电工的电子课程设计——电骰子的设计与制作.doc

武汉理工大学电工电子课程设计说明书摘要棋牌类游戏集趣味与益智于一体，是人们日常生活中不可或缺的娱乐项目。而骰子作为游戏公平的象征，在其中起着重要作用。本设计融电子技术于现实生活中，具有现实意义。本文详细阐述了电子化骰子的原理，用它来随机的选取1至6的数。本系统以典型施密特反相器74hc14作为时钟脉冲发生器结合逻辑门电路控制4位二进制同步加法计数器74ls161，实现1至6的随机输出，并最终通过译码器74ls48控制七段数码管实现随机数的显示。关键词：时钟脉冲 随机数 计数 显示电骰子的设计与制作1. 实验原理和原理框图1.1 实验原理分析骰子是有6个面的正六面体。六个面上分别刻有1到6的数。掷骰子后，就可以从1到6中随机的选取一个数。可能出现的数只有1,2,3,4,5,6这6个数。这6个数中，每个数出现的概率为1/6,即每个数的出现是随机的。图1.1是根据实际掷骰子的动作画出的功能框图图1.2是基于所要实现的功能画出的电路总体框图摁下开关相当于摇动骰子。开关在这里是作为计数器的时钟控制电路，当开关摁下，此时控制电路输出为高，从而时钟脉冲会通过与非门去触发计数器，让其开始从1到6计数。时钟脉冲通过与非门的这段时间就相当于骰子摇动的时间。因为骰子的点数有6种，所以计数器的输出状态只要有6种即可。当七段数码管确定显示1到6中的一个数时，就相当于骰子停止了滚动，显示出了确定的数。图1.2就是基于以上考虑所得的电骰子原理框图。下面将进行实际电路的设计。1.2 电路原理框图掷骰子骰子滚动确定骰子的数字摁下开关时钟控制启动计数器计数输出下数码管显示图1.1 从基本功能到结构框图时钟控制电路时钟发生器&六进制计数器译码器显示电路图1.2 电骰子框图2设计思路和电路分析在原理框图的基础上，着手进行各模块内容的设计，各模块电路出了必须保证本模块单元电路功能的实现外，还需要使得各模块之间的接口电路方便可行。2.1第一种方案设计思路2.1.1振荡电路第一种方案采用施密特反相器作为产生时钟的振荡电路，电路如下：r11=r12=100k c1=10nf图2.1时钟产生电路输出时钟脉冲为：当输出为高电平时，根据rc电路过渡过程的分析可知，此时vi 由vt-升到vt+，其所需要的时间为t1= rcln(vdd-vt-)/(vdd-vt+)当输出为低电平时，此时vi 由vt+降到vt-。其所需要的时间为t2=rc ln(vt+/vt-)则整个振荡周期为t=t1+t2=rcln(vdd-vt-)/(vdd-vt+)+ln(vt+/vt-)=4.2rc查74hc14的手册可知t=4.2ms图2.2时钟波形t=t1+t2=rcln(vdd-vt-)/(vdd-vt+)+ln(vt+/vt-)=4.2rc所以t=4.2ms施密特反相器引脚及功能表如下74hc14的引脚图如图2.3。图2.3 74hc14引脚图74hc14的功能表如表2.1所示。表1.1 74hc14 功能表2.1.2六进制计数器这是电骰子的核心部分。计数器采用4位二进制同步加法计数器74ls161。因为骰子的点数是1到6，所以必须使用六进制计数器。六进制计数器的输出变化为123456，所以在输出为6的瞬间74ls161必须置数1。图2.4中是当计数器输出为110（十进制6）时进行预置数使计数器输出迅速由6变1，从而实现1到6循环计数。电路接线如图2.4所示。图2.4 74ls161接线图74ls161引脚图如图2.5所示图2.5 74ls161引脚图74ls161功能表如表2.2表1.2 74ls161功能表2.1.3译码器及显示电路译码器采用4线7线译码器74ls48并驱动七段数码管发光。电路接线图如图所示。图2.6 译码及显示电路原理图发光二极管（led）由特殊的半导体材料砷化镓，磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式led显示器件（半导体显示器）。分段式显示（led数码管）由7条线段围成“日”字型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通。只要按规律控制各发光段的亮，灭就可以显示各种字形或符号数字显示方式目前以分段式应用最普遍，图5.3.6表示七段式数字显示器利用不同发光段组合方式，显示015等阿拉伯数字如图2.7图2.7 bcd码七段数字显示器发光光段显示组合图74ls48七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。 