电子技术课程设计-电子拔河游戏机设计.doc

电子拔河游戏机设计目录摘要和关键词.10 绪论.21 设计任务及要求.2 1.1设计任务.2 1.2 要求.2 1.3 评析.32 方案比较与论证.3 2.1 三种方案.3 2.2 三种方案的对比与选择.73 系统硬件设计.7 3.1 系统总体设计图.7 3.2 单元电路的设计.8 3.3 电路工作原理.12 4 电子拔河游戏机控制电路仿真运行.13 4.1比赛开始前置零.13 4.2比赛中的两种情况.13 4.3比赛结束.145系统的调试组装.15 5.1电子拔河游戏机电路原理图.15 5.2PCB版图.176 设计感想.187 参考文献.188 附录.19 8.1附录一.19致谢.20电子拔河游戏机控制电路论文全套设计加扣3012250582 摘 要：Multisim是现下比较流行的以Windows为基础的仿真工具，Protel 99 SE是进行电子设计最有用的软件之一。本题主要是利用Multisim设计一个电子拔河游戏机电路并进行仿真模拟。然后利用Protel 99 SE进行PCB版的设计。关键字：电子拔河游戏机；Multisim；Protel 99 SE；PCB版图0 绪论Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Protel在电子行业的CAD软件中，他当之无愧地排在众多EDA软件的前面，它具有原理图设计、印刷电路板（PCB）、设计层次原理图设计、报表制作、电路仿真以及逻辑器件设计等功能，是进行电子设计最有用的软件之一。几乎所有的电子公司都要用到它。现在比较常用的是Protel 99 SE， protel DXP和最新高端版本Altium Designer 等。其中Protel 99 SE是基于Windows环境下开发的电路板设计软件。在本次电子技术课程设计中，要求用Multisim 11.0进行电路模拟仿真设计，然后在Protel 99 SE中画出原理图，并生成PCB板。1 设计任务及要求1.1设计任务： 设计一个能容纳甲乙双方及裁判的三人拔河游戏机电路，当一方获胜时电路停止工作，复位归零。1.2要求： （1）设计一个模拟拔河游戏机比赛的逻辑电路。 （2）电路使用15个发光二级管，开机后只有在拔河绳子中间的发光二级管亮。 （3）比赛双方各持一个按钮，快速不断地按动按钮，产生脉冲。谁按得快，发光二级管就像谁的方向移动，每按一次，发光二级管移动一位。 （4）亮的发光二级管移到任一方的终点时，该方就获胜，此时双方的按钮都应无作用，保持状态。只有当裁判按动复位后，在拔河绳子中间的发光二极管重新亮。 （5）用七段数码管显示双方的获胜盘数。1.3题目评析本题是要设计一个电子拔河游戏机，对我们学习的多个方面都有很大帮助：（1）可以帮助熟悉模拟电路应用与集成电路的引脚排列；（2）掌握常用芯片的逻辑功能及使用方法；（3）帮助我们熟悉电路仿真软件Multisim11.0的使用；（4）熟悉Protel 99 SE的使用，会建立自己的元件库，能够将库中的原件导出使用，画出原理图。能够通过原理图生成PCB版图；（5）了解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设计与制作；（6）设计电子拔河游戏机具有实际使用价值。2 方案比较与论证2.1三种方案2.1.1 方案一 图2.1为方案一的流程图 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取胜显示控制电路中心线显示复位图2.1 方案一流程图 编码电路由双时钟二进制同步可逆计数器74LS193D构成，它有两个输入端，4个输出端，能进行加/减计数。通过编码器来控制电平指示灯的显示，加计数时右移动，进行减计数时，向相反方向移动。 整形电路由与门74LS08和与非门74LS00构成。可以A、B二键出来的脉冲经整形后变成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，从而使每一次键都有可能进行有效的计数。 译码电路由4514BD构成。译码器的输出X1X15个接电平指示灯，电平指示灯的负端接地，而正端接译码器。 控制电路由异或门74LS05和或门74LS32构成，其作用是指示出谁胜谁负。 胜负显示由计数器4518BD和译码器显示器构成。将双方终端指示灯正极经与非门输出后分别接到2个4518BD计数器的EN端，4518BD的两组4位BCD码分别接到试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。 复位控制由74LS193的清零端CR接一个电平开关，作为一个开关控制，进行多次比赛而需要的复位操作，使亮点返回中心点。