课程设计任务书电骰子的设计与制作.pdf

word 文档 可自由复制编辑 目录 摘要.2 电骰子的设计与制作.3 1 结构设计与方案选择.3 1.1 电骰子的系统结构.3 1.2 方案选择.4 1.2.1 电骰子方案一.4 1.2.2 电骰子方案二.5 1.3 两个电骰子方案的比较.6 2 硬件设计.6 2.1 可重复触发的 555 单稳态电路部分.6 2.2 555 多谐振荡电路部分.7 2.3 六进制计数部分.9 2.4 译码器电路部分以及 LED 显示电路部分.9 3 调试记录与结果分析.10 3.1 555 多谐振荡电路部分.11 3.2 六进制计数部分.12 3.3 数码管编码显示部分.12 4 改进想法.13 结束语.14 参考文献.15 附录.16 word 文档 可自由复制编辑 摘要 骰子是各类娱乐活动的一种常用道具，用途是随机产生 1-6 中的数。此项课程设计便是在电路中模拟这一功能。本次设计主要利用了数字电子 技术的基础知识，电路由可重复触发的 555 单稳态电路，555 多谐振荡电路，计数器电路，译码器电路，LED 显示电路 5 部分组成。本文详细介绍了上述 5 个部分的原理和功能，并用 proteus 进行电路仿真调试，而后在面包板上进行了实物的连线组装，测试功能。最后，本文总结了整个课程设计过程中的体会，为今后的电路设计积累了宝贵的经验。关键词：电骰子 数字电子技术 proteus 仿真 word 文档 可自由复制编辑 电骰子的设计与制作 1 结构设计与方案选择 1.1 电骰子的系统结构 电骰子系统包含可重复触发的 555 单稳态电路部分、555 多谐振荡电路部分、六进制计数部分、译码器电路部分以及 LED 显示电路部分 5 个部分构成。各部分的大致功能如下：可重复触发的 555 单稳态电路部分：用于控制电骰子的开关状态，当 555 单稳态电路触发时，电路开始工作，电骰子进行“转动”，过一段预定时间之后自动停止在任意一个数字上。此外可重复触发的设计使得当按下开关而不松开时，骰子将一直处于快速跳动状态，这样真实地模拟了现实中将骰子放于手中摇动而不扔下的情形；555 多谐振荡电路部分：用于产生连续快速的脉冲，将脉冲送入下一个计数部分。快速的脉冲将使得LED 上显示的数字快速的变化，这样极大程度的保证了骰子点数的随机性；六进制计数部分：将上一单元送来的脉冲进行从 0 到 5 的六进制循环计数并将计数结果输出到下一单元。译码器电路部分：将计数器的输出结果通过译码器和门电路反映到对应的骰子的数字显示上。LED 显示部分：显示摇出电骰子的点数。电骰子系统的结构框图如图 1-1 所示。可重复触发单稳态电路部分 多谐振荡电路部分 六进制计数部分 word 文档 可自由复制编辑 图 1-1 电骰子系统的结构框图 1.2 方案选择 1.2.1 电骰子方案一 电骰子方案一大体思路是：可重复触发的 555 单稳态电路部分：产生一个由常开式按键触发的延迟时间大约为 1 秒的单稳电路，输出接到下一单元 555 的使能端；555 多谐振荡电路部分：利用 NE555 芯片产生一个频率约为 10Hz 的方波；六进制计数部分：选用 4 位 2 进制计数器 74LS161，将其连成六进制；译码器电路部分与 LED 显示部分：用 38 线译码器 74LS138 和门电路对输入的信号进行处理，使 LED 显示相应的骰子数字。总体电路原理图如图 1-2 所示。译码器电路部分 LED 显示部分 word 文档 可自由复制编辑 powpowpowpowpowpowpowpow3y51254y5y0y2y43y1y2y3y4y5y1y2y3y4y51524y3y4y5y3y4y5y0y1y2y3y4y5R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U1555C147uC20.01uR2100kQ12N3905R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U2555C3100nC44.7uR5100121312U6:A7411U7AND_5U8AND_53456U6:B7411910118U6:C7411D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO15ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1U374LS161A1B2C3E16E24E35Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U974LS138123U5:A74LS00R15kR310kR420k 图 1-2 电骰子方案一电路原理仿真图（编码器和 LED 显示部分用网络标号连接）1.2.2 电骰子方案二 电骰子方案二大体思路与方案一相同，但是缺少单稳态电路，将开关放在了方波发生器的输出上。总体电路原理图如图 1-3 所示。