电骰子的设计与制作电子电工课设.doc

《电骰子的设计与制作电子电工课设.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电骰子的设计与制作电子电工课设.doc（16页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、摘要课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析与解决实际问题,锻炼实践能力重要环节,是对学生实际工作能力具体训练与考察过程.随着科学技术发展日新日异，电子产品已经成为当今生活应用中空前活跃领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪大学来说掌握电子产品开发技术是十分重要。本文针对电子产品中最常见电骰子设计及制作提出了两套切实可行方案，对他们优缺点进行了分析对比，并对优化方案进行了详细介绍。在设计部分，本文着重讲述是用集成芯片实现电骰子功能。 关键词：脉冲 555定时器 六进制计数器 随机数目录1 内容摘要 - 32 设计内容及要求 - 33 设计思路 - 4 3.1 系统框图

2、 - 4 3.2 完整电路图 - 4 3.3 电路工作原理 - 44 设计过程 - 6 脉冲源 - 6 控制电路 - 104.3 显示电路 - 145 组装电路 - 16 5.1 使用主要仪器与仪表 - 16 5.2 调试电路方法与技巧 - 16 - 176 心得体会 - 177 参考文献 - 188 系统需要元器件列表 - 189 附表 - 19电骰子设计及制作1 内容摘要 此次课程设计内容是电骰子设计及制作，这个电路要求按下开关后LED能从1-6随机显示一个数。在设计过程中，显示器采用是七段共阴极数码管；译码部分采用集成芯片74LS48；脉冲信号部分原本准备用晶振来做，但实验发现用晶振做脉

3、冲信号极不稳定，甚至用手碰一下都会影响其频率，后来经过我们组讨论，一致同意用555定时器连接成多谐振荡器来做脉冲源，而且事实也证明用555定时器做脉冲源比用晶振做稳定性好多了，基本上不受外界干扰，稳定性极好；控制部分也就是计数器部分是本次课程设计核心与难点，我们在上面花了大量时间与精力，可以用集成计数器40192与三输入及非门74LS10组合控制，也可以集成计数器74LS161与两输入及非门74LS00组合控制。同时我们在原有设计电路基础上做了一定创新尝试，如用一个开关控制多个数码管分别随机显示一个数，即多个骰子情况；我们也尝试用单片机做了一下，实验结果也非常令人满意，实验都很成功。最后，我们

4、综合考虑了设计复杂程度、元器件价格、是否易于实现以及电路稳定性等多方面因素，选择了一种最优设计方案。在电路实现过程中，我们吸取了不断接线失败经验教训，最后终于得以完成接线，完成了本次课程设计所有内容，同时也受益匪浅，学到了很多经验，我相信这次课程设计肯定会为我们以后学习与工作奠定坚实基础。2 设计内容及要求2.1 初始条件（1）利用已学模拟电路、数字电路以及电路知识（2）面包板、万用表、电源、相关元器件、导线等2.2 要求完成得主要任务（1）用一个开关代替掷骰子（2）按下开关则LED从1-6随机显示一个数（3）用七段LED显示点数（4）提出两种设计实现方案，并优选方案进行设计（5）按要求写出详

5、细设计报告，并计算元件参数，包括选择元件原理，参数确定理论依据及相关电路图等3 设计思路3.1 系统框图 本设计最关键一是脉冲源产生，二是循环方式实现与控制，大致系统框图如图3-1所示。显示器译码器计数器脉冲信号图3-1 系统框图3.2 完整电路图用集成计数器40192与三输入及非门74LS10组合控制完整电路图如图3-2所示。 用集成计数器74LS161与两输入及非门74LS00组合控制完整电路图如图3-3所示。 电路工作原理说明 如图3-2所示，右侧部分是由555定时器构成多谐振荡器产生脉冲源，送到集成计数器40192使其完成加计数，其输出通过数码管驱动器74LS48连接到数码管，将数字显