4518BD的清零端R0也接一个电平开关，作为胜负显示器的复位来控制胜负计数器使其重新计数。2.1.2 方案二输入信号电路控制电路计数器译码器乙方得分甲方得分译码绳时钟信号图2.2 方案二流程图 本方案中，有效输入信号代表的是拔河的力度的相对大小。则当A=1，B=0时，表示甲的力度比乙的力度大；当B=1，A=0时，表示乙的力度比甲的力度大；当A=1，且B=1时，表示甲的力度与乙的力度一样大；当A=0且B=0时，表示甲、乙均还未开始拔河。当裁判员下达比赛开始命令后，比赛开始，甲、乙中的任意一方输入有效信号后，计数器开始计数。若甲输入有消信号时，进行加计数；若乙输入有效信号时，进行减计数。电子绳的LED开始移动；当甲、乙同时输入有效信号时，电子绳上点亮的LED灯不再移动。当一局比赛结束后，电子绳上某一头的LED保持亮，此时，甲、乙的输入信号不再有效，计分电路此时记录并显示甲、乙总共的比赛成绩。当裁判下达下一局比赛开始的命令后，比赛才能开始，甲、乙输入信号才有效。当一局比赛结束，即发亮的LED延伸到某方终点时，由点亮该终点灯的信号使电路封锁加减脉冲信号的作用，即实现电路自锁，使加减脉冲无效。同时，使计分电路自动加分。控制电路部分应能控制由振荡器产生的脉冲信号进入计数器的加减脉冲输入端，其进入方向则由参赛双方输入的按键信号决定。 输入信号与控制电路设计：甲乙方输入用开关A,B代替，甲乙输入能互相控制，即在有效时间里甲先输入则甲有效，乙先输入则乙有效任一方到终点获胜后，另一方输入无效。一个输入信号控制电路，由两个基本RS触发器、两个电阻与一个开关来实现信号的输入，即是否用力拔河。(有0出1，全1出0)甲、乙脉冲信号的产生通过石英晶体振荡或多谐振荡产生，本电路直接采用了仿真软件中的脉冲信号（脉冲信号发生装置如图2.3所示）：图2.3 脉冲信号的产生 当输入有效输入信号时，计数器开始工作，开始计数，当甲输入有效信号时计数器加计数，当乙输入有效信号时计数器减计数。上局比赛结束，本局比赛未开始时，由裁判员控制电路是否开始本局比赛。开关R实现计数器置数为8，此时刚好17个LED中间的那个亮。 由于一个74LS192加/减计数器只能实现10位数计数，要实现17位计数应采用两个74LS192加/减计数器。当第一个74LS192加/减计数器由“1001”变为“0000”时，第一个74LS192加/减计数器向第二个74LS192加/减计数器进一位。 译码器主要是将计数器的输出进行译码，实现每个输出端代表一个不同输入信号。由于一个74LS138译码器只能进行八进制译码，要进行17位译码，需要三个74LS138译码器进行译码。 计分电路用于记录并显示甲、乙双方比赛得分成绩。当甲、乙双方任意一方在一局比赛中获胜，比赛结束，记录并显示一方的成绩。计分电路同样采用了74LS193加/减计数器。当电子绳的一头的LED灯亮时，比赛结束，计分电路74LS193加/减计数器获得一个计数脉冲，计数器加计数一下，获胜方成绩加一分，输的一方成绩不变。当下一场比赛开始时，通过清零开关使计分电路的计数为0，从新计数。 2.1.3 方案三本课题可以采用两片74LS192（如图2.1所示）代替74LS193，先将两片74LS192连成100进制的可逆，然后将其改成十六进制的计数器。用一全加器将两片74LS192的输出信号八位转化成四位，再按给4514的输入端。图2.1 74LS192引脚图控制电路也可以由异或门74LS86（如图2.2所示）和与非门74LS00构成。将双方终端指示灯的正接至异或门的2个输入端，当获胜一方为“1”，而另一方为“0”，异或门输出为“1”，经与非门产生低电平“0”，再送到两74LS192计数器的置数端，于是计数器停止计数，处于预置状态。此时，同样将各自计数器数据端和输出端对应相连，则输入也就是输出，从而使计数器对脉冲不起作用。如图2.2 74LS86引脚图 其他电路保持不变。2.2 三个方案的对比与选择 三个方案对比，明显方案一优于方案二和方案三，方案二和方案三的芯片使用数量明显多于方案一，方案二用了四块七段数码管，方案三要多加一块计数器，这样无疑增加了电路的成本。且方案一的连接较为简单。担当没有74LS193时，我们可以用方案三代替方案一。所以在方案的选择上一般选择方案一。3 系统硬件设计3.1 系统总体设计图 如图3.1所示为电子拔河游戏机的总体设计电路图图3.1 电子拔河游戏机总体设计图3.2 单元电路的设计3.2.1 编码电路的设计 由双时钟二进制同步可逆计数器74LS193构成，它有两个输入端，4个输出端，能进行加/减计数。通过编码器来控制电平指示灯的显示，加计数时右移动，进行减计数时，向相反方向移动。