7448的功能表如表5.3.4所示，它有3个辅助控制端lt、rbi、bi/rbo,现简要说明如下：1. 灭灯输入bi/rbobi/rbo是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当bi/rbo作输入使用且bi0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入ag均为0，所以字形熄灭。2. 试灯输入lt当lt0时，bi/rbo是输出端，且rbo1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1,显示字形8。该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。表1.3 74ls48功能表3.动态灭零输入rbi当lt1，rbi0且输入代码dcba0000时，各段输出ag均为低电平，与bcd码相应的字形熄灭，故称“灭零”。利用lt=1与rbi=0可以实现某一位的“消隐”。此时bi/rbo是输出端，且rbo=0。4. 动态灭零输出rbobi/rbo作为输出使用时，受控于lt和rbi。当lt1且rbi0，输入代码dcba=0000时，rbo=0；若lt=0或者lt1且rbi1，则rbo=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。从功能表还可看出，对输入代码0000，译码条件是：lt和rbi同时等于1，而对其它输入代码则仅要求lt1，这时候，译码器各段ag输出的电平是由输入bcd码决定的，并且满足显示字形的要求。74ls48引脚图如图2.8所示。图2.8 74ls48引脚图2.1.4 时钟控制电路时钟是进入计数器还是停止是有rc电路来实现控制的，当开关没有闭合时4.7uf电容上端电压为+5v，下端为0v此时反相器输入端为“h”电平，从而输出为“l”电平，所以此时与非门输出恒为高电平，时钟不能通过与非门。当摁下按钮开关时，4.7uf的电容会放电，其上的电荷很快变为0。然后电流通过与+5v连接的100k电阻流过开关，不会通过电容。这样反相器的输入就会变为“l”电平，输出也相应变为了“h”电平，此时时钟信号可以通过与非门，从而控制计数器进行正常计数。当开关闭合后又断开时，来自+5v的电流通过100k的电阻流向4.7uf的电容，使电位逐渐升高。在电容上端电压从0v逐渐升高到反向器的阀值电压vt+后，反向器输出变为低电平，使时钟不能再通过与非门。其电路接线图如下。如图2.9所示。图2.9 时钟控制电路但是在电容电压上升的过程中会出现一定的延时，这样就使得不是开关一断开，计数器就停止计数，而是在通过rc时常数电路延时一段时间后计数器才停止计数。实际上这一段延时大有意义，只要rc时常数点路延时的时间远大于时钟脉冲一个周期的时间，就可以在开关断开后，计数器还在计数（相当于骰子在人掷出去后还在不停滚动，等过了一定时间才会停止）。如果是换成单刀双掷开关，则计数器计数的时间（骰子滚动的时间）会受人的控制，这与实际不符。所以加一个rc时常数电路大有裨益。以上是第一个方案电路各模块的电路分析。2.2 第二种方案设计思路2.2.1 时钟发生电路第二种方案采用555定时器组成的多谐振荡器作为时钟脉冲产生电路。555定时器是一种集模拟，数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和转换，还常用于控制与检测电路中1） 电路接线如图2.10所示图2.10 555接线图2）555定时器的电路结构如图2.11所示。图2.11 555定时器内部电路结构3）555定时器引脚分布如图2.12所示图2.12 555引脚图4）555定时器原理及功能表 1. 555定时器原理：555定时器内部电路由电压比较器c1和c2，rs触发器和集电极开路的三极管t三部分组成。555定时器有两个输入端，一个输出端，共8个引脚。器件的第6脚接电压比较器c1的反相输入端，称为阈值端，用符号th来标注；第2脚接电压比较器c2的同相输入端，称为触发端，用符号 来标注；第5脚是控制电压输入端，用符号vco来标注；第4脚是rs触发器的复位端；第3脚是信号输出端，第1脚是接地端，第8脚是电源电压输入端。