数字电路课程设计投弹游戏机设计报告.docx

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数字电路课程设计投弹游戏机设计报告

课程设计说明书

课程设计名称：

数字电路

课程设计题目：

投弹游戏机

学院名称：

专业：

班级：

学号：

姓名：

评分：

教师：

20年月日

数字电路课程设计任务书

20－20学年第学期　第周－周

题目

投弹游戏机

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

系统由无稳态多谐振荡器、十进制计数器、RS触发电路、音频振荡器，喇叭驱动电路

〖主要参考元器件〗555，CD4017，CD4001

进度安排

1.仿真、画PCB线路板图、领元器件：

2天；

2.制作、焊接：

1天

3．调试：

2天

4.验收：

0.5天

5.提交报告：

2011-2012学年第一学期3～7周

学生姓名：

指导时间：

指导地点：

任务下达

20年月日

任务完成

20年月日

考核方式

1.评阅□√　2.答辩□√3.实际操作□√4.其它□

指导教师

系（部）主任

摘

摘要

本次数字电路设计的课题是投弹游戏机。

该游戏机的设计以由555电路构成的多谐振荡电路、移位计时芯片和延时控制电路为主要研究对象，对实现电路进行分步设计，将实现电路分成几个功能模块，再将模块整合，以实现设计所要求的功能，达成投弹延时蜂鸣的效果。

除此之外还可借参数可调的优势，以达到自由控制闪灯频率的特殊功能。

前言

数字电子技术是当前发展最快的学科之一，数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电路发展到目前的中、大规模集成电路及超大规模集成电。

相应地，数字逻辑电路的设计方法在不断地演变和发展，由原来的单一的硬件逻辑设计发展成三个分支，即硬件逻辑设计、软件逻辑设计及兼有二者优点的专用集成电路设计。

本次课程设计内容是设计并制作一个投弹游戏机。

游戏投弹机是一种新型数字游戏，该投弹机系统组成有：

由555构成的无稳态多谐振荡器，十进制计数器（CD4017），R-S触发器电路（CD4001），音频震荡器（CD4001），喇叭驱动电路。

投弹游戏机是采用模块设计，分模块安装方法设计而成。

利用NE555构成矩形脉冲发生器（频率和占空比可调）电路；CD4017（分频器）对由NE555产生的脉冲进行编码、译码和分配工作，使其输出信号控制LED的顺序轮流点亮；最后利用CD4001因投弹产生的信号而产生延时，并驱动蜂鸣器，发出一定频率的祝贺声。

通过本次制作后的调试，得到了简单的“老虎机”（即投弹游戏机）的工作原理，电源开关闭合后可发现555产生了占空比可变的脉冲，十个LED灯顺序循环点亮，在某一个灯亮的时间内如果闭合相应的开关，则该灯会多亮若干秒，同时蜂鸣器发出声音。

