1 2 3456789 10 11 12 13 1415 16 17 18 0 vcc 5v j1 key = 1 j2 key = 2 j3 key = 3 j4 key = 4 j5 key = 5 j6 key = 6 vcc 0 19 20 21 22 23 24 u1 4514bd_5v o0 11 o1 9 o2 10 o3 8 o4 7 o5 6 o6 5 o7 4 a0 2 a1 3 a2 21 el 1 e 23 a3 22 o8 18 o9 17 o10 20 o11 19 o12 14 o13 13 o14 16 o15 15 图 35 译码电路的仿真图 数字电路课程设计 11 3.43.4 控制电路设计控制电路设计 为指示出谁胜谁负，需用一个控制电路。当亮点移到任何一方的终端时， 判该方为胜，此时双方的按键均宣告无效。此电路可用异或门 cc4030 和非门 cc4011 来实现。将双方终端二极管的正极接至异或门的两个输入端，当获胜一 方为“1” ，而另一方则为“0” ，异或门输出为“1” ，经非门产生低电平“0” ， 再送到 cc40193 计数器的置数端，于是计数器停止计数，处于预置状态，由pe 于计数器数据端 a、b、c、d 和输出端 qa、qb、qc、qd对应相连，输入也就是输 出，从而使计数器对输入脉冲不起作用。其电路仿真图如图 36 所示。 vcc 5v j1 key = 1 j2 key = 2 u1a 4011bd_5v u2a 4030bd_5v x1 2.5 v vcc 0 1 2 3 4 图 36 控制电路的仿真图 3.53.5 胜负显示设计胜负显示设计 将双方终端二极管正极经非门后的输出分别接到二个cc4518 计数器的en 端， cc4518 的两组4 位 bcd 码分别接到实验装置的两组译码显示器的a、b、c、d 插口处。当一方取胜时，该方终端二极管发亮，产生一个上升沿，使相应的计 数器进行加一计数，于是就得到了双方取胜次数的显示，若一位数不够，则进 行二位数的级联。其电路设计图及仿真图如图 37 所示 数字电路课程设计 12 图 37 胜负显示设计电路及仿真图 cc4518 计数器具有“加计数”和清零功能。cc4518 是 bcd 码（即二十进 制）计数器，管脚排列如图 38 所示，其功能表如表 2 所示。 u1a 4518bd_5v 1a 3 1b 4 1c 5 1d 6 en1 2 mr1 7 cp1 1 图 38 cc4518 管脚排列图 cp时钟输入端 mr清除端 en计数允许控制端 ad 计数输出端 数字电路课程设计 13 表 2 cc4518 功能表 输入 cpcren 输出功能 01加计数 00 加计数 0x x0 00 10 保持 x1x全部为“0” 3.63.6 复位电路设计复位电路设计 为能进行多次比赛而需要进行复位操作，使亮点返回中心点，可用一个 开关控制 cc40193 的清零端 r 即可。 胜负显示器的复位也应用一个开关来控制胜负计数器 cc4518 的清零端 r，使其重新计数。复位电路设计如图 39 所示。 图 39 所示 复位电路设计图 数字电路课程设计 14 四四 结结 论论 41 实验评价：实验评价： 本课题所设计的拔河游戏机主体大概是由 9 个电平指示灯组成“电子绳” ，由可 逆计数器 cc40193 构成编码电路，由译码器 cc4514 构成译码器电 路，由计数 器 cc4518 作为胜负的显示。 42 心得体会：心得体会： 课程设计是培养学我们综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实 际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考 察过程. 此次拔河游戏机课程设计，我仍体会颇深。从中学到很多的东西， 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有 学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要 的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起 来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 在设计的过程中，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发 现了自己的很多的不足，自己知识的很多漏洞，对以前所学过的知识理解 得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说触发器的运用还是不怎么熟识，对 cc40193193 计数器的逻辑功能还是不怎么了解,multisim 不怎么会用 看到了自己基础知识还是不够扎实，实践经验还是比较缺乏，理论联系实 际的能力还待急需提高。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知 识重新温故。虽然这只是一次的较简单的课程设计，可是也耗费了我们不 少的心血。无论如何，就当它是一次数电的复习课吧！同时也作了一次很 好的复习！ 数字电路课程设计 15 参考文献参考文献 1 高吉祥.电子技术基础 实验与课程设计m.电子工业出版社,2005. 2 方建中.电子线路实验(第二版)m. 浙江大学出版社,2003. 3（日本）汤山俊夫著，彭军译.数字电路设计与制作m. 科学出版社，2005. 4 康华光.电子技术基础（数字部分）第四版m. 高等教育出版社,1980. 5 彭芥华.电子技术课程设计指导m.高等教育出版社,2001. 6 王艳春主编.电子技术试验与 mutilsim 仿真m.合肥工业大学出版,2011. 7 杨素行主编.数字电子技术基础简明教程第三版m.高等教育出版社 2006. 数字电路课程设计 16 附录附录 a a 系统整体电路系统整体电路 vcc 5v r1 1k r2 1k r3 1k r4 1k j1 key = a j2 key = b vcc 0 u1a 4011bd_5v u1b 4011bd_5v u1c 4011bd_5v u1d 4011bd_5v u2a 4011bd_5v u2b 4011bd_5v u2c 4011bd_5v u2d 4011bd_5v u3a 4081bd_5v u3b 4081bd_5v 4 3 5 6 1 08 10 12 9 7 11 2 u4 40193bd_5v o0 3 o1 2 o2 6 o3 7 tcu 12 p0 15 p1 1 p2 10 p3 9 pl 11 cpu 5 mr 14 cpd 4 tcd 13 13 14 u5a 4011bd_5v u6a 4030bd_5v 15 u7 4514bd_5v o0 11 o1 9 o2 10 o3 8 o4 7 o5 6 o6 5 o7 4 a0 2 a1 3 a2 21 el