毕业设计（论文）-足球比赛游戏机逻辑电路设计.doc

物理与电子信息学院毕业论文 足球比赛游戏机逻辑电路设计摘要：本文是介绍用数字系统模拟足球场上双方对垒比赛的场面及控制足球比赛游戏机的设计，用中小规模数字集成电路实现足球游戏机逻辑控制设计。由LED发光二极管代替足球运动，并按一定的规则进行对垒比赛，甲乙双方各有一个操作比赛的按钮AN1和AN2，按动使足球左右移动。当进球时记分电路会给进球方自动加1。时间倒计时到00时指示灯亮起以示比赛结束，高分者为获胜方。关键词：足球游戏机；集成电路；倒计时电路；设计；电路板制作 中途分类号：TN79 文献标识码：A1 引言随着科学技术的发展，人类社会已进入到高度发达的信息化社会, 信息时代的发展带来了电子产品的进步。现代电子产品的发展越来越快, 各种新型电子元器件和智能化的电子产品已经在国民经济的各个领域和人们生活的各个方面得到了日益广泛的应用。实现这种进步的主要原因就是生产制造技术和电子设计技术的发展。其中电子玩具的发展也是在日益成熟。足球比赛的场面是激动人心的，足球游戏机就是模拟足球场上双方对垒比赛的场面。2.设计要求和任务 用数字系统控制足球比赛游戏机，其控制电路框图如图 1.1 所示。游戏机球的运动用发光二极管表示。 按照足球比赛的规则，该游戏机应有：按动开始键后，中间发光二极管D8亮，甲、乙双方比赛可以开始，可以按动各自的比赛按钮，进行比赛。足球进入球门，则自动加1分，一位显示满分为9分；二位显示满分为99分。 图1.1 足球游戏机逻辑控制框图足球比赛游戏机也有时间限制，在规定的时间内，分值高者获胜。 用中小规模数字集成电路设计足球比赛游戏机逻辑控制电路，具体的设计要求如下：比赛时间可自己设定，099分钟（或099秒）。 足球可在甲、乙双方操作下向左、向右移动，当进入球门后，系统将给进球方自动加1分。 比赛时，足球进入球门后，进行自动加1分，再按一下复位键，使足球到中间，即中间的D8发光二极管亮。此过程中不停表。 计分显示为2位显示，时间显示为2位显示。 当比赛时间倒计时到00时，光警示比赛结束，高分者为获胜方。3 电路原理根据足球比赛游戏机设计任务和要求，足球比赛游戏机得逻辑电路控制参考图如图3.1所示:图3.1 足球比赛游戏机得逻辑电路控制参考图3.1 比赛电路它由74LS193可逆计数器，4线-16线译码器74LS154，双BCD码十进制计数器74LS390和译码显示等芯片组成。当按动“RESET”复位按钮，74LS193置入“1000”,D8灯亮，示意足球在场中间。当按动“RESET”启动按钮后，触发器（74LS74）Q端输出高电平“1”，允许比赛按钮AN1，AN2输入。按动AN1进行加法计数，按动AN2进行减法计数。这样，经译码输出后的发光二极管左右移动。若发光二极管移至D0亮时，进右球门，74LS390-1计数一次。无论D0或D15为亮，都使74LS74D触发器清零，Q=0，使AN1，AN2输入无效，74LS154使能为高。只有再按动START启动键后，D触发器为1，AN1，AN2方可输入，且74LS154使能（选中）。3.1.1 比赛电路中使用的集成块74LS193为可预置同步加/减计数器，具有双时钟，共有54193/74193，54LS193/74LS193 两种线路结构形式。193 的清除端是异步的。当清除端为高电平时，不管时钟端状态如何，即可完成清除功能。193在使用的过程中一定需要先给一个清零信号。 193 的预置是异步的。当置入控制端为低电平时，不管时钟的状态如何，输出端即可预置成与数据输入端相一致的状态。 193 的计数是同步的，靠时钟端同时加在 4个触发器上而实现。在时钟端上升沿作用下输出端同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用减法计数端或加法计数端，此时另一个时钟应为高电平。 