電子拔河游戲機設計.doc

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上 海 電 力 學 院 課題名稱 電子拔河游戲機 課題代碼 211 院（系） 電氣工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 2011023 學號及姓名 20112921 詹志文 時 間 2014年01月13號 指導教師簽名： 教研室主任（系主任）簽名： 目 錄 一、設計目的及設計要求 3 二、整體概述 三、個人負責部分 四、實物制作 五、設計心得與體會 六、致謝 七、參考文獻 一 設計目的及設計要求 （一）、設計目的： 1、了解并掌握電子電路的一般設計方法，具備初步的獨立設計能力。 2、通過查閱手冊和文獻資料，進一步熟悉常用電子器件的類型和特性，并掌握合理選用的原則；進一步掌握電子儀器的正確使用方法。 3、學會使用EDA軟件Multisim對電子電路進行仿真設計。 4、初步掌握普通電子電路的安裝、布線、調(diào)試等基本技能。 5、提高綜合運用所學的理論知識獨立分析和解決問題的能力，學會撰寫課程設計總結報告；培養(yǎng)嚴肅認真的工作作風和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。 （二）、設計要求： 1、任務 設計并制作1個電子拔河游戲機。 2、基本要求 1）比賽開始，由裁判下達比賽命令后，甲乙雙方才能輸入信號，否則，由于電路具有自鎖功能，使輸入信號無效。 2）“電子繩”至少由9個LED管構成，裁判下達“開始比賽”的命令后，位于“電子繩”中點的LED發(fā)亮。甲乙雙方通過按鍵輸入信號，使發(fā)亮的LED管向自己一方移動，并阻止其向?qū)Ψ窖由?。當從中點至自己一方終點的LED管全部發(fā)亮時，表示比賽結束。這時，電路自鎖，保持當前狀態(tài)不變，除非由裁判使電路復位。 3）記分電路用兩個七段數(shù)碼管分別對雙方得分進行累計，在每次比賽結束時電路自動加分。 3、設計方案 電子拔河游戲機原理框如圖1所示: 圖1 電子拔河游戲機原理框圖 可采用可預置的加／減計數(shù)器作主要器件，用計數(shù)器的輸出狀態(tài)通過譯碼器控制LED發(fā)亮。當向計數(shù)器輸入“加脈沖”，使其作加運算時發(fā)亮的燈向甲方延伸，相反，當向計數(shù)器輸入“減脈沖”時，發(fā)亮的燈向相反方向移動。電路的主要部分可以用移位寄存器構成。 當一局比賽結束，即發(fā)亮的LED延伸到某方終點時，由點亮該終點燈的信號使電路封鎖加／減脈沖信號的作用，即實現(xiàn)電路自鎖，使加／減脈沖無效。同時，使計分電路自動加分?？刂齐娐凡糠謶芸刂朴烧袷幤鳟a(chǎn)生的脈沖信號進入計數(shù)器的加／減脈沖輸入端，其進入方向則由參賽雙方輸入的按鍵信號決定。 二 整體概述 (一)任務分析： 電子拔河游戲機是一種能容納甲乙雙方參賽或甲乙雙方加裁判的三人游戲電路。由一排LED發(fā)光二極管表示拔河的“電子繩”。由甲乙二人通過按鈕開關使發(fā)光的LED管向自己一方的終點移動，當亮點移到任何一方的終點時，則該方獲勝，連續(xù)比賽多局以定勝負。 本課題小組所設計的拔河游戲機采用“七局四勝制”,由9個電平指示燈排成一行，剛開始時只有中間一個電平指示燈亮，并以此為標準，作為雙方拔河的中心參照。當裁判下令開始后，雙方各持一個按鍵，迅速、持續(xù)地按動按鍵產(chǎn)生脈沖。哪一方按的快，亮點就向該方移動。每按動一次按鍵，亮點就移動一次，直至移動到任意一方終端指示燈點亮，這一方就獲勝。此時雙方按鍵均無作用，輸出保持不變，只有經(jīng)裁判復位后，亮點才恢復到中心線的位置。某方贏一次，由計分電路自動給該方加分一次，通過多次比賽定勝負。 （二）各部分原理及元器件管腳介紹： 1、74HC00的引腳圖 2、74HC08的引腳圖 3、74LS192的引腳圖 輸入 輸出 CLR CPU CPD D C B A QD QC QB QA 1 0 0 0 0 0 1 d c b a d c b a 0 0 ↑ 1 加計數(shù) 0 0 1 ↑ 減計數(shù) 4、74HC138的引腳圖 輸入 輸出 G1 C B A 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 5、74LS48七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器的引腳圖與七段數(shù)碼管 6、74HC161的引腳圖 輸入 輸出 ENT ENP D C B A Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 ↓ d c b a d c b a 1 1 0 保持 1 1 0 保持 1 1 1 1 ↓ 計數(shù) 三 個人負責部分 （一）整形電路部分：（主要由詹志文負責并撰寫） 1、 目的：給實驗輸入信號，模擬現(xiàn)實中甲乙的輸入。 2、 要求：由于74LS192在實現(xiàn)加減計數(shù)的過程中，一方給脈沖的時候，另一方需保持在高電平的位置。為了使每個脈沖都有效，輸入脈沖需要有較大的占空比。 3、原理說明： 由與門74HC08和與非門74HC00構成。因74LS192是可逆計數(shù)器，控制加減的CP脈沖分別加至5腳和4腳，此時當電路要求進行加法計數(shù)時，減法輸入端CPD必須接高電平；進行減法計數(shù)時，加法輸入端CPU也必須接高電平，若直接由開關K鍵產(chǎn)生的脈沖加到5腳或4腳，就有很多時機在進行計數(shù)輸入時另一計數(shù)輸入端為低電平，使計數(shù)器不能計數(shù)，雙方按鍵均失去作用，拔河比賽不能正常進行。加一整形電路，使開關K二鍵出來的脈沖經(jīng)整形后變?yōu)橐粋€占空比很大的脈沖，這就減少了進行某一計數(shù)時另一計數(shù)輸入為低電平的可能性，從而使每按一次鍵都有可能進行有效的計數(shù)。 整形電路的原理其實就是用到的是競爭冒險。產(chǎn)生原因：由于延遲時間的存在，當一個輸入信號經(jīng)過多條路徑傳送后又重新會合到某個門上，由于不同路徑上門的級數(shù)不同，或者門電路延遲時間的差異，導致到達會合點的時間有先有后，從而產(chǎn)生瞬間的錯誤輸出。 4、整形電路圖： 開關不動時整形電路給74LS192加法輸入端CPU 和減法輸入端CPD都是高電平，當撥動開關后由于“競爭冒險”，74LS192的一個輸入端會產(chǎn)生一個脈沖，而另一個滿足是高電平，從而74LS192實現(xiàn)一次加或減的計數(shù)。 5、仿真電路及波形產(chǎn)生 （1）電路仿真： （2）波形產(chǎn)生： （三）譯碼電路部分：（主要由陳成負責并撰寫） 1、目的： 接收上家可逆計數(shù)器的輸出信號，經(jīng)自身功能使發(fā)光二極管工作。 2、 要求： 當上家可逆計數(shù)器為加法計數(shù)時，使發(fā)光二極管從中間向左移動； 當上家可逆計數(shù)器為減法計數(shù)時，使發(fā)光二極管從中間向右移動。 3、原理說明： 由兩個3—8線譯碼器構成一個4—16線的譯碼器，本組采用兩個74HC138芯片連接。由于74HC138有三個使能端，它必須在一個使能端高電平有效，兩個使能端低電平有效的情況下才能處于工作狀態(tài)。因此，本部分將其中右邊的74HC138芯片的高電平有效的使能端接上家可逆計數(shù)器的D端，兩個低電平有效的使能端接地，當D端輸出為“1”時，右邊芯片工作；將左邊芯片的高電平有效使能端接電源，兩個低電平有效的使能端接上家可逆計數(shù)器的D端，當D端輸出為“0”時，左邊芯片工作。在兩片芯片的輸出端中選出9個接發(fā)光二極管，發(fā)光二極管的正端接電阻接電源，而負端接譯碼器輸出。由于74HC138芯片的輸出是低電平有效。所以，當輸出為低電平時發(fā)光二極管指示燈點亮。 比賽開始時，上家可逆計數(shù)器輸入為“0000”，分別賦予給兩個74HC138芯片。此時，左邊74HC138芯片工作，輸出為0，只有中心處的發(fā)光二極管燈亮，當上家可逆計數(shù)器進行加法計數(shù)時，發(fā)光二極管從中心處依次向左亮燈，當左邊最后一個發(fā)光二極管亮時，由于74HC138輸出端是低電平有效，所以通過控制電路的作用，賦予上家可逆計數(shù)器的低電平有效的異步預制端口一個“0”的信號，從而達到使上家的可逆計數(shù)器開啟自鎖功能，不能繼續(xù)計數(shù)；與此同時，它也通過控制電路的作用，賦予給下家的74HC161一個高電平的脈沖，從而使勝負顯示電路自動加分；當上家可逆計數(shù)器進行減法計數(shù)時，發(fā)光二極管從中心處依次向右亮燈，當右邊最后一個發(fā)光二極管亮時，使上家可逆計數(shù)器自鎖，使下家電路自動加分。 