2020年数电课设LED猜盘游戏分析方案

数电课设LED猜盘

游戏分析方案

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课程设计说明书

课程设计名称：脉冲数字电路课程设计

课程设计题目：LED猜盘游戏

学院名称：信息工程学院

专业：电子信息工程班级:

学号：姓名：

评分：教师：

2011月27日

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脉冲数字电路课程设计任务书

一第二学期第周一旦周

题目LED猜盘游戏

内容及要求

系统有10个LED组成轮盘，开始前，先猜测某个LED,然后

按下按钮，LED高速旋转，然后速度逐渐变慢，最后停下，若最后

停在所猜测的LED灯上，则为赢。

进度安排

1)10月8至9日确定工程、方案，并设计出原理图

2)10月10日进行仿真调试，并将工作原理图交由老师审批

3)10月11日领取元器件并开始焊接

4)10月14至15日进行调试

5)10月17日上交作品

学生姓名：

指导时间10月11至15日指导地点：

任务下达2012年10月8日任务完成2012年10月17日

考核方式1.评阅□2.答辩□3.实际操作口4.其它口

指导教师系〈部)主任

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授

课时自带一份备查。

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2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一

并交院教务存档。

摘要

转盘游戏是一种特别有意思的游戏，它突出了事件的随机

性，人们根据这种不确定性事件的等可能发生性进行猜测，然后

经过转盘开始旋转直至停下，来验证猜测是否准确。近年来，

由简单的猜盘逐渐发展到益智转盘游戏、猜奖、老虎机等等不

同形式，广受大家的喜爱。因此，本次课程设计采用数字电路知

识，利用时钟振荡脉冲进行计数并控制发光二极管的亮灭来简单

实现转盘游戏的功能。

本次设计中，采用两片NE555芯片以及一片CD4017脉冲

分配器来完成设计要求。该方案利用NE555定时器构成单稳触

发器和多谐振荡器，构成时钟脉冲发生电路模块，CD4017实现

时序分配模块，LED实现显示模块。时钟振荡电路控制脉冲信号

的时间长短和频率，送入CD4017实现对脉冲信号的分配，出现

的与时钟同步的高电平控制LED的亮灭，在指定的时间范围内使

高速旋转的LED停止在某一盏灯上。

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关键词：LED猜盘游戏，NE555,CD4017,时钟振荡脉冲，时

序分配

目录

第一章设计的目的及要求

1.1设计目

的.......................................................

.................................................1

1.2设计要

求.......................................................

第二章方案比较及确定

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2.1设计要求分

析.......................................................

...................................2

2.2方案比

较.......................................................

....................................................2

2.2.1方案

••2

2.2.2方案

••4

2.2.3方案

...............................5

2.3方案确

定.......................................................

....................................................6

第三章系统组成及工作原理

3.1系统构

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成.......................................................

....................................................7

3.1.1时钟脉冲发生

端.......................................................

•7

3.1.2时序分配

端.......................................................

...................7

3.1.3显示

端.......................................................

....................................8

3.2工作原

....................................................8

3.3参数计

算.......................................................

....................................................9

第四章器件选择

4.1

NE555.......................................................................................................

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.........................................................10

4.2

CD4017

13

4.3

LED・••

.............................................................................14

第五章系统调试及测试结果分析

5.1系统调

试.......................................................

....................................................15

5.1.1仿真调

I式.......................................................

............................15

5.1.2实物调

试.......................................................

............................15

5.2焊接及结果分

析.......................................................

............................16

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结

论.......................................................

......................................................................................................17

参考文

献.......................................................

......................................................................................18

附录

......................................................................................19

附录

.............................................................................................20

第一章设计目的及要求

1.1设计目的

（1）学会并掌握脉冲数字电路设计的基本方法

（2）能运用NE555计时器、CD4017脉冲分配器实现LED

转盘游戏的设计

（3）掌握焊接的基本要领

1.2设计要求

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系统有10个LED组成轮盘，开始前，先猜测某个LED,然后

按下按钮，LED高速旋转，然后速度逐渐变慢，最后停下，若最

后停在所猜测的LED灯上，则为赢。

第二章方案比较及确定

2.1设计要求分析

1.系统组成

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1）时钟脉冲发生端

2）时序分配端

3）功能显示端

2.系统框图

nrD

-----------☆»口①-----------

,单稳态触----------x多谐振荡器

最后随机—LED高＜--------

图2.1系统框图

2.2方案比较

众所周知，要实现具有一定功能的电路，能够采取多种不同

的方案。在众方案中，应力求选择一种最简单、实用、稳定性好

而且较为经济的方案。

同理，实现该设计要求能够运用很多种方法，本文仅列举出

其中三种进行比较，比较方案如下：

2.2.1方案一

本电路包括四部分:

