投弹游戏机 数电课程设计.doc

长 沙 学 院数电课程设计说明书题目投弹游戏机系(部)专业(班级)姓名学号指导教师起止日期数字电子技术课程设计任务书(18)系（部）： 专业： 指导教师课题名称投弹游戏机设计设计内容及要求基本要求10个LED顺序点亮（移动速度可变），如果能够在点亮的同时将小球投中目标，则发出1000Hz庆贺声主要参考元器件555，CD4017，CD4001设计工作量1、系统整体设计；2、系统设计及仿真；3、在Multisim或同类型电路设计软件中进行仿真并进行演示；4、提交一份完整的课程设计说明书，包括设计原理、仿真分析、调试过程，参考文献、设计总结等。进度安排起止日期（或时间量）设计内容（或预期目标）备注第一天课题介绍，答疑，收集材料第二天设计方案论证第三天进行具体设计第四天进行具体设计第五天编写设计说明书教研室意见年 月 日系（部）主管领导意见年 月 日长沙学院课程设计鉴定表姓名学号专业班级设计题目指导教师指导教师意见：评定等级： 教师签名： 日期： 答辩小组意见：评定等级：答辩小组长签名：日期：教研室意见：教研室主任签名： 日期： 系（部）意见：系主任签名：日期：说明课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类；目录前言.第一章 设计要求. 第二章 系统设计方案及选择.21 方案1.22 方案2. 第三章 第三章系统组成及工作原理. 31 脉冲发生器部分. 32 计时器及LED显示部分. 33 延时电路. 34 音频振荡部分. 35 系统总图及整体工作原理. 3.5.1系统原理图. 3.5.2系统工作过程及原理.第4章 作品调试及结果分析. 41 作品调试. 42 结果分析. 43 制作过程中的结果分析. 第五章 实验结果及体会. 第六章 心得体会. 参考文献. 前言 投弹游戏机是一种主要用于娱乐，使用只向获得许可的软件开发者开放的源代码，以电视机或其他专用显示器以及专用输入设备的电脑系统。其与PC机最大的区别在于源代码和软件的封闭性。广义来讲人类用来进行游戏的机械电子装置都可称作游戏机随着电子技术信息产业的长发展以及电影漫画产业的带动投弹游戏机便成为了游戏机的实际代表，由于其更专业化的游戏性表现，因此即便电脑水平如此发达的今天，PC游戏仍然无法替代游戏机的强势地位。投弹游戏在1970年代开始以一种商业娱乐媒体被引入，成为1970年代末日本、美国和欧洲一个重要娱乐工业的基础。在1983年美国游戏业萧条事件及继而重生后的两年，电子游戏工业经历了超过两个年代的增长，成为了达100亿美金的工业，并与电影业竞争成为世界上最获利的娱乐产业。投弹游戏早期是以主机运算、图形性能、以及主要储存媒介为世代区分标准。平均大约一个世代历时五至六年。时代之间的游戏机性能差别很大。 投弹游戏早期是以主机运算、图形性能、以及主要储存媒介为世代区分标准。平均大约一个世代历时五至六年。世代之间的游戏机性能差别很大。1972年，电子游戏踏入第一期，当时所谓的游戏机主要是能用手柄控制电视屏幕上光点移动的装置，每部游戏机也只能玩特定的一种游戏；第二期，游戏机开始能通过卡带更换不同游戏，使游戏开始变得多元化；第三期之后游戏类型多样化、网络化、游戏机可携化、游戏开发专业化，其进步不但如卡通般伴随几代人成长外，其获利模式及与伦理道德间的关系亦值得深思。在科学技术发展的今天，不仅世界是日新月异，而且电子产品也是不断更新。但是千变万变不离其踪，只要我们有坚实的、牢固的知识作后盾，并且不断学习外界的各种先进的科学文化知识，就可以构筑自己知识的大厦，在自己今后的人生道路上迈出稳健的步伐。这次实践使我认识到我现在所学的知识还远远不够，在实际操作应用中有些问题还不能解决，所以我要在今后的学习中更加努力，学好自己的专业知识以充实自己，来适应日新月异的现代社会。第一章 设计要求设计题目：数字投弹游戏机设计任务：（1）复习数字电路中芯片的真值表及其实现功能 （2）根据原理框图设计出其电路原理图，并通过仿真看其实现功能。 （3）焊接出电路并通过调试最终实现其功能。基本要求：10个LED顺序点亮，如果能在点亮的同时将小球投中，则发出1000Hz的庆贺声。系统由无稳态多谐振荡器，十进制计数器，R-S触发器电路,音频震荡器，喇叭驱动电路组成。