R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U2555C3100nC44.7uR5100121312U6:A741 1U7AND_5U8AND_53456U6:B741 1910118U6:C741 1D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO15ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1U374LS161A1B2C3E16E24E35Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U974LS138123U5:A74LS00R15kR310k word 文档 可自由复制编辑 图 1-3 电骰子方案二电路原理仿真图 1.3 两个电骰子方案的比较 两个电骰子方案的区别仅在第一部分，方案一比方案二多出一片 555，芯片的数量多一些，连线复杂一下，成本上稍贵，因为方案二的开关放在方波发生器的输出端，也可以实现不松手，点数就一直变化的功能，但是方案一可以实现触发一段时间后自动停止的功能，从这个角度来说，有时我们不能完全追求成本，还应该注重产品的功能以及它所带来的用户体验。所以综合各方面的因素，我们选择方案一来连接实物图。2 硬件设计 所选电骰子方案主要包含 5 个部分的硬件设计：可重复触发的 555 单稳态电路部分、555 多谐振荡电路部分、六进制计数部分、译码器电路部分以及 LED 显示电路部分。2.1可重复触发的 555 单稳态电路部分 可重复触发的 555 单稳态电路部分采用 NE555 芯片构成单稳态电路使时间常数约为 1 秒。NE555 芯片管脚图及功能表见附录 1 根据参考资料，连出如下图 2-1 所示的单稳态电路：R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U1555C147uC20.01uR2100kQ12N3905R420kABCD word 文档 可自由复制编辑 图 2-1 可重复触发的 555 单稳态电路原理图 上图中 C2 是为了稳定 5 端基准电压，一般 C2=0.01u，R4、C1 为充电回路，选取 R2=20（K），C1=10uF 极性电解电容时，由公式:t=1.1*R4*C1 可计算出时间常数 t=1.034s。经 Proteus 仿真，按下并松开开关以后，经过一段时间，3 脚输出由 1 变为 0。仿真结果如图 2-2 所示。图 2-2 可重复触发的 555 单稳态电路仿真图 2.2 555多谐振荡电路部分 555 多谐振荡电路部分采用 555 芯片构成多谐振荡电路使方波的频率约为 10秒。多谐振荡电路的连线如图 2-3 所示。word 文档 可自由复制编辑 R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U2555C3100nC44.7uR15kR310kABCD 图 2-3 555 多谐振荡电路原理图 选取 R3=10k，R1=5k，C4=4.7u，多谐振荡器产生方波的频率 1/f=0.7*（R3+2R1）*C4 可计算出频率为 15.2HZ。经 proteus 仿真结果如图 2-4 所示 图 2-4 555 多谐振荡电路仿真图 word 文档 可自由复制编辑 2.3 六进制计数部分 六进制计数部分采用一片 74LS161 芯片，产生 0-5 的六进制循环计数。74LS161 功能表引脚图见附录 2 根据资料连接出六进制计数电路图，如图 2-5 所示。原理分析：ENP,ENT=1，芯片正常使能。LOAD=1 置数端 D0,D1，D2，D3 无效。当 UP 端的脉冲上升沿到来时，输出端 Q0、Q1、Q2、Q3 加计数。当 Q2 和 Q1 同时为 1，即输出为 110 时，通过与非门让 MR=0，输出清零，实现 000-101 的循环计数。D03Q014D14Q113D25Q212D36Q311RCO15ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1U374LS161123U5:A74LS00 图 2-5 六进制计数电路原理图 2.4译码器电路部分以及 LED 显示电路部分 数码管显示部分采用 3-8 线译码器 74LS138，74LS1438 芯片管脚图和功能表见附录 3。根据资料连出译码器电路部分以及 LED 显示电路部分电路。如图 2-6 所示 word 文档 可自由复制编辑 powpowpowpowpowpowpowpow3y51254y5y0y2y43y1y2y3y4y5y1y2y3y4y51524y3y4y5y3y4y5y0y1y2y3y4y5R5100121312U6:A7411U7AND_5U8AND_53456U6:B7411910118U6:C7411A1B2C3E16E24E35Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U974LS138 图 2-6 数码管显示部分 原理说明：当从计数器送来的编码为 000 时，应该点亮位于中间的 LED。所有的 LED 正极接 VCC，负极接一个与门。当编码器地址输入为 000 时，输出 Y0=0，通过与门接位于中间的 LED，则可以实现功能。