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同济大学-电工学课程设计-电骰子电路设计论文


电子电路课程设计报告
(软件设计部分)

课题名称 课 题 编 号 学院(系) 专 业 自选

电骰子电路设计

机械与能源工程学院 机械设计制造及自动化 学号

学生姓名 指 导 老 师

2014

年 9 月 12 日





一、 设计目标 .............................. 错误!未定义书签。 二、 设计方案 .............................. 错误!未定义书签。 2.1 方案分析............................................. 4 2.2 模块分析............................................. 5 2.2.1 设计思路........................................... 5 2.2.2 电路原理框图 ....................................... 6 2.2.3 具体模块分析 ........................................ 6 三、 仿真电路 .............................. 错误!未定义书签。 3.1 脉冲信号发生电路 .................... 错误!未定义书签。 3.2 开关控制及消抖电路 ................................... 9 3.3 六进制计数器 ......................................... 9 3.4 数码管显示.......................................... 10 3.5 电灯显示............................................ 11 3.5.1 电灯排列.......................................... 11 3.5.2 译码器电路设计 .................................... 11 3.6 完整电路图.......................... 错误!未定义书签。 四、存在问题及改进方法 ..................................... 13 五、参考资料及网站 ......................... 错误!未定义书签。 附 录 总电路原理图 ....................................... 15



一、设计目标
骰子应用十分广泛,现在社会上流行有各种定位骰子,感应骰子,遥控骰子 等, 它是娱乐游戏的一种道具, 是许多娱乐比不可少的工具之一。 早先是用骨头, 木头等制成的立体小方块,六面分别刻有一、二、三、四、五、六点,只有 1, 2,3,4,5,6 这六个数,有的地方叫色子。 用骨头、木头等制成的立体骰子,在使用时通常是把骰子摇动后掷落,以上 面的数作为选取的数字。 这六个数中, 每掷一次, 其中某个数出现的概率是 1/6。 所谓 1/6 的概率,就是说这六个数并不是按照某种顺序出现的,而是随机的。如 果撇开骰子的形状和使用方法的约束来抽象地评价它的功能, 那么骰子就是一种 “从 1~6 的数字中,每次只随机地选择 1 个数字的选择装置”。 现今,各种娱乐性玩具里面,都装有跑马灯一类的随机抽奖的装置,而在当 代,电子信息时代的到来,就需要一种电子设备来代替像骰子这种实际物体,从 而更加容易地装进娱乐设备里面,也更便于玩家操作!从而也就产生了电骰子这 一个设想! 在此次课程设计里面, 设计的是一种电子选择装置, 那就是, 当摁下开关时, 它能够从 1~6 的数字中选择 1 个数字。 重要的是每次掷下时并不知道将会选择哪 个数字。 电路中来自外面的信号,也就是摇动骰子时的信号可以利用按钮开关实现。 骰子的点数是从 1~6 的个位数。考虑采用外形更像骰子的电骰子,可以利用 7 个电灯来表现骰子点数,既 1~6 的数字,而用电灯来表示这种点数的形状,看起 来就很接近本来的骰子,如图 1-1 表示骰子点数的形状。



在电路中把 7 个灯排列成骰子点数的形状,就可以利用灯的发光表示数字。 图 1-2 是用灯的发光表示点数的例子。使发光部分电灯的配置接近本来骰子的点 数的形状,而哪些电灯发光则由电子电路来决定,与骰子点数位置相同的电灯发 光,如下图所示。

另外,本电路中还添加了数码管配合骰子点数的显示,一方面也检验了显示 的正确性,使此次设计更具有人性化!数码管显示如图所示:



二、设计方案
1、方案分析 骰子只处理从 1~6 的数字,但是根据骰子点数的形状需要配置 7 个电灯。通 过其中某几个灯发光, 表现骰子的点数。 由于设计需要, 对这 7 个灯泡进行编号, 如下如所示:

如此,骰子从 1 到 6 的显示情况已经对应的灯泡情况如下图所示:

7 个灯泡的位置分别用 a~g 字母表示。 7 个灯泡发光的所有组合形式计算起 来非常多。这里仅把其中发光组合相同的灯泡进行分组,下图是其分组的情况。 从这个结构看出可以分成 4 个组。可以看出如果骰子的 3,4,5,6 点数发光必 须要有 c 和 f 这两个灯泡。



编号 a b c d e f

数字 4 5 6 2 6 3 4 5 6 4 5 6 2 6 1 3 5 分组 编号 a d b e c f g 3 1 4 2 4 3 数字 5 6 5 5 6 6

从图中可知,实际上需要利用数字电路中常说的“译码器电路”来实现 数字的选择。另外,对于数码管来显示点数相对来说就比较简单,通过一个六进 制加法器,产生 1 到 6 这几个数字,然后通过 74LS48 芯片进行译码,从而驱动 7 段数码管!