6、示出来，当集成计数器40192计数到“7”时，将其三个高电平输出端通过一个图3-2 40192及74LS10组合控制完整电路图图3-3 74LS161及74LS00组合控制完整电路图三输入及非门74LS10反馈到集成计数器40192异步置数端置“1”完成循环，由于脉冲源频率较大，肉眼不能识别数码管上数在不停得从1到6循环，因此可以认为数码管上显示数是随机数。 如图3-3所示，右侧部分也是由555定时器构成多谐振荡器产生脉冲源，送到集成计数器74LS161使其完成加计数，其输出通过数码管驱动器74LS48连接到数码管，将数字显示出来，当集成计数器74LS161计数到“6”时，将其两个高电平输出端

7、通过一个两输入及非门74LS00反馈到集成计数器74LS161同步置数端置“1”完成循环，由于脉冲源频率较大，肉眼不能识别数码管上数在不停得从1到6循环，因此可以认为数码管上显示数是随机数。4 设计过程4.1 脉冲源由于要求骰子掷出后从1-6随机显示一个数，为了实现随机这个功能，脉冲频率就应该尽可能大，但也不能太大，因为太大后数码管上将看不到数字在跳动，而是只能看到一个“8”。本方案采用脉冲频率大约为10Hz，脉冲电路可以由555定时器连接多谐振荡器产生，由于所有方案都采用一样频率，所以后面方案中没有脉冲产电路。555定时器内部结构与管脚图分别如图4-1与4-2所示。图4-1 555定时器内部

8、结构图4-2 555定时器管脚图 如图4-1所示电路中，4端输入低电平时，基本RS触发器置“0”，三极管导通；4端输入高电平时，基本RS触发器处于正常工作状态，其输出状态取决于C1与C2输出状态组合。当Q端输出高电平3输出低电平时，晶体管T截止；当Q端输出低电平3输出高电平时，晶体管T导通。在5端开路或者未加基准电压，4端外加高电平时，C1与C2运算放大器构成电压比较器基准电压分别为2/3 Vcc与1/3 Vcc。若2端输入信号电压小于1/3 Vcc，则C2运算放大器构成电压比较器输出电压很低，接近于零点几伏电压（定义为低电平），对基本RS触发器置“1”；若2端输入信号电压大于1/3 Vcc，

9、则C2运算放大器输出电压接近于电源电压（定义为该电平）。若6端输入信号电压小于2/3 Vcc，则C1运算放大器构成电压比较器输出电压接近于电源电压（定义为高电平）；若6端输入信号电压大于2/3 Vcc，则其输出电压很低，接近于零点几伏电压（定义为低电平），对基本RS触发器置“0”。因此，集成运算放大器工作状态如下：（1）同时输出高电平（6端输入小于2/3 Vcc，2端输入大于1/3 Vcc），将使基本RS触发器处于保持工作状态。（2）同时输出低电平（6端输入大于2/3 Vcc，2端输入小于1/3 Vcc），将使基本RS触发器处于不定工作状态。这种情况下基本RS触发器两个输出端同时输出高电平，晶

10、体管截止。（3）集成运算放大器C1输出高电平，C2输出低电平（6端输入小于2/3 Vcc，2端输入电压小于1/3 Vcc），将使基本RS触发器处于置“1”工作状态，晶体管截止。（4）集成运算放大器C1输出低电平，C2输出高电平（6端输入大于2/3 Vcc，2端输入电压大于1/3 Vcc），将使基本RS触发器处于置“0”工作状态，晶体管导通。为保证电路可靠工作，通常应该避免出现同时输出低电平（6端输入大于2/3 Vcc，2端输入电压小于1/3 Vcc）工作状态。若5端外加信号电压，只是使电压比较器基准电压值发生变化，而其他工作原理仍然保持上述基本形式。555定时器一般情况下具有较强带负载能力。双

11、极型三极管构成555定时器输出电流可以达到20mA。CMOS管构成定时器负载电流在4mA以下。电源电压范围也较宽，在5到16V之间都可以安全工作。因此，555定时器使用比较灵活，应用范围比较广泛。用555定时器产生10Hz脉冲电路如图4-3所示。图4-3 555定时器产生10Hz脉冲电路 该电路图中引脚3是脉冲输出端，是5V直流电源正极。这是用555定时器构成多谐振荡器电路产生10Hz脉冲。当电路接通瞬间，C1两端没有存储电荷。两端电压为零，555定时器2与6端输入电压为0，即出现6端输入电压小于2/3 Vcc，2端输入电压小于1/3 Vcc情况，集成运算放大器C1输出高电平，C2输出低电平，