当计数上溢出时，进位输出端）输出一个低电平脉冲，其宽度为加法计数端低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端输出一个低电平脉冲，其宽度为减法计数端低电平部分的低电平脉冲。 当把借位输出端和进位输出端分别连接后一级的减法计数端、加法计数端，即可进行级联。74LS193的引脚图如下图所示：图3.2 74LS193的引脚图比赛电路中还用到了4线-16线译码器74LS154 74LS154的主要特点是： 将4 个二进制编码输入译成16 个彼独立的输出之一 将数据从一个输入线分配到16 个输出的任意一个而实现解调功能 输入箝位二极管简化了系统设计 与大部分TTL 和DTL 电路完全兼容74LS154的工作原理是这种单片4 线16 线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。当两个选通输入G1 和G2 为低时, 它可将4 个二进制编码的输入译成16 个互相独立的输出之一。实现解调功能的办法是：用4 个输入线写出输出线的地址，使得在一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。当任何一个选通输入是高时，所有输出都为高。74LS154的引脚图如下图所示：图3.3 75LS154的引脚图另外还用到了双BCD码十进制计数器74LS390。 74LS390有两个触发器，并且两个触发器有独立的时钟，可以构成两个2分频和两个5分频计数器。每个计数器都有直接清楚功能，能够有效提高系统密度，缓冲输出，减小集电极转换的可能性。工作频率一般在35MHZ。74LS390的内部电路有八个主从触发器和附加门，以构成两个独立的4位计数器。74LS390的引脚图如下图所示： 图3.4 74LS390的引脚图3.2 定时电路定时电路由时间设定拨码开关，减法计数器74LS190,译码显示74LS248，LC5011-11及脉冲电路组成。比赛时，先设定比赛时间，例如50分钟，则置8421拨码开关为KS1=5,KS2=0。当按动“RESET”键后，“50”就置入74LS190中，按动启动按键后，D触发器的输出Q=1，秒脉冲有输出使DP按一秒一闪一闪，同时利用74LS90-1和74LS90-2经60分频后，变成分脉冲输出，定时器每一分钟减1。若比赛电路进球，使D触发器翻转，Q=0，这时，计数器停止计数。只有在按动“START”启动后，比赛允许进行时，定时器再作减法计数。当定时时间到，即高位74LS190M0/M1端输出一高电平，使定时指示灯灭，而喇叭响起来，告知比赛操作者，定时间到，比赛结束。3.2.1 定时电路中使用的主要集成块定时电路中用到了十进制加减同步计数器74LS190，190 的预置是异步的。当置入控制端（ LD ）为低电平时，不管时钟CP 的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（D0D3）相一致的状态。 190 的计数是同步的，靠CP 加在4 个触发器上而实现。当计数控制端（CT ）为低电平时，在CP 上升沿作用下Q0Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制（U /D）为低电平时进行加计数，当计数方式控制U /D）为高电平时进行减计数。只有在CP 为高电平时CT 和U /D 才可以跳变 190 有超前进位功能。当计数溢出时，进位/错位输出端（CO/BO）输出一个低电平脉冲，其宽度为CP 脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端（ RC ）输出一个宽度等于CP 低电平部分的低电平脉冲。利用 RC 端，可级联成N 位同步计数器。当采用并行CP控制时，则将RC 接到后一级CT ；当采用并行CT 控制时，则将RC 接到后一级CP。