，当第5脚悬空时，第8脚所接的电源电压vcc经三个5k的电阻r分压，电压比较器c1同相输入端的电压为 ，该电压是电压比较器c1的参考电压；电压比较器c2反相输入端的电压为 ，该电压是电压比较器c2的参考电压。555定时器的工作原理是：当输入电压 时，电压比较器c1反相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器c1的反相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器c1的输出电压为正极性的信号，即高电平信号“1”；电压比较器c2同相输入端的输入电压小于参考电压，相当于在电压比较器c2的同相输入端输入一个负极性的信号，电压比较器c2的输出电压为负极性信号，即低电平信号“0”；rs触发器被置位，输出电压u0等于1。当输入电压 时，ui2从 变化到 时，电压比较器c1反相输入端的输入电压小于参考电压，电压比较器c1的输出电压为高电平信号“1”；电压比较器c2同相输入端的输入电压从小于参考电压变化到大于参考电压，电压比较器c2的输出电压从低电平信号“0“变为高电平信号“1”；rs触发器处在保持的状态，保持 时的输出状态，输出电压u0等于1。当输入电压 时，电压比较器c1反相输入端的输入电压大于参考电压，相当于在电压比较器c1的反相输入端输入一个正极性的信号，电压比较器c1的输出电压为负极性的信号，即低电平信号“0”；电压比较器c2同相输入端的输入电压大于参考电压，相当于在电压比较器c2的同相输入端输入一个正极性的信号，电压比较器c2的输出电压为正极性信号，即高电平信号“1”；rs触发器被复位，输出电压u0等于0。当输入电压 时，ui1从 变化到 时，电压比较器c2同相输入端的输入电压大于参考电压，电压比较器c2的输出电压为高电平信号“1”；电压比较器c1反相输入端的输入电压从大于参考电压变化到小于参考电压，电压比较器c1的输出电压从低电平“0”变为高电平“1”；rs触发器处在保持的状态，保持 时的输出状态，输出电压u0等于0。2. 555 定时器功能表如图表1.4 555定时器功能表在本次电路中555定时器是构成了多谐振荡器。其振荡波形如图2.13所示。图2.13 555定时器的振荡波形用555定时器组成的多谐振荡器如图4.2所示。接通电源后，电容c2被充电，当vc上升到2vcc/3 时，使vo为低电平，同时放电三极管t导通，此时电容c2通过r1和t放电，vc下降。当vc下降到vcc/3 时，vo翻转为高电平。电容c放电所需的时间为tpl=r1cln2.当放电结束时t截止，vcc将通过r1. r2向电容器c充电，vc由vcc/3上升到2vcc/3 所需的时间为tph=( r2+ r1)ln2.当vc上升到2vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图2.14所示。其振荡频率为 f=1 /(tpl+tph)=1/(2r1+r2)cln2 所以根据图中参数 f=100hz,因为电路有干扰存在所以仿真结果与实际计算有出入。图2.14 由555定时器组成的多谐振荡器2.2.2 六进制计数器第二种方案的六进制计数器是采用d触发器构成的非同步型计数器。用非同步型计数器制作n进制计数器时，要把触发器并列并对它的输出解码，当为n的时候对整个计数器复位。图2.15是由d触发器构成的非同步型六进制计数器的电路图。 图2.15 d触发器构成的非同步型六进制计数器d触发器特征方程。d触发器引脚图如图2.16图2.16 d触发器引脚图d触发器功能表如表1.5所示。表1.5 d触发器功能表dqnqn+1功能000qn+1=0，置0010101qn+1=1，置1111当set=1时，无论d=0还是d=1，qn+1=1；当reset=1时，无论d=0还是d=1，qn+1=0；当set=1，reset=1时，qn+1=1。以二进制计数器为基本器件，共有六种状态，而4 68，所以需要3个d触发器。六进制的输出变化为0123450所以在输出为6的瞬间所有d触发器复位。因为骰子的输出为1到6，所以必须将计数器0到5的输出通过逻辑门电路改为1到6。则列出真值表如表1.6所示。表1.6 计数器输出与译码器输入转换的真值表计数器输出译码器74ls48输入qzqyqxdcba0000001001001001000110110100100010110101101100001用卡洛图分析可得d=0,c=z+xy,b=xy,a=-x所以只需要将qz qy qx接相应的门电路并输出到74ls48的a,b,c,d就可以实现0到5与1到6的转换。