1.单稳态电路

2.多谐振荡器

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3.时序分配电路

4.显示模块

第一部分采用CD4011与非门构成的单稳态电路。〈如图

2.2.1.1所示）

第二部分采用NE555构成多谐振荡器。

第三部分采用CD4017实现脉冲分配。

第四部分采用LED灯实现结果的显示。

图2.2.L1由CD4011的两个与非门构成的单稳态电路原理图

仿真图如图2.2.1.2所示:

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09

08

07

06

05

04

03

02

01

00

图221.2方案一实现功能仿真图

2.2.2方案二

本电路包括三部分:

1.单稳态电路

2.多谐振荡器

3.时序分配电路

4.显示模块

第一部分采用NE555构成单稳触发器。

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第二部分采用由晶体管构成的多谐振荡器。＜如图2.2.2.1

所示）

第三部分采用CD4017实现脉冲分配。

第四部分采用LED实现结果显示。

图2.221晶体管构成多谐振荡器原理图

仿真图如图222.2所示

LHD3

3二二

LED5

LHD6

LEDXO^£<

图2.222方案二实现功能仿真图

2.2.3方案三

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本电路包括三部分：

1.单稳态电路

2.多谐振荡器

3.时序分配电路

4.显布模块

第一部分采用NE555构成单稳触发器。＜如图2.2.3.1所

示）

第二部分采用NE555构成的多谐振荡器。

第三部分采用CD4017实现脉冲分配。

第四部分采用LED实现结果显示。

图223.1由555构成的单稳态电路

仿真图如图223.2所示

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图223.2方案三实现功能仿真图

2.3方案确定

能够看出，三种方案的脉冲分配端以及结果显示端是一样

的，差别在于脉冲发生端的设计。方案一电路采用CD40U的两

个与非门实现单稳触发器电路，基本实现了让LED灯高速旋转直

至停在某一盏灯上的功能，可是当按下B键时，所产生的脉冲信

号不稳定，致使后面的电路无法有规律地变化，而是杂乱无章

的。同时该电路缺乏有效的时间控制，使后面LED灯的亮暗时间

不固定。经过仿真能够知道，该电路能够实现LED灯的旋转，可

是有时会停在两盏灯上，因此不可靠。方案二中，采用两个三极

管实现多谐振荡，也能够基本实现功能，可是其随机性太强，不

易控制时间，而且，三极管是怕热元器件，与NE555插槽相比，

其焊接技术要求更高。方案三中只用了两个NE555即可构成脉冲

发生端，电路比较常见，使用广泛，稳定性及可控性都较强，其

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焊接要求也比较低。可见，三种方案中方案三设计比较合理，且

价格比较低廉，因此采用方案三作为本次的原理设计方案用以实

现LED转盘游戏。

第三章系统组成及工作原理

3.1系统组成

3.1.1时钟脉冲发生端

用两片NE555分别实现单稳触发器和多谐振荡器即可实现时

钟脉冲发生端。该部分是成功实现设计要求的关键所在。如图

3.1.1所示。

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图3.1.1

3.1.2时序分配端

U3

09

08

07

06

05

04

03

02

01-T5------------"

00=>13------------

-PJ-----------------------------

-------------4017BP_5V

图3.1.2

图3.1.2所示是用CD4017十进制计数器，作为十分频来使

用，实现脉冲分配的功能。

3.1.3显示端

由十个LED灯组成。十个LED灯依次接收由CD4017十分频

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模块输入的脉冲而依次闪亮，且在可控时间内停在某盏灯上。模

块设计图如图3.1.3所示。

图3.1.3结果显示端

3.2工作原理

按照本次设计的要求，设计的工作原理图如图3.2所示:

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图3.2工作原理图

系统包括三部分：

1.单稳态电路：采用NE555构成单稳触发器。

2.多谐振荡器：采用NE555构成的多谐振荡器。

3.时序分配电路：采用CD4017实现脉冲分配。

4.显示模块：采用LED实现结果显示。

系统电路如图3.2所示，用5V直流稳压电源供电，555在

开关的启动下产生渐慢脉冲作用下驱动10个LED循环发光，循

环转动，最后速度变慢，然后逐渐停止。

3.3参数计算

<1）计算单稳触发器周期的公式：Tw句.IRC

当调动滑动变阻器为Rl=50kQ时，得

Tw-1.1RC=l.l*50kQ47uf=2.6s

<2）计算多谐振荡器周期的公式：

Tw-0.7*<R3+2R4）*C3

止匕处R3=4.7kQR4=100kQC3=100nf

Tw~0.7*<4.7kQ+2*100kQ)*100nf=0.014s

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第四章器件选择

本次设计中，运用到了NE555芯片，CD4017芯片、LED灯

以及电阻、电容、导线若干。

4.1NE555

1.NE555简介

555定时器是一种模拟-数字混合式集成定时器，555定时器

成本低，性能可靠，外接几个电阻、电容，就能够实现多谐振

荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路，在

工业控制等方面也有很广泛的应用。它的内部结构图以及管脚图

如图4.1.1所示。

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图4.1.1NE555内部结构图以及管脚图

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS

触发器，一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压

VCC/3和2VCC/3。

555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输

出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电

压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为

2VCC/3,C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端

TR的电压小于VCC/3,则比较器C2的输出为0,可使RS触

发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压大于

2VCC/3,同时TR端的电压大于VCC/3,则C1的输出为0,

C2的输出为1,可将RS触发器置0,使输出为0电平。

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NE555的各个引脚功能如下：

1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：外接电源VCC,双极型时基电路VCC的范围是4.5V

至16V,CMOS型时基电路VCC的范围为3V至18V,一般用

5Vo

3脚：输出端Vo。

2脚：低触发端。

6脚：TH高触发端。

4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，

此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时

应接高电平。

5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部

两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只

O.OlpiF电容接地，以防引入干扰。

7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电

容的放电。

2.NE555的应用

1.NE555构成单稳触发器（如图4.1.2所示）

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(a)单稳态触发电路(b)工作波彩.，

图4.1.2

单稳态触发器只有一个稳态状态。在未加触发信号之前，触

发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳

状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定

状态。单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。

接通电源后，未加负脉冲，而C充电,Vc上升，当Vc上升到

2/3Vcc时，电路输出为低电平，放电管T导通，C快速放电，

使Vc=O。这样，在加负脉冲前，为低电平，Vo=0,这是电

路的稳态。在1=4时刻负跳变，而Vc=O,因此输出翻为高电

平，T截止，C充电。按指数规律上升。t=tl时，负脉冲消

失。t=t2时，上升到2/3Vcc,又自动翻为低电平。在这段时间

电路处于暂稳态。t>t2,T导通，C快速放电，电路又恢复到稳

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态。由分析可得：输出正脉冲宽度tw=1.1RC。经过改变R、C

的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。

2.NE555构成多谐振荡器

其电路及波形图如图4.1.3所示.

图4.1.3

多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只

有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间能够

自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出

一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。

接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。充电回

路是VCC—R1—R2—

C—地，按指数规律上升，当上升到时＜TH、端电平大于）,输

出翻转为低电平。是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—

R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时＜TH、端电平小

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于)，输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如

此周而复始，产生振荡，经分析可得

输出高电平时间T=(Rl+R2>Cln2

输出低电平时间T=R2Cln2

振荡周期T=(Rl+2R2>Cln2

输出方波的占空比为：

D_tpH_R1+%

"^fRi+2R?

4.2CD4017

CD4017：十进制计数器/脉冲分配器。其内部电路如图

4.2.1所示。

CD4017是5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，

CP、CR、INH输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整

形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH为低电

平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR为

高电平时，计数器清零。Johnson计数器，提供了快速操作、2

输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计

数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持

高电平。在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用

作多级计数链的下级脉动时钟。如图4.2.2。

该模块构成分频电路。CD4017,其内部由计数器及译码器两

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部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就

是00、O1、0209依次出现与时钟同步的高电平，宽度等

于时钟周期。

CD4017的管脚图如图4.2.3所示。

CO：进位脉冲输出；CP：时钟输入端；CR：清除端；

INH：禁止端

Q0-Q9计数脉冲输出端；VDD：正电源；VSS：地

输出高电平的顺序分别是⑶、⑵、⑷、⑺、(10)>(1).(5)、

(6)、(9)、(11)脚,这10个管脚依次产生高电平。

f

fMM

nYY

Y,O.