12、基本RS触发器置“1”工作状态，输出信号为高电平，使晶体管截止，电源Vcc 经R1，R2与C1到公共端对电容C1充电。这种情况一直维持到C1两端电压略超过2/3 Vcc。当C1两端电压略超过2/3 Vcc时，出现6端输入电压大于2/3 Vcc，2端输入电压大于1/3 Vcc情况，集成运算放大器C1输出大低电平，C2输出高电平，基本RS触发器处于清零工作状态，输出信号为高电平，使晶体管导通，电容C1经C1、R2与晶体管T到公共端放电。这种情况一直维持到C1两端电压略低于1/3 Vcc。此后又重新回到上述充电过程，如此周而复始，形成振荡，产生矩形脉冲波输出。电路工作波形图如图4-4所示。图4-4

13、555定时器构成多谐振荡器工作波形从图4-4所示工作波形图可以看出，电容充电初始状态为1/3 Vcc，终止状态为2/3 Vcc，稳定状态为Vcc。电容放电过程中，由于晶体管基本处于饱与导通状态，两端电压很低，因此供电电源对放电电路影响很小，放电时初始状态为2/3 Vcc，终止状态为1/3 Vcc，稳定状态为0。充电所用时间，即脉冲维持时间：t1 =（R1 + R2）C1 ln2=0.7（R1 + R2）C1放电所用时间，即脉冲低电平时间：t2 = R2 C1 ln2=0.7 R2 C1所以，脉冲周期时间为t = t1 + t2 = 0.7（R1 + 2R2）C1将C1、R1与R2值代入算得则脉

14、冲频率为f = 1/t = 10Hz4.2 控制电路 由于要产生从1-6随机数，这就需要一个六进制计数器，这里我们采用集成芯片40192与74LS161。40192集成芯片具有可逆计数功能，是十进制计数器。40192集成计数器管脚图及逻辑符号分别如图4-5与4-6所示。图4-5 40192集成计数器管脚图图4-6 40192集成计数器逻辑符号图中，RD端是异步清零端，高电平有效；LD输入端是异步预置数控制端，低电平有效；预置数数据输入端包括D3、D2、D1与D0，D3为最高端，D0为最低端；CO端是进位输出端，低电平有效；BO端是借位输出端，低电平有效；计数结果从Q3、Q2、Q1与Q0端输出，

15、Q3为最高位，Q0为最低位。BO、CO输出信号可以作为高4位计数器CP脉冲使用，以实现多位数计数过程。当计数脉冲从CPU输入时，集成芯片实现加法计数过程，计数过程为000010010000；当计数时钟从CPD输入时，集成芯片实现减法计数过程，计数过程为0000100100010000。在这里我们采用加法计数实现六进制计数器，同时采用反馈“置数法”。即清零端接低电平，CPU端接脉冲信号，CPD端接高电平，预置数“1”（D3D2D1端都接高电平，D0端接低电平），当其加计数到“6”时，我们应让它回到“1”，重新开始新一轮加计数，依次这样循环下去。虽然计数器是从“1”到“6”循环计数，但由于计数器频

16、率较大，肉眼不能识别，在我们看来就好像是从1到6随机取一个数计数。这样当我们让计数暂停时就可以随机得到1到6之间任一个数，就好像一个电骰子一样。由于40192清零是异步，因此我们应在40192输出“7”时候反馈置“1”，即Q2Q1Q0端都输出高电平，Q3端输出低电平。又因为预置数端LD端在低电平时才能工作，因此需要一个三输入及非门74LS10将Q2Q1Q0 三个输出信号及非后送到置数端完成置数。40192及74LS10接线如图4-7所示。图4-7 40192及74LS10接线图该电路图中，5脚接10HzCP脉冲，2367脚接数码管，其中是5V直流电源正极，代表高电平。也可以用集成芯片74LS1