参考元器件：555、CD4017、CD4001 第二章 系统设计方案及选择方案选择满足上述设计要功能可以实施的方案很多,现提出下面两种方案2.1方案第一部分：利用NE555构成占空比及频率可调的脉冲发生电路（多谐振荡电路）；第二部分：由CD4017计数器对由NE555产生的脉冲进行编码、译码和分配工作，其输出信号用于控制LED的点亮；第三部分：利用CD4001因投弹产生的信号进行延时控制LED灯亮时长，并由CD4001中的或非门构成的音频振荡器驱动蜂鸣器，发出一定频率的祝贺声。其工作的原理框图如图2.1所示555脉冲形成电路十进制移位LED显示 按钮延时电路 无稳音频振荡 扬声器 图2.1方案一原理框图 1）555脉冲形成电路：由555芯片、电阻和电容组成占空比可调的无稳态多谐振荡器,产生时钟脉冲；2）十进制移位计数器：使10个LED顺次点亮；3）LED显示；4）按钮：在小球投中时,产生一脉冲信号；5）延时电路：产生的脉冲信号,经延时电路延时5秒左右；6）无稳音频振荡器：振荡产生1000Hz左右的音频信号；7）扬声器：发出小球投中的“祝贺”音响； 2.2方案第一部分：利用NE555构成占空比及频率可调的脉冲发生电路（多谐振荡电路）；第二部分：由CD4017计数器对由NE555产生的脉冲进行编码、译码和分配工作，其输出信号用于控制LED的点亮；第三部分：传感器接收小球投中的信号，并将该信号传输给下一级；第四部分：信号经由或非门构成的延时电路产生延时；第五部分：用555构成的音频振荡受信号控制产生振荡，以驱动蜂鸣器工作如图2.2所示,该方案除传感器和555音频振荡器外,其它部分,均与方案相同555脉冲形 十进制移位 LED显示图2.2555音频振荡器 延时电路 传感器 扬声器 1)传感器：接收小球投中的信号,并传给下一级电路2)555音频振荡器：由555芯片产生一1000Hz左右的音频信号综上所述，我们可以发现方案结构简单,易于实现,但精度底；方案电路结构复杂,成本高,精度也高。根据设计要求,在满足设计要求的前提条件下,应尽量简化电路,降低成本,故选择方案。 第三章 系统组成及工作原理3.1脉冲发生器部分：矩形脉冲发生器的设计电路如下图所示3.2计时器及LED显示部分： 由于要使LED依次移动，故选择十进制计数器CD4017，CD4017是由计数器和译码器两部分电路组成。CD4017有3个输入端：复位端R，时钟端CP（上升沿输入端）和时钟端CPE（也叫EN，下降沿输入端）；有十个译码输出端：Q0Q9。在复位状态时，只有Q0表现为高电平“1”状态，其它端均为低电平“0”状态。另外还有进位输出端OC，用于级联以构成多位计数器。在选择上升沿作用后，该器件的10个译码输出通常处于低电平且在时钟脉冲由低到高的转换过程中依次进入高电平;每个输出在高电平维持10个时钟周期中的1个时钟周期;第10个输出进入低电平后,进位输出端OC由低电平转换到高电平,并能与时钟允许端连接成n级，以构成多位计数器，实现更广的计数功能。CD4017又称时序脉冲分配器。它的功能是在时钟脉冲的作用下，实现顺序脉冲产生功能，整个输出时序是Q0Q1Q2Q9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。这种计数器的两个时钟输入端CP和EN。当EN端接低电平时，计数脉冲由另一输入端CP输入，在脉冲上升沿时触发计数；当CP端接低电平时，计数脉冲由EN端输入，在脉冲下降沿触发计数。另外，该计数器有复位清零功能，CD4017的复位端是高电平有效，当清零端R接高电平时，输出端Q0输出高电平,将输出初始化，而Q1Q9输出低电平。CD4017计数器的时序波形图如下图所示 时序波形图LED显示部分由十个LED灯和十个按键开关组成，一个按键控制一个LED灯，以模拟投弹系统。3.3延时电路： 电容延时电路由或非门CD4001构成 电容延时电路下图所示： 电容延时电路输入信号由上图U1A的悬空端输入，当该端接收到一个脉冲信号时,输出端OUT（即U1A的输出端）输出低电平,R-S触发器另一输出端（U1B的输出端）由低电平变为高电平,并通过R给C充电,延时约秒，R-S触发器OUT端由低电平变为高电平,使R-S触发器翻转,OUT端由低电平变为高电平,完成延时过程。3.4音频振荡部分音频振荡电路同样由或非门CD4001组成，其电路如下图所示： 音频振荡电路 该电路通过C和R的反馈和反复充放电过程来实现触发器连续不断地翻转，从而使OUT（即图中的U1C的输出端）产生振荡信号，进而驱动下面的蜂鸣器部分电路。