电路图如图3.2所示：图3.2 编码电路设计图3.2.2 整形电路设计 由与门74LS08和与非门74LS00构成。因74LS193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成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，从而使每一次键都有可能进行有效的计数。电路图如图3.3所示： 图3.3 整形电路设计图（1）74LS08D与非门 74LS08D引出端符号： A B 输入端 Y 输出端如图3.4为74LS08D引脚图，表3.1为74LS08D的逻辑功能图： 图3.4 74LS08D引脚图表3.1 74LS08D逻辑功能图 Y = ABINPUTOUTPUTABYLLLLHLHLLHHH(2)74LS00D与非门 74LS00D引出端符号： A B 输入端 Y 输出端 如图3.5为74LS00D引脚图，表3.2为74LS00D的逻辑功能图：图3.5 74LS00D引脚图表3.2 74LS00D逻辑功能表INPUTOUTPUTABYLLHLHHHLHHHL3.2.3 译码电路 由4514BD构成。译码器的输出X1X15个接电平指示灯，电平指示灯的负端接地，而正端接译码器：这样，当输出为高电平时电平指示灯点亮。比赛准备，译码器输入为0000，X1输出为1，中心处只是灯首先点亮，当编码器进行加法计数时，亮点向由移，进行减法计数时，亮点向左移。译码电路图如图3.6所示：图3.6 译码电路设计图3.2.4 控制电路 由异或门74LS05和或门74LS32构成，其作用是指示出谁胜谁负。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。将双方终端指示灯的正接至异或门的2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”，经与非门产生低电平“0”，再送到74LS193计数器的置数端，于是计数器停止计数，处于预置状态，由于计数器数据端D0,D1,D2,D3和输出Q0,Q1,Q2,Q3对应相连，输入也就是输出，从而使计数器对脉冲不起作用。控制电路图如图3.7所示：图3.7 控制电路设计图3.2.5 胜负显示 由计数器4518BD和译码器显示器构成。将双方终端指示灯正极经与非门输出后分别接到2个4518BD计数器的EN端，4518BD的两组4位BCD码分别接到试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。胜负显示电路图如图3.8所示：图3.8 胜负显示设计图3.2.6 复位控制 74LS193的清零端CR接一个电平开关，作为一个开关控制，进行多次比赛而需要的复位操作，使亮点返回中心点。 4518BD的清零端R0也接一个电平开关，作为胜负显示器的复位来控制胜负计数器使其重新计数。3.3 电路工作原理 可逆计数器74LS193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电平指示灯X1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电平指示灯点亮并产生位移，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。将双方终端指示灯的正端分别经两个与非门后接到2个十进制计数器4518BD的使能端 EN，当任一方取胜，该方终端指示灯点亮，产生1个下降沿使其对应的计数器技计数。这样，计数器的输出即显示了胜者取胜的盘数。 4 电子拔河游戏机控制电路仿真运行 4.1比赛开始前置零拔河比赛开始前，即初始状态双刀开关J1和J4接电源置零，中间的发光二级管X15亮，如图4.1所示：图4.1 拔河比赛开始前电路状态4.2比赛中的两种情况（1）拔河比赛开始，开启开关J1和J4。当向右边移动时，J3开关进行一次换挡再回挡。如图4.2所示：图4.2 拔河比赛开始后向右移动电路状态 （2）当向左边移动时，J2开关进行一次换挡再回挡。紧接着上面步骤可以看出灯X15再次亮起，如图4.3所示：图4.3 拔河比赛开始后向左移动电路状态 4.3比赛结束 当一方获胜时，游戏结束。此时无论再怎么按按钮都不会使七段数码管U7，U8 的数字改变。如图4.4所示，为左方获胜，U8显示由“0”跳到“1”：图4.4 左方获胜电路状态5系统的调试组装5.1电子拔河游戏机电路原理图图5.1 电子拔河游戏机电路原理图5.2 PCB版图图5.2 电子拔河游戏机PCB版图6 设计感想 课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此次电子拔河游戏机课程设计，感慨颇多。从