17、61完成控制电路，集成74LS161是4位二进制同步加法计数器，为16脚双列直插式标准封装，如图4-8所示。图4-8 74LS161集成计数器管脚图 集成74LS161计数器逻辑符号如图4-9所示。图4-9 74LS161集成计数器逻辑符号其中，RD端为异步清零端，低电平有效；LD输入端为同步预置数控制端，低电平有效；预置数数据输入端包括 D3、D2、D1与D0，D3为最高位，D0为最低位；EP与ET为使能（高电平有效）输入端；进位输入端（高电平有效）C0=ETQ3Q2Q1Q0；计数结果从Q3、Q2、Q1、 Q0等输出，Q3为最高位，Q0为最低位。CO输出信号可以作为高4位计数器CP脉冲使用，

18、以实现多位计数功能。（1）异步清零：当RD=0时，不管其他输入端状态如何，CO、Q3、Q2、Q1与 Q0均为低电平，即0。（2）同步预置数：当RD=1，LD=0时，在CP上升沿置入数据D3D2D1D0，预置数结果Q3 = D3，Q2 = D2，Q1 = D1，Q0 = D0。（3）保持：当RD=1，LD=1时，使能输入ET=EP=0，不管其他各个输入端状态如何，输出状态保持不变。要特别指出是，ET=1,EP=0, CO保持不变；ET=0,EP=1, CO=0。（4）计数工作状态：当RD=LD=ET=EP=0时，74LS161处于计数状态，其状态为4位自然二进制数计数过程。计数状态达到“1111

19、”输出状态时，进位输出CO =1，产生进位信号输出，所以也可以将74LS161认为是十六进制计数器。计数前进行清零。RD端加一个清零负脉冲信号，使各个触发器输出均为“0”。计数器在计数脉冲作用下，从“0000”开始递增计数，至输出为“111”，即发生第十五个计数脉冲时，计数器产生进位信号输出，CO由“0”跳变为“1”，维持一个计数脉冲周期时间，所以进位信号时提前一个脉冲周期产生。发生第十六个计数脉冲后，计数器输出又回到“0000”输出状态。为实现六进制计数，采用反馈“置数法”。由于这个方法在前面已经介绍了，这里就不再赘述。74LS161及74LS00接线图如图4-10所示。图4-10 74LS

20、161及74LS00接线图该电路图中，2脚接10HzCP脉冲，11121314脚接数码管，其中是5V直流电源正极，代表高电平。因为74LS161从“0000”开始计数，因此在刚开始计数时候数码管上会显示一个0，但后面就循环从1到6计数，不会再出现0，再加上脉冲大，肉眼无法识别，因此这也是一个可行控制电路方案。但我们本着严格要求，最终还是摒弃了这个方案，还是采用了前面方案。43 显示电路此次课程设计显示电路采用是七段数码管，但集成计数器不能直接接在数码管上，因此还需要一个七段数码管译码器驱动器，这里我们采用是74LS48。74LS48芯片是一种常用数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路与单片机系

21、统显示系统中。74LS48管脚图如图4-11所示。图4-11 74LS48管脚图用74LS48驱动数码管电路如图4-12所示。图4-12 74LS48驱动数码管电路图 从该图中可以看出，74LS489101112131415脚分别接到共阴极数码管各脚，1267脚及集成计数器40192或74LS161相连，345脚接高电平，其中是5V直流电源正极，代表高电平。由于本次所使用集成计数器都是在脉冲上升沿或下降沿才开始计数，因此只要在脉冲送入计数器前端加一个开关即可控制脉冲源。当开关闭合时，计数器正常计数，数码管从1到6循环计数；当开关断开时，数码管计数停止。这样就完成了电骰子功能。5 组装电路电源、