4、譯碼電路圖： 5、仿真電路圖： （四）計分顯示電路部分：（主要由李寧負責并撰寫） 1、 單元電路功能： （1）、將上級LED管傳遞過來的信號經(jīng)過同步加法計數(shù)器實現(xiàn)加法計數(shù)； （2）、將加法計數(shù)器的輸出信號通過74LS48七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器將四位二進制碼轉(zhuǎn)換為七段譯碼abcdefg; （3）、七段數(shù)碼管顯示由驅(qū)動器傳遞的七段信號，實現(xiàn)數(shù)碼計數(shù)功能。 （4）、左右兩邊分別代表甲乙兩方，只要甲乙中有一方的終端LED管亮，數(shù)碼管就會自動加1，表示勝利的一方加一分。 2、 原理說明： （1）、由74HC161功能表知，當清零端CR=“0”，計數(shù)器輸出QD、QC、QB、QA立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74HC161輸出端QD、QC、QB、QA的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D，C，B，A的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。 當CR=LD=EP=ET=“1”，161計數(shù)器的時鐘脈沖輸入接收來自電子繩終端LED管的信號，通過非門產(chǎn)生一個上升沿信號，計數(shù)器加1。兩個161計數(shù)器分別接收甲乙兩方終端LED管的信號，哪一方先移到終端，該方就獲勝，計數(shù)器加“1”。161的輸出端QD、QC、QB、QA又將輸出信號傳遞至74LS48的輸入端A3、A2、A1、A0。 （2）、74LS48七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器與七段數(shù)碼管 功能表 由功能表知，燈測試輸入低電平有效。當=0時，無論其他輸入端是什么狀態(tài)，所有輸出a～g均為1，顯示字形8。動態(tài)滅零輸入低電平有效。當=1，，且輸入代碼時，輸出a～g均為低電平，即與0000碼相應的字形0不顯示，故稱“滅零”。利用=1與=0，可以實現(xiàn)某一位數(shù)碼的“消隱”。滅燈輸入、動態(tài)滅零輸出是特殊控制端，既可作輸入，又可作輸出。當作輸入使用，且=0時，無論其他輸入端是什么電平，所有輸出a～g均為0，字形熄滅。作為輸出使用時，受和控制，只有當,且輸入代碼時，=0，其他情況下=1。 74LS48七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器接收來自161計數(shù)器的信號，將四位二進制碼轉(zhuǎn)換成七段譯碼a—g，七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器的abcdefg與七段譯碼abcdefg對應相連，實現(xiàn)數(shù)碼管的數(shù)字顯示。例如，當161的輸出信號時，七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器的輸出信號只有bc為高電平，因此顯示1。 3、計分顯示電路圖： 4、仿真電路圖： 當ENP=ENT==1時，161計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)功能，當開關C置于接地端時，清零端=0，兩個161計數(shù)器實現(xiàn)同步清零，無論開關A、B如何撥動，七段數(shù)碼管一直為0；當開關C置于高電位5V時，電路實現(xiàn)計數(shù)功能，開關A每上下?lián)軇右淮?，左邊的?shù)碼管的數(shù)字將會加1，開關B作用也是如此，右邊數(shù)碼管將會隨著開關B的作用而加數(shù)。 四 總仿真圖及說明： 1、將開關C置高電平， D置低電平，即通過74LS192的清零端CR和74HC161的清零端CR使中心發(fā)光二極管發(fā)光和勝負顯示器為0。 