拔河比赛课程设计拔河游戏控制电路.doc

拔河游戏控制电路郑州轻工业学院课程设计任务书题目：_拔河游戏控制电路_专业：_建筑电气10-01_ 学号：_541001040142 姓名：_徐会冰 主要内容、基本要求、主要参考资料等。主要内容1. 阅读相关科技文献。2. 学习protel软件的使用。3. 学会整理和总结设计文档报告。4. 学会如何查找器件手册及相关参数。技术要求1. 要求电路使用9个法官二极管显示拔河过程，开机后只有中间一个发光二级管发亮，即为拔河的中心点。2. 游戏双方各持一个按钮，按钮每按下一次，亮点向本方移动一次，拔河过程中，只有一个发光二级管发亮。3. 亮点移动到任一方终端二极管时，此方获胜，并且此时双方按钮均无作用，输出状态保持，复位后亮点回到中心点。主要参考资料1. 何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月。2. 姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月。3. 王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月。4. 李银华，电子线路指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月。5. 康华光，电子技术基础，高教出版社，2003。完 成 期 限：2012年6月22日指 导 教 师 签 章：_专业负责 人 签 章：_2012年6月15日目录摘要： 本实验使我们进一步掌握数字电子技术的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。本课题的主要任务是让拔河游戏控制电路的电平指示灯由中点向己方延伸，而阻止其向对方延伸。可以设想用可预置的加/减计数器作主要器件，用计数器的输出状态通过译码器控制电平指示灯的显示状态。如当计数器进行加法计数时，发亮的电平指示灯向甲方延伸，相反，进行减法计数时，发亮的电平指示灯向相反方向延伸。当延伸到一方的终点就就把电路锁定，此时双方按键均无作用，只有裁判员按了复位按键双方才能继续下一盘的比赛。本文设计思路如下：用9个发光二极管代替绳子。比赛开始时中间的二极管点亮。以此为拔河的中心点。游戏双方各持一键，按动以产生脉冲，哪方按得快，亮点就向哪方移动，每按一次，亮点就移动一下，当亮点移动到任一方终端二极管时，此方就获胜。这时双方按键均无作用，输出保持。只有通过复位，使亮点恢复到中心线，准备进入下次游戏。 此电路可分为脉冲发生器电路和计数/译码器电路两大部分。脉冲发生器电路部分采用两个与非门组成的基本 RS 触发器构成的去抖电路以 及有与门、与非门构成的整形电路，可以将按钮 A、B 产生的脉冲整形成 占空比较高的信号。计数器电路部分以 74LS/HC192 为主体，译码器采用由集成芯片 CC4514 扩展的 4 线-16 线译码器。芯片 74LS/HC192 根据 UP 端和 DOWN 端的状态来判断进行加计数还是减计数，然后将计数结果输出到由CC4514 构成的译码器，译码器将结果输出到发光二极管。由于 CC4514 输出端为高电平，所以当双方终端二极管对应的输出端有一个为高时即表示游戏结束，双方按键失效。此功能实现可将 74LS192 的输出置数至输入端，使译码器的输出保持，将双方的端二极管对应的输出进行与运算，如果有一个为低则输出为低，再接低电平有效的置数端，实现游戏结束时按键无作用。本课程设计的内容就是采用74LS00、74LS192、4线16线译码器CC4514、74LS02、CC 4518设计的一个电子拔河游戏机，该游戏机具有整形、计数、译码、控制、复位等功能，设计原理简单易懂，所设计的游戏机的游戏规则和真的拔河比赛规则相类似。关键字：去抖电路 CC4514 ，反馈置数 ，电子拔河游戏电路 ，发光二极管 ，集成电路 ，设计思路 ，中心点。第一章 设计任务分析 .4第一节 设计的主要内容与要求 4一 主要内容 4 二设计方法与技术要求 4第二节 对所设计电路的概述 4第二章 电路的线路设计方案与原理分析 5第一节 拔河游戏控制电路的设计思路 5第二节拔河游戏控制电路的设计方案论证 6一 脉冲发生器及去抖电路电路设计6二 整形电路7第三章 编码电路8第一节 加/减计数原理图的设计8第四章 译码器及发光二极管组、反馈的设计9第一节 原理图设计9第二节 芯片资料10第五章 电源电路及发光二级管简介16设计总结18有关参考文献： 19附录1原理图：20附录2元件清单：21第一章 设计任务分析第一节 设计的主要内容及要求一 主要内容（一） 阅读相关科技文献在本次课程设计中需要对电子线路的设计与分析有一定的了解，对于电子技术中的很多基础需要明白。所以对于学生的对一些相关的科技文献的查阅能力提出了一些要求。需要通过查阅相关的科技文献才能把本次课程设计做的满意。（二） 学习protel软件的使用课程设计的过程中，对于所设计的控制电路的各个部分的原理图，器件（本次课程设计中为 74LS193）的引脚图与功能表.真值表等的绘制，需要专门的绘图软件，由于 protel 的普及面比较广，应用比较方便，操作方便等多种原因，所以在本次设计的电路中所需要绘制图表，采用protel绘图软件来绘制。二 设计方法与技术要求（一）（要求电路使用 9 个发光二极管显示拔河过程，开机后只有中间 ：一个发光二极管发亮，即为拔河的中心点。 （二）游戏双方各持一个按钮：按钮每按下一次，亮点向本方移动一次，拔河过程中，只有一个发光二极管发亮。 （三）亮点移动到任一方终端二极管时，此方获胜，并且此时双方按钮均无作用，输出状态保持，复位后亮点回到中心点。第二节 对于所设计电路的概述拔河游戏双方共有 8 个人，甲方 4 个人，乙方 4 个人，需要用到 8 个发光二极管，加上中间的一个发光二极管（即拔河的中心线），一共需要用到 9个发光二极管。由这 9 个 LED 发光二极管组成一排表示拔河的 “电子绳”。游戏双方各持一键，按动以产生脉冲，哪方按得快，亮点 就向哪方移动，每按一次，亮点就移动一下，当亮点移动到任一方终端二极管时，此方就获胜。这时双方按键均无作用输出保持。