图4.2.1CD4017内部电路

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输入输出

CPINHCRQo-QgCO

XXHQ。计数脉冲

tLL为必-包

计数

HlL时:CO=H

LXL

计数脉冲

XHL

保持为Qs-a

1XL

时：CO=L

XtL

图4.2.2

CD4017B

VpD

otcooeoOJTFUITwoc

CR

OECODfDOUTPUT1"mn

CP

OECODtOIUTPUTVCLOCK

INHOECOOEOOHWTCLOCK(hAILC

CODFCOOtDOUTFUTVCARRYOUT

DfCQOfDOUWTDECODE。OUIVUTr

Q9

DECODCOOUTPU1TOCCOOBOOUPUT

Q4

V$SOCCOOEOOUPUTr

Q8

CD4017r.i.l|iJm

图4.2.3CD4017管脚图

4.3LED

发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导

体器件，它能够直接把电转化为光.LED的心脏是一个半导体的

晶片，晶片的一端附着

在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被

环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型

半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在

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这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间

就形成一个“P-N结”。当电流经过导线作用于这个晶片的时候，

电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以

光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决

定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。

该模块接受出自整个电路产生的高电平，由于是分频器

CD4017产生的高电平，因此10个发光二极管依次接受来自它产生

的高电平，逐一闪亮并循环。但发光二极管亮度和闪光速度受到

前面电路中电阻和电容的影响，能够自由调节。

第五章系统调试及测试结果分析

5.1系统调试

5.1.1仿真调试

按照工作原理图，用Multisim进行仿真调试，仿真图如图5.1

所示:

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图5.1.1仿真图

用Multisim仿真软件运行图5.1.1所示的原理图，闭合开关，

LED灯将依次亮起来，并最终停下。调试时，根据现象适当调节

参数。

5.1.2实物调试

<1）仪器

示波器、直流稳压电源、万用表

<2）调试方法

将电路板接上5V电源之后测试555芯片能否正常工作。

将第一片555芯片的输出端接在示波器上，观察示波器波形若

出现不稳定的脉冲，说明单稳态电路工作正常；若不是，则说明

单稳态电路不正常工作。

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将第二片555芯片的输出端接在示波器上，观察示波器波形

若出现方波波形，说明多谐振荡电路工作正常；若不是，则说明

多谐振荡电路不正常工作。

<3）调试现象

将连接好的555定时器的输出端接在示波器上，呈现如图

5.1.2所示符合要求的方波。

图5.L2555定时器输出波形

说明两片555芯片工作正常。LED灯轮流亮灯，说明CD4017正

常工作。

5.2焊接及结果分析

焊接：

<1）焊接前

设计好各个元器件在电路板上的位置，即排版，并画好排

版草图。领元器件，并检查所需各元器件是否齐全。

<2）焊接是很重要的一步，它直接决定设计的成败。因此，焊

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接时须格外小心。按照草图上面设计的排版，将各个元件及管

脚焊在电路板上，焊接时应注意方法，避免虚焊。

<3）检查电路，看其连接是否与工作原理图一致。若不一致，

则加以修正；若一致，则可将电路的正负极接5V直流稳压电

源。

结果分析：

<1）调试过程中只出现一盏灯亮，并未达到灯轮流高速旋转

的目的，经万用表蜂鸣档检查断路和短路现象，均正常，将13

管脚所接电容断路，LED灯开始旋转，说明CD4017的13管脚

需要直接接到地。

<2）将所有器件安装、焊接及用导线连接好后，接通电源，

只有电路板上其中的一个定义为指示灯的LED灯能亮，其它灯

没有反映，故不能实现功能，经过仔细检查，所有线路没有错

误，可是CD4017芯片没有接电源，导致芯片CD4017不能正常

工作。

<3）单稳态电路的电阻阻值调的不恰当使灯旋转的时间很

短，致使LED灯的旋转圈数很少，调整滑动变阻器阻值使时间

值达到一个合适值，效果还比较满意。

结论

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经过本次的课程设计，学到了很多的东西。在上个学期的脉

冲数字电路课程中，对知识的把握不是很好。因此，选择课程设

计题目的时候，有点犯难，感觉每个题目都没多大把握。当看到

“LED转盘游戏”这个标题时，一股新奇感促使了这个设计的进

行。选定题目后，接下来的工作让人感觉压力很大。虽然网上以

及书籍中，都有与本设计有关的内容，但这却无