电子产品设计报告《声光电子色子》

PAGE“电子产品创作设计”技术报告题目：关于声光电子“骰子”的研究小组成员：西安电子科技大学2014年10月关于声光电子“骰子”的研究摘要：骰子是娱乐游戏的一种道具，可以用它来随机地选取1～6的数。本电路设计一个电骰子电路，该电路由电骰子的电路结构决定。电路由RC振荡电路、计数器电路、译码器电路、LED驱动电路、时钟控制电路五部分电路构成，其中计数器是整个电路的核心部分，而译码器在电路中没有采用原有的译码器，而用门电路来实现，是为了让电路更简。关键词：电子骰子数字电路目录TOC\o"1-3"\f\h\z\u引言 11课程设计的目的 12课程设计的任务与要求 12.1课程设计的任务 12.2课程设计的要求 13设计方案与论证 23.1设计思路 23.2方案选择 34设计原理与功能说明 124.1设计原理 125单元电路的设计 145.1脉冲电路 145.2计数部分 185.3显示部分 196硬件的制作与调试 206.1硬件的制作 206.2电路的调试 217总结 21参文献考 22附录1：总体原理电路图 23附录2：元器件清单 24PAGE1引言骰子是娱乐游戏的一种道具，可以用它来随机地选取1～6的数。本电路设计一个电骰子电路，该电路由电骰子的电路结构决定。电路由RC振荡电路、计数器电路、译码器电路、LED驱动电路、时钟控制电路五部分电路构成，其中计数器是整个电路的核心部分，而译码器在电路中没有采用原有的译码器，而用门电路来实现，是为了让电路更简。1课程设计的目的(1)通过所学的有关数字电子技术知识设计出一个电路，有助于巩固和加强数字电子技术课程班的理论和知识。(2)掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发过程。(3)提高电子电路实验技能和仪器使用能力。(4)掌握电路安装及调试方法和故障排除能力。(5)学会撰写课程设计报告。(6)学会查询手册及文献资料。2课程设计的任务与要求2.1课程设计的任务设计一个电子色子，使其完成骰子随机置数的功能，使之能发生翻转并能显示1和10之间的某一个数字。2.2课程设计的要求（1）电源选择12V。（2）10盏LED放置在电路板上的位置和真实的骰子点数相同。（3）当开关闭合时10盏LED随机的翻转，当开关按下时10盏LED某一盏亮并显示某一个点数。3设计方案与论证3.1设计思路电骰子的设计分为脉冲部分、数字生成部分和显示部分。脉冲部分可以用555定时器连接成的多谐振荡电路产生脉冲，数字部分需要采用计数器实现，计数器的功能是统计时钟脉冲的个数。 显示电路 脉冲信号 计数器图3-13.2方案选择本方案的脉冲电路仍采用由555定时器构成的振荡电路。数字电路电路采用芯片CD4017。CD4017有10个输出端（Q0～Q9）和1个进位输出端Q5-9。每输入10个计数脉冲，Q5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。CD4017有3个输入端（MR、CP0和CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出Q0为高电平，其余输出端（Q1～Q9）均为低电平。CP0和CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由CPl端输入。设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平，故可直接用做顺序脉冲发生器。CD4017的结构图如下图所示：图3-10CD4017结构图CD4017的管脚图如下图所示图3-11CD4017引脚图CD4017的引脚功能CD4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。CD4017有16支脚，除电源脚VDD及VSS为电源接脚，输入电压范围为3–15V之外，其余接脚为：A、频率输入脚：CLOCK(Pin14)，为频率信号的输入脚。B、数据输出脚：a、Q1-Q9(Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，为解码后的时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为Hi，其余为Lo电位。b、CARRYOUT（Pin12），进位脚，当4017计数10个脉冲之后，CARRYOUT将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。C、控制脚：a、CLEAR(Pin15)：清除脚或称复位(Reset)脚，当此脚为Hi时，会使CD4017的Q0为”1”，其余Q1-Q9为”0”。b、CLOCKENABLE(Pin13)，时序允许脚，当此脚为低电位，CLOCK输入脉波在正缘时，会使CD4017计数，并改变Q1-Q9的输出状态。本方案的显示部分用LED显示，用十盏LED排成的色子点数和真实的色子点数一致，这样它能产生逼真的色子点数。4设计原理与功能说明4.1设计原理本电路由三部分组成，脉冲部分，数字部分，显示部分。由555定时器组成的脉冲部分产生矩形波，输出高电平和低电平。CD4017是十进制计数器，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是00、01、02、09依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。CD4017的MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出00为高电平，其余输出端（0~09）均为低电平。如图所示图4-1CD4017引脚图CD4017的1端，3端，4端，7端，10端接显示部分。由于4017输出的电流较小，无法驱动LED放光，其输出的电流经过三极管放大后可以驱动LED发光。当CD4017的管脚1为高电平的时候，它将会关闭上面的三级管9012同时开启驱动LED4的三级管9013，而其它的三极管保持关闭状态，只有LED4亮，显示的点数是1，连接管脚1的是一个10k的电阻网络，它们所产生的分压作用会对驱动LED4的三级管基极电压产生影响。由于一个三级管所需要的开启电压仅为0.6V，此电路的设计对于开启电压留有足够的裕量，三极管仍然会导通。