只有通过复位，使亮点恢复到中心线，准备进入下次游戏。根据设计设计所做的要求，本电路应有七个主要部分组成，如下所示。（一）脉冲产生器 当甲乙双方按动按钮后，分别产生一个信号，加到可逆计数器上（二）可逆计数器 可逆计数器 CC40192（或 74LS192）原始状态输出为四位二进制数 0000，经译码器输出使中间的一只电平指示灯亮（表示目前位于中心线处）可逆计数器输出的代码经译码器译码后驱动点评指示灯点亮并产生移位。（三） 整形电路 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，可以减少进行某一计数时另一计数输入为低电平的可能性，5 从而使每按一次键都有可能进行有效的计数。 （四） 译码器 译码器首先输入为 0000，输出为 1，中心处指示灯首先点亮；当可逆计数器进行加法计数时，指示灯上的亮点向右移（即向甲方移动），当可逆计数器做减法计数时，指示灯的亮点向左移（即向乙方移动）。 （五） 控制器 在电路中使用控制器是为了指出游戏的双方谁胜谁负。当亮点移到任一方的终端时，该方获胜。此时双方的按键均宣告无效。 (六)胜负显示器由计数器CC4518和译码显示器构成。将双方终端指示灯正极经与非门输出后分别接到2个CC4518计数器的EN端，CC4518的两组4位BCD码分别接到实验箱中的两组译码显示器的8、4、2、1插孔上。当一方取胜时，该方终端指示灯发亮，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1位数不够，则进行2位数的级连。（七）电路复位功能 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。拔河游戏原理框图第二章 电路的线路设计方案与原理分析第一节 拔河游戏控制电路的设计思路由上面的要求，可以使用以下步骤来设计电路： 1 .根据分析设计的要求，可明确电路的性能指标。 分析课题要求、性能、指标及应用环境等，搜集部分资料，整理资料，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案： 由对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，之后敲定可行方案。 3 .设计各部分单元电路 总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，对各个单元电路逐个进行设计。 4.组成系统 在一定幅面的图纸上合理布局，按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各个单元电路，并标出必要的说明。第二节 拔河游戏控制电路的设计方案一 脉冲发生器及去抖电路电路设计 由与门74LS08和与非门74LS00构成去抖电路和整形电路。 原理图如图2所示 图2 脉冲发生器电路去抖电路:机械开关接通时，由于振动开关会使电压或电流波形产生“毛刺”，利用基本RS触发器的记忆作用可以消除上述开关振动所产生的影响，设单刀双掷开关原来与B点接通，这时触发器的状态为0。当开关由B拨向A时，其中有一短暂的浮空时间，这时触发器的RS均为1，Q仍为0。中间触点与A接触时，A点的电位由于振动而产生“毛刺”。但是，首先是B点已经为高电平，A点一旦出现低电平，触发器的状态翻转为1，即使A点再出现高电平，也不会再改变触发器的状态，所以Q端的电压波形不会出现“毛刺”现象。基本RS触发器功能表 RSQ10101011不变00不定二 整形电路整形电路：由与门CD4071和与非门74LS00构成。因74LS192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，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。 图为整形电路图第三章 编码电路第一节 加/减计数原理图的设计主要由74LS192构成，以及开关和电阻构成的复位电路。 图3 加/减计数器加/减计数器工作原理编码电路：由双时钟BCD同步可逆计数器74LS192构成，它有2个输入端，4个输出端，能进行加减计数。当CPu和CPd为上升沿且另一个为高电平时，开始加或减计数。由于开始工作前有清零步骤所以所以输出的初始状态为0。当CPu为上升沿且CPd为高时，计数器开始加计数，输出由0000变为0001，当再次出现如此状态时依次加计数；当CPd为上升沿且CPu为高时，计数器开始减计数，输出由0000变为1111，当再次出现如此状态时依次减计数。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，前两个与非门组成一个基本RS触发器，在按钮的作用下产生脉冲，后一个与门和两个与非门组成一个整形电路其作用是产生一个占空比很大的脉冲信号，这样就减少某一方在计数时另一方输出为低电平的概率，使甲乙双方都能有效计数。第四章 译码器及发光二极管组、反馈的设计第一节 原理图设计 图 4 译码器及二极管组、反馈部分电路工作原理 电路使用的4线-16线译码器是由两个4线-16线译码器CC4514进行扩展构成。用CC4514实现4线-16线译码器时， 有4个输入端A、B、C、D 和16个输出端，只需要选出9个合适的输出端即可。译码器接受上级的输出信号将其译码并在相应的输出端输出，输出的有效信号高低电平。在译码器的输出级接一组发光二极管，并且接上限流电阻以保护二极管，二极管阳极接译码器输出，阳极接保护电阻再接地。如此，当译码器某输出端输出高电平时对应的发光二极管发光。当比赛双方的某一方的端二极管发光时比赛结束，此时两个端二极管一个为低一个为高。根据设计要求此时双方的按钮应该失去作用，所以将输出状态反馈至加/减计数器74Ls192的置数端，并将74Ls192的输出接至输入端，让其循环置数。因此，端二极管的电平信号反馈到时须为低电平，将两二极管的信号经过与运算即可。第二节 芯片资料74LS192简介192 为可预置的十进制同步加/减计数器，共有54192/74192，54LS192/74LS192 两种线路结构形式。