所用的与非门电路为74ls00 其引脚图如图2.17图2.17 74ls00引脚图其功能表如表1.7所示表1.7 74ls00功能表所用的异非门电路为74ls86其引脚图如图2.18图2.18 74ls86引脚图其功能表如表1.8所示表1.8 74ls86功能表所用的与门电路为74ls08其引脚图如图2.19图2.19 74ls08引脚图其功能表如表1.9所示表1.9 74ls08功能表所用的非门电路为74ls04其引脚图如图4.11图2.20 74ls04引脚图其功能表如表1.10所示表1.10 74ls04功能表所用的或门电路为74ls32其引脚图如图2.21图2.21 74ls32引脚图其功能表如表1.11所示表1.11 74ls32功能表2.2.3 译码器及显示电路此部分电路与第一种方案的相同。2.2.4时钟控制电路此部分电路与第一种方案的相同。2.3方案比较与选择2.3.1 方案比较在焊接电路板时，我选择的方案是第一种，第一种方案与第二种方案相比显著的优点是简洁，清晰。时钟部分功能两者相差不大，均可实现所要求的功能。但是在将其焊接在万用板上时，第一种方案的施密特反相器跟利于焊接。产生时钟的振荡电路采用rc振荡电路，而没有采用石英晶体振荡电路的原因是。虽然rc振荡电路在稳定性上比不上石英振荡电路。但是优点是容易通过改变电容器或者电阻值来调整振荡频率。而且价格便宜。所以选择rc振荡电路。计数器部分，由于第一种方案是用的集成计数器，所以其比第二种方案由分立元件搭成的计数器要简单得多。在消耗很少的元件上就可以实现所要求的功能。译码及显示部分两者大致相同。2.3.2 方案选择通过以上分析可知，方案一优于方案二，所以选择方案一。3 硬件设计3.1电路板焊接这次我们是将电路焊接在万用板上。我们硬件设计的过程是首先焊接电源及总开关，并接上电源指示灯。然后再焊接集成施密特反相器74hc14，并接好相应的电阻和电容。其次再焊接时钟控制电路，并对照74ls00的引脚图和功能表将时钟输出和时钟控制电路输出接在同一个与非门上，然后再接上集成计数器74ls161，并接好相应的附属电路，最后再接上译码器74ls48和七段数码管。到此整个电路焊接完毕。3.2 调试过程和技巧我们知道焊完电路板只是完成了一小部分，重要的是电路板的调试过程。这样才能完成电路所要求的功能。在当天焊完电路板后，我们迫不及待的接上了电源，但是结果却不容乐观，只是数码管亮着并且只显示0，以往在数电实验中的经验告诉我是时钟脉冲出了问题，但是为了保险起见，我们断开了计数器，给电源上电后，我们首先检查译码和显示，译码器的输入从0000（b）一直到1111(b)都是正常的,这说明译码和显示是正确的，然后我们用相同的方法检查了各模块，最后我们用排除法证明，问题肯定是出在时钟脉冲上面，最后果然是时钟脉冲的电阻接错了，改掉后电路就开始正常工作了，我们相当兴奋。这次调试过程中我们用了示波器去检查脉冲，一开始就发现了它有问题。但是为了保险，我们也测试了其他部分的模块。在这次调试过程中，我们通力合作，配合的相当愉快，效率相当高，只用了1个小时就解决了问题。4 收获及体会这次课程设计丰富了我的知识，同时让我更加牢固的掌握了学习过的电路基础，模拟电子技术基础，数字电子技术基础等课程，这次在真正的焊接电路板之前，设计方案首先是经过了multisim10.0仿真软件的验证，在使用该仿真软件的过程中，我收获了很多，更加熟练的掌握了该软件，以前很多不知道的地方在这次使用中都逐渐掌握了。这次课程设计同时让我知道理论跟实际是有很大差距的，在以后学习和生活中我会不仅认真学习书本上的理论知识，还会多焊接电路板，增强实际的历练，这样才能更好的学习知识，理论联系实际，才能得到长足的进步。结束语这次设计是通过查阅各种资料、以及同同学讨论并且独立思考设计出来的。在设计过程中，我用到了前一两个学期所学过的数字电路部分中的各种芯片，如：74ls14和555定时器以及计数器74ls161等。因此，我对他们的功能和运用有了更深一步的了解。同时通过软件multisim10.0对电路进行模拟仿真，从而使设计结果得到了验证。通过这次课程设计环节，我了解到模拟电路和数字电路之间的联系，使我对单元功能电路的了解和运用能力有了一定的提高。通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的