功能说明本设计电路是一个电子色子，LED在电路板上的位置和真实的色子不同，当开关闭合时，这些LED就会向真的色子那样一遍一遍的翻转起来，当开关断开时，LED就会立即停止翻转，并显示某一点数。5单元电路的设计5.1脉冲电路由555定时器构成的多谐振荡电路可以产生矩形波。555电路的结构组成和工作原理1)电路组成及其引脚图5-1555电路结构图5-2555定时器引脚图它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为和。C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接。Vco是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰当T导，以确保参考电平的稳定。T为放电管，通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。(2)555电路的引脚功能eq\o(\s\up13(——),TR)触发eq\o(\s\up13(),TH)阈值eq\o(\s\up13(—),R)复位eq\o(\s\up13(),D)IS放电端eq\o(\s\up13(),OUT)输出>H导通LH原状态×H截止H××L导通L由555定时器组成的多谐振荡器如图5-4所示图5-4555定时器构成的振荡电路设电容的初始电压Uc＝0，t＝0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端VTH＝VTL=0<1/3VCC，比较器A1输出为高电平，A2输出为低电平，即RD=1，SD=0（1表示高电位，0表示低电位），R-S触发器置1，定时器输出Uo=1，此时Q=1，定时器内部放电三极管截止，电源VCC经向电容C充电，UC逐渐升高。当UC上升到1/3VCC时，输出由0翻转为1，这时RD=RS=1，R-S触发顺保持状态不变。所以0<t<t1期间,定时器输出Uo为高电平1。t=t1时刻，Uc上升到2/3Vcc，比较器A1的输出由1变为0，这时RD=0，RS=1，R-S触发器复0，定时器输出Uo=0。t1<t<t2期间，Q=0，放电三极管T导通，电容C通过R2放电。Uc按指数规律下降，当Uc<2/3VCC时比较器A1输出由0变为1，R-S触发器的RD=SD=1，Q的状态不变，Uo的状态仍为低电平。t=t2时刻，Uc下降到1/3Vcc，比较器A2输出由1变为0，R-S触发器的RD=1，SD=0，触发器处于1，定时器输出Uo=1。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出Uo=1，电容放电时Uo=0，0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。振荡周期T=T1+T2。T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。充电时间T1=（R1+R2）C㏑2≈0.7（R1+R2）C；放电时间T2=R2C㏑2≈0.7R2C；矩形波的振荡周期T=T1+T2=㏑2（R1+2R2）C≈0.7（R1+2R2）C。因此改变R1、R2和电容C的值，便可以改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽tw）/（周期T）。5.2计数显示部分IC2是十进制分配集成电路，犹豫期复位端R接有C3，R6微分电路，在通电开始进行清零。平时，按钮处于断开状态，故虽有时钟脉冲输入，但由于IC2接地回路不通，故发光二极管不亮。当掷骰子时，CD4017的接地回路接通LED0-7中的一个发光点亮，与此同时，因VT1饱和导通，其集电极的电压仅为0.3V左右，即时，集成电路555的强制复位端4脚的电压低于0.4V，使电路处于复位状态，振荡终止，555不再有脉冲输出，从而使CD4017输出高电平保护不变，与之相连的LED点亮，按LED1-10顺序编成 1-10的数字，依据参加游戏者按钮，即可决定谁胜谁负。图5-5计数显示部分电路图6硬件的制作与调试6.1硬件的制作电子电路要达到设计要求，不仅取决于电路原理图的正确设计，而且还与电路安装的合理性密切相关。本设计电路的电路板选取15cm*9cm的电路板，在此电路电路板焊接此电路空间足够大。在布放元器件时，采用了先布放高度低的元件，这样有利于焊接的方便。元件大都布放在电路板的中间位置，且比较分散，有利于发热元器件的散热。相关电路部分就近安放，避免了走远路，绕弯子。元件在焊接过程中，距离较近的元件直接用锡连接了起来，距离较远的元件用导线连接。焊接时，触点需要连接导线的地方锡用的比较多点。最后焊上电池盒，检查电路是否焊接错误，安上2个串联的4节5号电池盒，输出12v电压。6.2电路的调试把电子元器件连接起来，实现特定功能的关键一步是调试。在电路通电之前我们对电路进行了细致的检查，我们比照原电路图检查一个元部件，看元器件是否正负极焊接反向；在通电后，我们发现只有1个LED都亮，而且隔一段时间亮，经过查阅资料和请教老师与同学后我们发现是波产生的频率太快了，找到问题后，我们把电位器rp1的阻值调成了50k，换成后通电，LED正常显示起来。总结经过一个星期的努力研究，每一次突破，都给我们带来喜悦。最终我们小组获得成果，一个星期来的汗水没有白流，我们不仅收获了做电路设计和仿真上的经验，同时也收获到享受成功时的那份心情，从苦到甜。经过这次课程设计，我们系统地利用了电路，模拟电子技术和数字电子技术的知识，将三门学科有机地结合起来，增强我们的理论知识，因为在课堂上我们只是学习单一的一门学科，没有将几门学科结合起来，虽然各自的学科学习掌握的情况还不错，但是一旦遇到需要综合应用各个学科的知识时，我们通常会表现的手足无措。经过这次课程设计，我们把平时支离破碎的知识进行了整合，做到了融会贯通。在这次设计过程中我们遇到很多麻烦，但我们不抛弃不放弃，依然潜心专研，团结合作。通过这次课程设计，我对数字电子技术有了更深的理解，巩固了我以前所学的数字技术知识，让我深深地体会到了团队的共同协作的重要性，也使我认识到自己的动手能力和解决问题的能力急需提高。参文献考[1]江晓安董秀峰.模拟电子技术第三版[M].西安：电子科技大学出版社.2008.3[2]江晓安董秀峰张军杨颂华.数字电子技术第三版[M].西安：电子科技大学出版社.2008.6[3]陈明义电子技术课程设计实用教程第三版[M].长沙：东南大学出版社.2009.附录1：总体原理电路图附录2：元器件清单序号