投弹游戏机3.5系统总图及整体工作原理3.5.1系统原理图各部分电路进行整合修改，就可以得到如下图所示的投弹游戏机的工作原理图：3.5.2系统工作过程及原理 如上图所示，当开关键A闭合后，NE555芯片开始工作，产生一定频率及占空比的矩形波，其频率由R1、RP1、RP2、C6，实现功能后可调节电位器RP1和RP2来改变矩形波的频率和占空比，其中LED1和LED2分别用来显示输出脉冲的高低电平，当输出脉冲处于高电平时LED2点亮，处于低电平时LED1点亮，因此，可以通过观察这二盏灯是否循环点亮和它们两个的点亮时长来判断第一部分电路是否正常工作及输出脉冲的占空比；555输出的矩形波由管脚3输出到CD4017的CP输入端（上升沿触发），此时CD4017开始工作计时，该芯片的复位清零端（15脚）在由C2和R6构成的微分电路上电后立即变成低电平，不再工作于复位状态，即计数器正常计数，当输入端接收第一个脉冲上升沿时，Q0输出端立即跳变为低电平，与此同时，Q1输出端跳变为高电平以驱动发光二极管LED5，当输入端再接收一个上升沿脉冲时，Q1则变成低电平，其对应的二极管熄灭，同时Q2变为高电平，LED6点亮如此循环，实现了十个LED灯的顺序循环点亮；当在某个灯亮期间闭合与该灯对应的开关时，联系CD4001的桥梁即连通了，使得由计数器对应的高电平使CD4001中的电容延时电路开始工作，不断地进行电平翻转和R10和C7放电，实现延时功能，从而使被投中的那个灯延长点亮时间；再由Y2输出端触发音频振荡电路工作，使之驱动蜂鸣器发出一定频率的声响，从而使电路的功能更加完善，其中LED3用来显示延长时间及蜂鸣时长。 第四章 作品调试及结果分析4.1作品调试 调试过程中用到了直流电压源和数字示波器和调节电位器的起子。通过对电路进行的模块设计及调试可以很清楚地知道出错部分，从而对检查错误提供了方便4.2结果分析 当给整个电路加上5V的直流电压时，闭合开关后可以发现555输出部分的LED1和LED2循环点亮，而且，用起子调节电位器RP1和RP2可以发现二灯的灯亮时长可以出现很明显的改变，这说明了第一部分电路是成功的。同时，第二部分的十个LED灯也可以循环顺序点亮，说明第二部分电路工作正常。闭合某个开关模拟小球投中后，可以观察到LED3点亮的同时蜂鸣器发出声音，同时被投中的那个灯延长了相应的时间，这说明第二部分工作正常。4.3制作过程中的结果分析 此次制作分模块进行，第一部分完成后接上示波器观察555输出，发现输出是尖脉冲，而LED1和LED2的显示表明了产生的波形占空比可调，撇开波形，只要得到上升沿和下降沿即可完成第二部分的工作。 第二部分在制作完成后调试发现十个LED灯未实现循环顺序点亮，经多次检查后发现按键开关不是对角接，从而出现部分LED灯相互短接的情况，经修改后可以正常点亮了，这其中还要注意Q0Q9对应的管脚，可控制灯亮的顺序。 第三部分则是投弹部分，主要看LED3和蜂鸣器是否正常工作，调试中均有预期效果。第五章 实验结论通过一周的设计及制作还有调试，可以得到关于设计制作投弹游戏机的一些结论 1）投弹游戏机的基本组成部分由：脉冲发生、脉冲分配、脉冲显示、信号延时、音频振荡； 2）脉冲发生部分是产生有高低电平（即有上升沿和下降沿）的波，这里是指矩形波，以驱动计数器计数，此部分电路可由函数信号发生器代替工作； 3）计数器的选择可以不是十进制的，只要可以驱动多个LED灯顺序循环点亮即可； 4）此设计中的CD4001是本设计的精华部分，可实现多个特色功能，如延时等，这样就可以清楚地观察到被投中的灯是哪一盏； 5）投弹游戏机中有效利用LED灯显示相关功能，以帮助制作者检查错误； 6)投弹游戏机是一个简易的“老虎机”的制作，该制作较清晰地呈现了其工作模块及相应的原理 第六章 心得体会 经过这次课程设计，我明白了许多事情，领悟到了很多道理。在科学技术叙述发展的今天，不仅世界是日新月异，而且电子产品也是不断更新。但是千变万变，万变不离其踪，只要我们有坚实的、牢固的知识作后盾，并且不断学习外界的各种先进的科学文化知识，就可以构筑自己知识的大厦，在自己今后的人生道路上迈出稳健的步伐。这次实践使我认识到我现在所学的知识还远远不够，在实际操作应用中有些问题还不能解决，所以我要在今后的学习中更加努力，学好自己的专业知识以充实自己，来适应日新月异的现代社会。在这次课程设计中学会了如何利用网络资源,学会了怎么看电路图,读电路图,这些都使我受益匪浅，并为我以后的学习和工作积累了丰富的经验。这次设计,将会使我大学生涯中一道亮丽的风景线,也将成为我人生道路上的一个闪光