引出端符号：CO/BO 进位输出/错位输出端CP 时钟输入端（上升沿有效）CT 计数控制端（低电平有效）D0D3 并行数据输入端LD 异步并行置入控制端（低电平有效）Q0Q3 输出端RC 行波时钟输出端（低电平有效） U /D 加/减计数方式控制端74LS190的引脚图如下图所示：图3.5 74LS190的引脚示意图定时电路中用到了译码显示74LS248，74LS248为有内部上拉电阻的七段译码器，共有54/74248和54/74LS248两种线路结构形式。 输出端(a-g)为低电平有效，可直接驱动指示灯或共阴极LED。当要求输入 015 时，消隐输入(/BI)应为高电平或开路，对于输出 0 时还要求脉冲消隐输入(/RBI)为高电平或开路。 当 BI 为低电电平，不管其它输入端状态如何，ag 均为低电平。 当RBI 和地址端(AD)均为低电平，并且灯测试(/LT)为高电平时，ag 均为低电平，脉冲消隐输出(/RBO)为低电平。 当 BI 为高电平开路时，/L T 的低电平可使ag 为高电平。 248 与48 的引出端排列，功能和电特性分别相同，差别仅在显示的字形6 和9。引出端符号： ABCD 译码地址输入端；BI，RBO 消隐输入（低电平有效）； 脉冲消隐输出（低电平有效）； LT 灯测试输入端（低电平有效）； RBI 脉冲消隐输入端（低电平有效）； a-g 段输出（低电平有效）； 74LS248的引脚图如下图所示： 图3.6 74LS248引脚示意图3.3 振荡电路振荡电路采用CD4060，将32768HZ晶振分频为2HZ，再一次分频获得1HZ，Q6和Q13相“与”，产生间隙振荡频率输出。更改后的电路采用了555产生脉冲。3.4 操作按钮 操作按钮AN1，AN2不加防抖电路，主要是恰当地利用74LS193误计数，误动作，而实现远距离射门。3.5 电路中用到的其它主要集成块足球游戏机逻辑电路还用到了74LS08，74LS00和74LS74些基本的集成块。4 原理图的绘制及制作过程4.1 原理图的绘制根据设计的要求及设计原理，需绘制设计草图，设计完电路草图之后，需要进行仿真测试，绘制规范的电路原理图，生成印刷电路板。Protel99及其升级版本可以帮助我们完成这个过程。它提供的内容有电路原理图的绘制，印刷电路板得绘制和打印出电路板图。由所选的元件，根据其引脚封装形式绘制电路原理图，生成电路板图，打印电路板图。有了电路板图就可以生成印刷电路板，然后腐蚀电路板，根据电路图焊接电路。4.1.1 原理图绘制过程中遇到的问题及解决方案 电路中需要使用大量的集成块，但是大部分的集成块在Protel中给的引脚图不能满足实际上所使用的引脚数量，所以在绘制电路图的过程中并不使用集成块本身所对应的元件图，而是使用与之引脚数相同的连接器代替，这样使电路图的的绘制变得方便。路中使用的每一个集成块都需要与电源、地线连接，而且电路线路比较复杂，所以要考虑如何合理的设置电源线和地线。并且注意每个集成块的接地和接电源的脚。在定时电路部分时间的设定需要拨码开关进行时间的设定，但是由于拨码开关不容易买到，所以换用普通的可以锁定的按动开关来实现。选用四个按动开关来设定比赛时间。由于开关的种类众多，所以在Protel中需要根据所选用的实际开关类型对电路中的开关进行封装。4.2 电路板及实物的制作过程4.2.1 生成网络表时遇到的问题及解决方案在绘制完电路图之后需要生成PCB板之后才能制作电路板，生成PCB板之前要生成网络表，但在生成网络表时发现电路图出现了许多的错误。错误主要分为了两种：Error Net not found (网络没有找到)和 Error Component not found (元件没有找到。特别要说明的是，通常我们按照Protel99设计教程中关于修改网络表错误的方法（即在网络宏Netlist Macro编辑对话框中进行修改）并不总是奏效，甚至出现越改提示的错误越多的情况，造成无法进行PCB自动布线。究其原因主要有以下几方面：Protel99的原理图中元件的引脚编号和PCB元件库中的元件封装不一致，PCB元件库中的重名元件之间封装不一致，原理图中元件库中重名的引脚编号不一致，Protel99网络表只能严格按照一一对应的方式建立各元件之间的网络关系。