2、模块分析 1 设计思路 ○



2 电路原理框图 ○

3 具体模块分析 ○ 1)信号发生电路 信号发生电路的主要功能是产生矩形方波信号!对此,可以采用 555 定时器组成的多谐振荡器作为时钟脉冲产生电路。 2)开关控制电路 在实际操作过程中,一般开关断开一段时间后,骰子还应该在变化一小段时 间,就是所谓的消抖!根据这一功能,可以利用 RC 振荡电路来解决这一问题! 3)加法计数器 可以利用 74LS161,来制作一个异步六进制加法器,从而实现 1 到 6 的 数字的变化。 4)译码器 对于数码管显示点数来说,可以直接用已经封装好的芯片 74LS48 来驱 动,从而实现用 7 段数码管显示点数的功能!而对于用 7 个灯泡来显示点数,没 有具体的译码器可以直接采用,只能列出真值表,自己寻找逻辑关系,从而得到 译码!这也是此次课程设计的一个难点! 5)显示器 采用 7 段共阴性数码管来显示点数,采用 7 个灯泡来模拟骰子的具体 点数!



三、仿真电路
各模块电路分析 1.脉冲信号发生电路 采用 555 定时器组成的多谐振荡器作为时钟脉冲产生电路。 振荡频率的计算公式:f = 输出时钟脉冲为: 当输出为高电平时,根据 RC 电路过渡过程的分析可知,此时 VI 由 VT升到 VT+,其所需要的时间为 T1=RCln(VDD-VT-)/(VDD-VT+) 当 输 出 为 低 电 平 时 , 此 时 VI 由 VT+ 降 到 VT- 。 其 所 需 要 的 时 间 为 T2=RCln(VT+/VT-) 则整个振荡周期为 T=T1+T2=RCln[(VDD-VT-)/(VDD-VT+)+ln(VT+/VT-)]=4.2RC 取 R1=330 欧姆,R2=10K 欧姆,C1=1.0 微法,C2=1.0 微法。 电路接线如图:
1.43 R 1 +2R 2 C



输出波形仿真如图所示:

2.开关控制及消抖电路 利用 RC 振荡电路实现时钟信号的控制。 其中,R10=10K 欧姆,C3=40μ F。电路接线如下:

开关控制电路

开关弹起时,反相器输入高电平,输出低电平,非门输出恒为高电平,时钟 不能通过与非门,计数器数字停止累加而保持。 开关按下闭合时,电容放电,电流通过与电源连接的电阻流过开关,不会通 过电容。反相器输入变为低电平,输出变为高电平,此时时钟信号通过与非门,



控制计数器进行正常计数。 由于电容充电需要一定的时间,所以开关断开的一瞬间,计数器并没有停止 计数, 而是在通过 RC 时常数电路延时一段时间。 而恰好由于这一段时间的延时, 若延时时间可以大于脉冲的一个周期,开关断开后,计数器还会保持计数。因此 加入了 RC 振荡电路一定程度上实现了电路的消抖功能。 3.六进制计数器 采用 74LS161 四位二进制计数器循环计数,先置数(0001) ,逐个相加。当 出现 6(0110)时与非门输出低电平触发清零端使数据回到(0001) ,从而实现 数据的循环累加计数。由于骰子点数没有 0,所以刚开始的时候让计数器置 1, 达到 6(0110)时,QB=1,QC=1,从而通过一个与非门输出 0,连接到 LD 端,从 而将计数器重置,从而实现了从 1 到 6 的计数! 由于,此次设计的开关是控制脉冲信号的,因此该芯片的脉冲输入口接开关 控制电路里与非门的输出,从而接受脉冲信号! 电路接线如图所示:



4.数码管显示 对于 7 段数码管,译码器采用 4 线--7 线译码器 74LS48 驱动七段数码管 发光。其中接入电阻为 470 欧,数码管为共阴性数码管,上端接地。 电路接线图如下:

5.电灯显示 1)电灯排列 在经过计数器的输出作用下利用译码器,产生使灯泡发光的信号。电灯这样 发出的光点与骰子点数形状是一致的。 六进制计数器的输出有 000、101 等共六种状态。如果把各种输出原封不动 地用灯泡表示,只能得到二进制的表示。因此,使用二进制的数据时,需要确定 应该使那些灯泡发光。 例如,使用七段数字表示器时,也需要有决定二进制数使七段中哪个灯泡发 光的译码器,由它来确定形成可读的、最初选取的数字的形状。欲将灯泡排列成 骰子点数的形状,图为电骰子的灯泡发光组合图。