当从计数器送来的编码为 001 时，应该点亮位于左上角和右下角的 LED，此时编码器输出 Y1=0，将 Y1 分别送至左上和右下角LED 对应的与门即可实现功能，其他类似。3 调试记录与结果分析 我们小组经过综合比较分析，在制作作品时，最终采用了便于连线，便于实现功能的电路方案。电路结构由 555 多谐振荡部分、六进制计数部分、数码管编码显示部分三个部分组成。总的连接电路如图 3-1 所示。word 文档 可自由复制编辑 图 2-6 数码管显示部分 调试按照完成一个模块调试一个模块的方法进行，这样可以保证每一部分连线都是正确的，避免总体电路调试时排除故障无从下手。与硬件设计部分相似，调试大致分为 4 步：555 多谐振荡电路部分、六进制计数部分、数码管编码显示部分。3.1 555多谐振荡电路部分 调试步骤：1.按图在面包板上连好实物线路；2.检查线路无误后，给电路接上 5V 直流电源；3.然后在 555 的输出引脚 3 接一个 LED 作为信号指示灯，观察当按下开关后，灯是否先亮，过一段时间后再灭。调试现象：LED 常亮，无闪烁。分析：word 文档 可自由复制编辑 可能是接线错误，但仔细对照 Proteus 仿真图上的连线，可以肯定连线没错，于是换高了电阻，使输出频率变低，观察的 LED 在闪烁，说明连接电路正常，于是换回原来的低电阻，使输出频率维持在较高的水平。3.2 六进制计数部分 调试步骤：1.在面包板上连好实物图，确保连线无误后，给芯片上电源；2.将 555 的外部电阻调高便观察；3.将 74LS161 的四位输出接 4 个 LED，用于显示输出是否正常。调试现象：LED 输出显示正常；计数器电路正常工作。3.3数码管编码显示部分 调试步骤：1.在面包板上连好实物图，确保连线无误后，给芯片上电源。2.拨动开关观察数码管是否快速摇动。调试现象：数码管显示正常，当开关拨动后，数码管快速摇动；当开关闭合后，数码管停止，随机显示某个数。总体调试的结果完全满足实验设计的要求。实物图如图 3-2 所示 word 文档 可自由复制编辑 图 3-2 电路连接实物图 4 改进想法 目前我们课程设计的电骰子已经可以满足基本的功能需求，但是如果制作的电骰子能够在数字停止下来前缓慢停止，就能更增加它的用户体验，使得玩家在等待数字时更有趣味。为了实现这样的功能，需要使方波输出的频率逐渐减低，一种方案是利用 555 构成的压控振荡器，当 555 的 5 脚的输入电压增大，输出频率会降低，当输入电压大于一定值后，输出频率就变为零。在设计之初仿真的时候，这样的想法并没有得到证实，另外如果加上这个功能会使得制作成本增加，所以就放弃了这样的想法，不过这个可以作为改进的方案供以后制作。word 文档 可自由复制编辑 结束语 通过此次课程设计，我更加扎实地掌握了有关数字电子技术和模拟电子技术有关方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考和一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，顺利地完成了我们的课题。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门辩思课，教会了我很多道理，也给了我很大的空间去展示自己的能力。在这次课程设计中，我进一步的巩固了数字电子技术的相关知识；学习使用了Proteus 电子仿真软件，还在面包板上亲手实践了自己的设计，这些对于锻炼我的实际动手能力是有极大地帮助的。同时，在这次课程设计中，团队与合作的意义。小组成员几个人在一起研究和思考，一起提出意见和方法，然后讨论出最佳的方案去设计，这才是我们成功的关键所在。从本次课程设计中，我们深深体会到自己实际动手能力方面的不足，经过这次对我们的考验，我们学会了运用很多以前学过的知识，去实现我们想要做的东西；我们也学会了执着与坚持，因为要想获得成功就得需要很强的毅力。回头想想，一项研究真的不是一朝一夕的事情，往往心急是做不出来的。回顾这次的电工电子课程设计，我觉得它非常有必要，希望以后能有更多这样的机会来锻炼我们，实践出真知，在实践中找到自己的不足之处，然后有目的的去纠正。这样学到的东西才真正有价值。word 文档 可自由复制编辑 参考文献 1吴友宇.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，2008 2伍时和.数字电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009 3周润景.PROTEUS 入门实用教程.北京：机械工业出版社，2007 4电子发烧友网.http:/ 文档 可自由复制编辑 附录 NE555 芯片管脚图及功能表 表 1-2 NE555 芯片功能表 输入 输出 RST V11 V12 VO TD 状态 0 低 导通 1 2/3V 1/3V 低 导通 1 1/3V 不变 不变 1 2/3V 2/3V 1/3V 高 截止 word 文档 可自由复制编辑 74LS161 功能表引脚图 输 入 输 出 CR CP LD EP ET D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 状态码加 1 74LS138 引脚图和功能表 word 文档 可自由复制编辑