22、万用表、面包板、导线5.2 调试电路方法与技巧电路接线完成后，首次或者多次调试不成功是很正常现象，这就需要我们掌握一些调试小技巧与方法。1检查电路任何组装好电子电路，在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否有错误。对照电路图，按一定顺序逐级对应检查。特别要注意检查电源是否接错，电源及地是否有短路，二极管方向与电解电容极性是否接反，集成电路与晶体管引脚是否接错，轻轻拔一拔元器件，观察接点是否牢固，等等。2通电观察一定要调试好所需要电源电压数值，并确定电路板电源端无短路现象后，才能给电路接通电源。电源一经接通，不要急于用仪器观测波形与数据，而是要观察是否有异常现象，如冒烟、异常气味、放电声光、元器

23、件发烫等。如果有，不要惊慌失措，而应立即关断电源，待排除故障后方可重新接通电源。然后，再测量每个集成块电源引脚电压是否正常，以确信集成电路是否已通电工作。3静态调试先不加输入信号，测量各级各管脚直流工作电压是否正常。直流电压测试非常方便，可直接用电压表或万用表测量。一般对晶体管与集成电路进行静态工作点调试。4指标测试电子电路经上述过程调试正常之后，便可对课题要求技术指标进行测量。测试并记录测试数据，对测试数据进行分析，最后做出测试结论，以确定电路技术指标是否符合设计要求。如有不符，则应仔细检查问题所在，一般是对某些元件参数加以调整与改变。若仍达不到要求，则应对某部分电路进行修改，甚至要对整个电

24、路重新加以修改。因此，要求在设计全过程中，要认真、细致，考虑问题要更周全。5.3 调试中出现故障与原因及排除方法 我们选课题电路比较简单，因此很快就完成了接线，但调试花了我们很大一部分时间。最初做电源时，我们尝试了用晶振做，但调试结果非常不令人满意，频率很不稳定，用手碰一下就会极大影响其频率，最后我们摒弃了这种方法，改用555定时器构成多谐振荡器来做，效果很好，因此采用了这种方法。接线过程中还多次出现数码管显示数字不正常现象，后来发现是导线或芯片及面包板接触不良造成，但这些问题都在我们反复调试下得到了解决。6 心得体会 课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析与解决实际问题，锻炼实

25、践能力重要环节，是对学生实际工作能力具体训练与考察过程。通过这次课程设计，加强了我们动手、思考与解决问题能力。回顾起此次课程设计，我感受颇多。通过这次课程设计使我懂得了理论及实际相结合是很重要，后悔平时学习中眼高手低；同时在设计过程中发现了自己不足之处，对以前所学过知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计提高了我们逻辑思维能力，使我们在逻辑电路分析及设计上有了很大进步，加深了对组合逻辑电路及时序逻辑电路认识，进一步增进了对一些常用逻辑器件了解。同时经过这次课程设计，我知道了平时要养成多查阅资料好习惯，不要遇到不懂就问别人，只有经过自己一番努力思考再及教师或同学讨论，才能真正学到知识。当

26、你拿到一个任务但却无从下手时，不妨将任务细分成若干小任务，然后各个击破，逐一拿下。当我们发现问题时，不要急于求救于别人，我们要自己进行独立思考与分析，不要躲避问题，要正视你遇到问题，因为你所遇见问题将成为你以后学习宝贵经验。只要全身心投入到一件事中，并且要做成功，你就一定会有收获。有人觉得自己做不出来，就网上搜一个了事，我想说是，你放弃一次黑暗中摸索经历，就放弃了一次成长机会！如果你付出了，没有收获。那只能说，是你付出不够多。同时，相互讨论共同研究也是很重要，集体力量才是伟大。总来说，通过这次课程设计，我受益匪浅，了解了电路设计方法及步骤，学习了很多调试电路、排除电路中出现故障方法，我想这些经验及教训在以后学习与工作中都是用得着。7 系统所需元器件列表所用元器件如表1所示：表1 系统所需元件列表8 参考文献1任致程.经典智能电路300例.北京:机械工业出版社,20032康华光.电子技术基础.高等教育出版社,2006年4胡斌.图表细说电子元器件.北京:电子工业出版社，20045欧丽娅.电子线路实验及实训.高等教育出版社,20046李翰荪.简明电路分析基础. 高等教育出版社,20029 附表附表1 555集成电路逻辑功能表附表2 40192集成计数器逻辑功能表第 16 页