Protel99网络表没有模糊识别元件引脚之间相互联系的能力。例如，对二极管、整流器一类元件的引脚编号在Protel99中有几种方式，二极管的正极用1或A表示，负极用2或K表示。如果原理图中的二极管用12表示引脚，而PCB图中系统查找到的二极管封装图使用AK表示引脚，那么在引入网络表时最容易产生Error Net not found的错误。由于Protel99元件库非常庞大，而且其分类又不太适合国内电子电路设计人员的工作习惯，往往为了调入元件方便而在设计管理器中预先加载了很多的元件库，甚至是全部的元件库文件。而Protel99系统在调入网络表时，对元件封装的查找带有很大的随机性，仅仅是严格地“对号入座”。这与一般的设计人员在设计中对二极管一类元件只注意是正极还是负极是不同的。只要我们把原理图中的引脚编号与PCB元件封装引脚编号修改一致，重新调入网络表就会立刻发现网络表中提示的相关“Error Net not found”不见了。有时候，明明知道PCB元件库中有某一个元件，而网络表中就是不断的提示“Error Component not found ”，这除了与上述原因有关以外，还与Protel99提供的元件库编排繁杂有关。Protel99所带的元件库实际上是“历史的累积”分类并不十分合理。多数与电子厂商提供的原始资料有关。重名的元件并不一定完全一致。特别是电子元件的封装相当一部分是国外元件厂商自定的标准,相互之间存在一些差异。例如，一般设计人员在进行设计时，只关心某一元件的技术参数，而并不关心这个元件是哪一个厂商的产品。因此从原理图设计开始就应该注意到上述问题,以保证事后网络表能“一对应”地与PCB图建立网络关系。我在绘制原理图时为了做成电路后方便进行器件的安装就重新对元件进行了命名，结果出现了77多个错误，经过将名字重新命名为软件默认的元器件的名称能够，遇到的错误就解决了。4.2.2 印刷电路板设计注意事项工作层：限制布线的范围一定是在禁止布线层，由于做的是单面板，所以元件的放置和布线都应该在底层。走线的设置：在布线之前需要设置走线的规则需要根据电路板的大小及元器件的数目合理的设置走线规则。由于本设计中集成块的数目较多，在布线是容易出现重线，所以为了布线方便，我将电路按照原理划分为几个部分，分别绘制原理图，生成不同的PCB板，最后在焊接电路时在使用导线将这些不同的部分连接起来，形成一个完整的设计。焊盘的大小：在装载网络表之前需要将原理图中所有元件的引脚封装的大小全部进行修改。4.2.3 电路板的制作及其注意事项印刷电路板图设计好了后，设置好连线的宽度，过孔的大小以及元器件之间的距离，可以通过激光打印机打印到转印纸上，然后根据图纸的大小合理的切取铜板。首先需要将铜板清洗干净去除上面附着的氧化层，之后将转印纸贴在铜板上通过塑封机，将电路图转印在铜板上，注意需要将铜板多次经过塑封机，使电路完全转印在铜板上。在电路图完全转印到铜板后将铜板放在药水中进行腐蚀，当铜板上除了电路图其他的地方的铜都腐蚀掉后就将板子放在水中进行清洗，洗去上面的墨迹露出铜线部分。在完成电路板的制作过程中发现了以下的问题：在通过塑封机的过程中需要把转印完得电路图纸紧密的粘贴在铜板上，以免在多次通过塑封机时转印出重影，使电路图变得模糊不清。通过塑封机的次数不能过多，过多的话烧焦铜板，使转印纸紧贴在铜板上不容易去掉，而且是转印到铜板上的电路图容易脱落，给腐蚀带来不便。完成电路板的制作后，将器件安插在电路板上，发现电路板在设计和制作的过程中仍然存在缺陷。首先发现器件的放置不合理，许多器件放置的距离比较近，所以在安插的过程中比较困难。并且在设计的过程中忽略了集成块做的实际大小，因此在安插集成块座时有些不能完全插入。象图中需要四个开关设置定时时间，到时在画图的时候没有考虑到所选择的五脚开关的大小所以画图是将四个开关的位置设置的很近所以在进行器件安插时就出现了问题，只能使用导线连接并且不能将开关放置在电路板上。