这说明此次的设计是成功的。

第一章设计内容及设计要求

投弹游戏机

基本要求：

10个LED灯顺序点亮（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；

参考原理：

系统由无稳态多谐振荡器、十进制计数器、RS触发器、音频振荡器、喇叭驱动电路构成；

主要参考器件：

555、CD4017、CD4001。

第二章系统设计方案及选择

2.1方案一

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

图2.1方案一原理框图

1）555脉冲形成电路：

由555芯片、电阻和电位器构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顺次循环点亮；

3）LED显示；

4）按钮：

其开关模拟投掷小球，投中则产生一脉冲信号；

5）延时电路：

产生的脉冲信号，经延时电路延时5秒左右，以驱动音频振荡器；

6）无稳音频振荡器：

振荡产生1000Hz左右的音频信号，传输至蜂鸣器；

7）蜂鸣器：

小球投中时产生“祝贺”的声响。

2.2方案二

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。

其工作的原理框图如图2.2所示

图2.2方案二原理框图

1）555脉冲形成电路：

由555芯片、电阻和电位器够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顺次循环点亮；

3）LED显示；

4）传感器：

接收小球投中的信号，并传给下一级电路；

5）延时电路：

产生的脉冲信号，经延时电路延时5秒左右，以驱动音频振荡器；

6）555音频振荡器：

由555芯片产生一1000Hz左右的音频信号；

7）蜂鸣器：

小球投中时产生“祝贺”的声响。

方案一结构简单，易于实际制作及功能的实现，但精度低；

方案二电路结构复杂，成本高，精度也高。

在满足设计要求的前提条件下，应尽量简化电路，降低成本，并综合考虑实际制作方面的因素，在此选择方案一。

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图3.1所示：

图3.1多谐振荡脉冲发生器

当直流电源接通后，电源通过R3、R2和D1对电容C2进行单向充电，当电容C1充电到电源电压的2/3VCC时，电容C2开始经D2、R1对管脚7进行对地放电。

当电容C2放电到电源电压的1/3VCC时，7脚内部断开，电源又开始对电容充电。

如此重复该充放电过程，从而产生脉冲并从3脚输出。

该电路的充放电时间及输出脉冲的占空比和周期如下：

充电时间：

T1=R11*C2*ln2式（3.1-1）

其中R11为图3.1-1中的R3及R2的上半部分；

放电时间：

T2=R22*C2*ln2式（3.1-2）

其中R22为图3.1-1中的R1的下半部分；

占空比：

q=R11/（R11+R22）式（3.1-3）

当R11=R22时，q=50%，即输出方波；

周期：

T=T1+T2=（R11+R22）*C2*ln2式（3.1-4）

使用电位器是实现占空比及周期的可调功能，从而控制LED灯的时长及循环的速度；

使用两个二极管的目的是使充放电这两个过程独立，实现了对占空比及周期的单独控

制；

瓷片电容C1的功能是滤波去杂。

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

，下降沿输入端）；有十个译码输出端：

Q0～Q9。

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Q0～Q1～Q2…Q9…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

。

当

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

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Q1～Q9输出低电平。

CD4017计数器的时序波形图如图3.2所示：

图3.2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电容延时部分

电容延时电路由或非门CD4001构成。

（其资料见附录二）

电容延时电路如图3.3所示：

图3.3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5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，其电路如图3.4所示：

图3.4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。

3.5系统总图及整体工作原理

3.5.1系统原理图

将3.1～3.4的各部分电路进行整合修改，就可以得到如下图3.5所示的投弹游戏机的工作原理图：

图3.5投弹游戏机工作原理

3.5.2系统工作过程及原理

如图3.5所示，当开关K1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、C1，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LED11和LED12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LED12点亮，处于低电平时LED11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R4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LED2，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，LED3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R6和C4充放电，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LED13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LED11和LED12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LED13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，这说明第三部分电路工作正常。

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LED11和LED12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Q0～Q9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LED13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。

参考文献

【1】康华光主编.电子技术基础.华中理工大学电子学教研室.

【2】康华光主编.电子技术基础.华中理工大学电子学教研室

【3】王琉银主编.数字电路逻辑设计.高等教育出版社

【4】毕满清主编.电子技术试验与课程设计.机械工业出版社

【5】宋春荣主编.通用集成电路速查手册.山东科学技术出版社

【6】付子仪主编.电子技术课程设计指导书.河南理工大学

【7】王震江，张常年主编.综合电子设计与实践.清华大学出版社，2004

【8】刘修文主编.新编电子控制电路.机械工业出版社，2006

【9】陈有卿主编.时基集成电路原理与应用.机械工业出版社，2006

【10】阎石主编.数字电子技术基础.高等教育出版社

附录一

A．元件清单

元件类别

元件名称

所需数量

芯片

555芯片

1块

CD4017

1块

CD4001

1块

电阻

100

1个

1K

3个

10K

3个

20K

1个

47K

1个

100K

3个

电位器

100K

2个

电容

0.1u

1个

0.01u

2个

100u电解电容

1个

33u电解电容

1个

二极管

发光二极管（LED）

13个

硅二极管IN4148

3个

三极管

9013

1个

其他

蜂鸣器

1个

B.调试过程中所需的仪器设备：

仪器名称

所需数量

双踪示波器

1台

万用表

1台

起子

1把

稳压直流电源

1台

附录二

A．CD4017的管脚图及真值表

CP

CPE

R

输出QN

0

*

0

N

*

1

0

N

1

0

0

N+1

1

1

0

N+1

1

*

0

N

*

1

0

N

*

*

1

Q0

附图2.1CD4017管脚图附表2.1CD4017真值表

B．CD4001或非门管脚图及真值表

附图2.2CD4001管脚图

输入端

输出端

I1

I2

O1

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

附表2.2CD4001真值表

附录三

A．multisim仿真原理图

附图3.1multisim仿真原理图

B．protel原理图

附图3.2protel原理图

C.PCB图

附图3.3PCB图目录