其主要电特性的典型值如下： 型号 fc PD54192/74192 32MHz 325mW 54LS192/74LS192 32MHz 95mW 192 的清除端是异步的。当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPd、CPu）状态如何，即可完成清除功能。 192 的预置是异步的。当置入控制端（LOAD）为低电平时，不管时钟（CPd、CPu）的状态如何，输出端（QAQD）即可预置成与数据输入端（AD）相一致的状态。 192 的计数是同步的，靠CPd、CPu同时加在 4个触发器上而实现。在CPd、CPu上升沿作用下QAQD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPd或CPu，此时另一个时钟应为高电平。 当计数上溢出时，进位输出端（TCd）输出一个低电平脉冲，其宽度为 CPu 低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（TCu）输出一个低电平脉冲，其宽度为 CPd低电平部分的低电平脉冲。 当把 TCu和 TCd 分别连接后一级的CPu、CPd，即可进行级联。74HC192引脚图（a）引脚排列 (b) 逻辑符号注：引出端符号 TCu 错位输出端（低电平有效） TCu 进位输出端（低电平有效） CPu 减计数时钟输入端（上升沿有效）CPd 加计数时钟输入端（上升沿有效） MR 异步清除端 AD 并行数据输入端 PL 异步并行置入控制端（低电平有效）QAQD 输出端图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端， 为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。4HC192 功能表如下： 输入 输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011 加计数011 减计数简要说明： 引脚图 4线-16线译码器功能表 由CC4514构成的4线-16线译码器功能表将上述各各部分模块组合在一起，就构成了拔河游戏控制电路原理图，生成相应的PCB板图，购买元器件就可以做出实物，简易而实用。74LS00简介及功能表74LS00简介 74LS00 为四组 2 输入端与非门 （正逻辑） ， 共有 54/7400、 54/74H00、 54/74S00、 54/74LS00四种线路结构形式，74LS08为四组 2 输入端与门（正逻辑），共有 54/7408、54/74S08、54/74LS08 三种线路结构74LS00管脚图：74LS00功能表74LS08功能表及管脚图74LS08功能表：四2输入与门74ls08引脚图，功能及主要参数74LS08管脚图第五章 电源电路及发光二级管简介此电源输出电压为5V，因此220V经变压器变压后输出电压要略为大于5V，经过整流、滤波、稳压后输出比较稳定的5V电压。发光二极管简介发光二极管 发光二极管是一种半导体显示器件，简称为LED.由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发荧光。发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；它与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性.当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出，从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关.实验设计中的发光二极管串联在电路中作为显示器件，其正向电压为1.5V2.2V,工作电流为10mA。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管，它们的材料和主要特性大致如下表3-13所示： 表3-4 LED的材料和主要特性类型发光颜色最大工作电流（mA）一般工作电流（mA）正向压降（v）磷化镓红色LED红501023磷砷化镓LED红501015碳化硅LED黄50106磷化镓绿色LED绿501023发光二极管的反向击穿电压约5伏.它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流.限流电阻R可用式3-2计算： R（EUF）IF （3-1） 式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流.发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极.有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极.与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱.由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。设计总结拔河游戏控制电路主要运用了数电中去抖电路、整形电路的知识以及数字集成电路74HC192和CC4514的外接和扩展，并且使用了反馈置数的方法。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的就是查阅了大量的设计资料。为了使自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的。在设计的过程中，我再一次了解了集成芯片74HC192 CC451474LS00和74LS08功能特性，并且和课本上所学的集成芯片作比较，是自己对这一块的知识认识的更为深刻。另外，通过画Protel原理图，学会了有关Protel的不少基础知识。 经过一个多星期的努力和付出的汗水，终于把课程设计做完了。真是不容易呀，一份耕耘，一份收获。这次课程设计给了我许多收获。本次课程设计后我对数字电子技术有了更进一步的熟悉，实际操作和课本上的知识有