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2)译码器电路设计 下图是电骰子用译码器的真值表。这个真值表中 7 个排列的灯泡分别用 a~ g 这 7 个字母表示,它们与各计数器的输出(A2 、A1 、A0 )相对应,确定该哪个 灯泡发光。

A2

A1

A0 1 0 1 0 1 0

a 0 0 0 1 1 1

b 0 1 0 0 0 1

c 0 0 1 1 1 1

d 0 0 0 1 1 1

e 0 1 0 0 0 1

f 0 0 1 1 1 1

g 1 0 1 0 1 0

1 2 3 4 5 6

0 0 0 1 1 1

0 1 1 0 0 1

注: “1”发光“0”熄灭 用真值表作为基础设计译码器逻辑电路,从真值表中可以看出 a 与 d,b 与 e,c 与 f 各自有相同的逻辑。所以,从 a~g 不需要做出 7 种电路,只用 4 种电 路就可以了。如下图所示,整理后的真值表:
A2 A1

A0 1 0 1 0 1 0

ad 0 0 0 1 1 1

be 0 1 0 0 0 1

cf 0 0 1 1 1 1

g 1 0 1 0 1 0

1 2 3 4 5 6

0 0 0 1 1 1

0 1 1 0 0 1

注: “1”发光“0”熄灭

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从而可以根据真值表进行逻辑运算,可以得到如下用 IC 组合的简单电骰子 译码器电路,以及电灯的驱动电路。

6.完整电路图 整体电路及连接如图所示,具体可参照附件大图。

完整电路图 本电路采用两种显示模式可供选择, 可以通过开关 S2 和 S3 来选择数码管 显示和电灯模拟显示,也可以选择两种模式同时显示。然后通过开关 S1 来进行 投掷骰子。

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四、存在问题及改进方法

从最开始思考这个题目到考虑设计的思路和理论知识, 再到七段数码管的显 示以及 7 个电灯模拟显示,通过平时数电实验的经验积累,需要七段数码管对应 的译码器以及电灯模拟设计译码器才可以实现,通过查找资料,最终确定了译码 器使用 8421 的 74LS48 芯片,以及自己通过真值表来设计 7 个电灯的译码器。 然后设计的核心就是如何做到数字的随机和开关的控制。 显然凭借我们现在 的专业知识,很难做到数字的随机出现,那么可以换一个角度思考,利用加法计 数器可以实现数字的循环累加,而在脉冲信号的作用下,每个数字出现的间隔是 相等的,而人为控制的开关每次闭合或断开的时间间隔不可能做到完全相等,因 此我们便可以利用开关来控制数字的选择。 将循环累加的数字停留保持在某一数 值并显示有多种方法, 一方面我们可以控制脉冲信号的输入与否来控制加法计数 器的触发与否, 另一方面我们也可以控制使能端的电平来控制计数器的计数或保 持状态。 设计的另一个难点就是,七个电灯译码器的设计,以及电灯显示的规律。通 过复习电工学基础知识,通过画真值表,来进行具体设计七个电灯的译码器。通 过亲自设计译码器,再次复习了逻辑电路中的逻辑运算,已经在具体电路中的连 接。 通过这次电子电工技术课程设计的课程,从刚开始的无从下手,到一点点地 把电路搭建出来,大大加深了对电子技术的认识和了解,将书本上的理论知识和 实际相结合,培养了我们动手实践和查阅资料的能力,可以用所学的知识解决生 活中遇到的实际问题,制作一些简单的小制作。 总之,这次课程设计给了我很大的收获,为我今后的学习生活积累了宝贵的 经验。 对于这次课设课题我认为可以进行一定的改进和深化, 例如可以将 1 到 6 这 六个数字出现的顺序打乱,不按 1 到 6 的顺序出现。也可以考虑加入多个骰子, 在掷骰子前先选择掷出骰子的数量等,从而使之的运用范围更广。

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五、参考资料及网站
[1] 秦曾煌.电工学电子技术—第 7 版. 高等教育出版社,2011 [2] 冯博琴 吴宁.微型计算机原理与接口技术—第 3 版. 清华大学出版社, 2013 [3] 冯清秀 邓星钟.机电传动控制—第 5 版.华中科技大学出版社.2011 [4] 孔祥东.控制工程基础—第 3 版.机械工业出版社.2009

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附件: 总电路原理图

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