2、將開關C置低電平， D置高電平， ，即使74LS192的清零端CR為低電平和74HC161的清零端CR為高電平，使74LS1932和74HC162進入工作狀態(tài)，此時甲乙雙方分別快速按動鍵A、B，使74LS192計數(shù)器進行加減運算，可以看到發(fā)光二極管左右移動，下圖為左方獲勝的情形，左右雙方的得分為3:1。 四 實物制作 下圖為我們小組實物完成的記錄 五、設計心得與體會 　　與小組成員們經(jīng)過一周的齊心協(xié)力、精誠合作，終于成功完成了本次電子技術課程設計。這次的課程設計是大學以來令我最難忘的，也是感觸最深的。 我從這次課程設計真的得到了許多收獲。首先是設計工作，一個好的作品的首要前提是這個作品的設計正確，原理清晰明了。第一天，在老師的指導下，和伙伴們一同討論了“電子拔河游戲機”的設計，這過程中，切實感受到本學期“數(shù)字電子技術”與實驗沒有白學了。過去有時總會疑惑我們所學的這些東西有什么用，這次課程設計是把所學的理論知識用到了實際中，并且要求我能把所學的內(nèi)容聯(lián)系結合起來，能把各種芯片的功能結合起來做出一個想要的產(chǎn)品。而且僅靠書本上的知識是不夠的，要求我們上網(wǎng)查詢一些資料，考驗了我們借助互聯(lián)網(wǎng)絡搜集、查閱相關文獻資料，和組織材料的綜合能力。從設計工作中了解并掌握電子電路的一般設計方法，具備初步的獨立設計能力。 在第二天上午一起初步定下來設計方案后，就立馬進行了分工，把我們總的設計分成了四個模塊，下午小組每人分別負責一個模塊進行仿真。小組成員分別完成各自的仿真后，又進行了各自討論講解，把各自的仿真部分講解給了其他成員，待其他成員都完全明白后，把各自負責的模塊進行了整合，連接出一個完整的電子仿真，并且運行、改進，最后確認無誤，旁晚答疑時間給指導老師做了演示，經(jīng)老師確定可以按仿真設計。從這部分工作中學會使用EDA軟件Multisim對電子電路進行仿真設計。 設計與仿真工作都進行地比較順利，接下來在面包板上實際制作拔河游戲機是最有意思，也是碰到困難最多的。芯片的排版也非常重要，因為這直接影響到接下來的接線是否方便和外觀是否美觀。接線是一細活，每一根線都得小心而且連接正確，只要有一根線接錯了就會影響整個電路，使得不能正常工作。所以這部分的合作尤為重要，得一起合作觀察接線者是否接錯線路，成員需要幫忙裁剪導線等等。從整形電路到電子繩部分就調(diào)試了整整兩天，尤其是整形部分接線需要的與非門比較多，前前后后重連了不下五次。調(diào)試的三天里面大家都幾近廢寢忘食，一份耕耘，一份收獲，在成功的那刻，我們抑制不住內(nèi)心的喜悅歡呼了起來。 通過設計拔河游戲機電路，讓我對數(shù)字電子技術這門課有了更深刻的了解，對電子器件的認識也不再停留在字面上，實現(xiàn)了從理論到實踐的飛躍。我了解到理論和實踐是分不開的，只有理論不行，當你面對一堆元氣件時，你會茫然不知所措；可只懂實踐也不行，當別人問你為什么會這樣，怎么樣才算正確，你如果說憑感覺是不足以服人的。學習的目的就是去應用，只有實踐才能將書本知識轉(zhuǎn)化為實用的技能?？偟膩碚f，這次課程設計讓我提高綜合運用所學的理論知識獨立分析和解決問題的能力，也發(fā)現(xiàn)了自己還有很多不足之處。在之后的學習中，我會更加注重將理論學習與實踐結合起來。 六、致謝 本次課程設計，要特別感謝我的指導老師---張健偉老師。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的仿真到項目的最終完成，張老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。 另外，我還要感謝在一起完成本次課題的組員陳成、崔燦、李寧，正是大家共同努力，才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本次課程設計的完成。 7、 參考文獻 1．數(shù)字電子技術實驗指導書 周紅軍版 中國水利水電出版社 2．電子技術基礎（數(shù)字部分） 康華光版 高等教育出版社 3．數(shù)字電子技術 任中民版 清華大學出版社 4．http://wenku.baidu.com/view/7aa85337f111f18583d05a14.html