电子产品设计报告《声光电子色子》.docx

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电子产品设计报告《声光电子色子》

“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

引言1

1课程设计的目的1

2课程设计的任务与要求1

2.1课程设计的任务1

2.2课程设计的要求1

3设计方案与论证2

3.1设计思路2

3.2方案选择3

4设计原理与功能说明12

4.1设计原理12

5单元电路的设计14

5.1脉冲电路14

5.2计数部分18

5.3显示部分19

6硬件的制作与调试20

6.1硬件的制作20

6.2电路的调试21

7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24

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3-1

3.2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

触发

阈值

复位

IS

放电端

输出

>

H

导通

L

H

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

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

序号参数数量

NO.1RP1电位器510k1个

NO.2电阻20k1个

NO.3电阻100k

NO.4电阻10k2个

NO.5电阻1k1个

NO.6电阻91k1个

NO.7电阻220k1个

NO.8电阻3301个

NO.9电解电容10uF1个

NO.10电容0.01uF1个

NO.11电容0.1uF1个

NO.12电解电容220uF1个

NO.13三极管90131个

NO.145mm放光二极管10个

NO.15YD57-2扬声器1个

NO.16VDW-2CW51-3V二极管1个

NO.17轻触开关1个

NO.18ne555定时器1个

NO.19CD-4017十进制计数器1个

NO.20KD-56020音乐芯片1个

NO.218针插孔1个