另外由于现实中开关的种类很多，在Protel中并没有给出特定的开关的封装，需要设计者自己根据自己所选择的开关画出元件的封装，我所选用有六脚的锁定开关和四脚的复位开关，在Protel中有四脚和六脚的双列直插式元件的封装，于是我用这个封装代替但生成板子之后发现两列的引脚宽度比实际上开关的宽。其次在设计的过程中线的宽度设计比较窄，焊盘的直径比较小，给焊接带来了不便。另外焊盘比较小使得打孔的时候也带来了不便。我在打孔的时候使用了直径为0.6毫米的钻头，结果在插件的时候发现孔比较小，又重新使用0.8毫米的钻头。所以在设计电路的过程就需要将元件封装库中元件封装的焊盘大小进行调整。此外在使用钻进行打孔的过程中，需要注意打孔的速度要慢，否则会将铜皮带掉。在焊接元件的过程中，由于元件的焊盘比较小，连线比较细，所以一定得防止出现短路的情况。4.3 实物的调试由于设计中使用了大量的集成块，为了防止集成块损坏，所以使用了集成块座。为了保证实验结果，需要对每个集成块按照其逻辑功能对集成块进行逐个的测试，保证每个集成块实现的功能是正确的。但是使用集成块座仍然存在缺陷有可能集成块和座之间导致接触不好。完成实物的焊接之后发现电路板不能正常工作使用万用表进行测量之后发现电路中存在着短路的现象，经过检查发现电源线和地线连接在一起。通过检查原理图发现图中的一个集成块移位造成的。所以重新制作了PCB板。并且通过使用数字电路实验箱对集成块进行检测发现和对电路进行连接测试实验发现大量使用集成块会使电路的实现产生很大的困难，所以对电路进行了修改，设计电路电路图如下图所示：图4.1 电路原理图通过对集成块的原理进行分析后对电路进行了进一步的修改电路中数码管驱动换用了74LS248，因为74LS248中本身含有上拉电阻所以不能使用14个470的电阻。修改后的电路图如下图4.2所示。将电路图进行分解形成电路板，焊接完元件后对电路进行分块进行检测，发现电路中仍存在问题：图4.2 生成PCB板的电路图 二极管正负极反接。 74LS00在电路中并不起作用。 74LS390的一脚是输入端但并没有输入信号。 74LS193不工作。 复位开关没有起到作用。 脉冲电路产生的脉冲没用起到脉冲作用。经过分析电路发现74LS00在电路中没有任何的作用，可以不需要这部分电路就行。并且将74LS390的1脚接到74LS154的1脚上作为输入，另外添加了数码管复位开关。经过改进后的电路图如下图图4.3所示。用改进后的电路图生成的PCB图如下图4.4所示。通过对电路进行修改基本完成电路的功能，但是仍然存在着大量的不足之处。脉冲电路两路中有一路有时不能正常工作，反应不是十分的灵敏。由于15个二极管中有一个二极管与其他二极管不同可能造成电压不同所以亮度和工作与其他的14个不同，产生的电压不同使得数码显示部分不太正常。另外由于使图4.3 改进后的电路图图4.4 PCB板图用较多的集成块，并且修改电路使用了大量的飞线和焊接不太合格所以造成电路中出现接触不良，使电路的工作不太正常。在完成设计的基本功能后，要对设计加一个外观时发现LED灯的位置不是十分的合适，所以重新换了LED灯，换过之后发现电路不能正常工作。主要现象是所有的LED灯都亮了，经过分析检查后发现时74LS154坏了。因为74HC154和74LS154是一样的功能，电路中使用了74HC154是MOS管，MOS管中的绝缘栅容易被击穿。我在焊接LED时忽略了这个问题，所以集成块烧掉了。因此在焊接过程中应该特别注意这些问题。5结束语通过这次做毕业设计我收获了很多东西，深刻地感受到了理论与实际的差别。例如PCB板的制作过程，在学习Protel这门课时总感觉PCB板的制作过程很简单，只要会使用软件，绘制出原理图就可以顺利地作出PCB板，但实际的制作过程并非如想象的那么容易。简单的绘图过程并不需要考虑实际上元件的大小，走线的粗细，但若要生成PCB板时就必须根据实际元件的大小考虑过孔的宽度，走线的粗细，PCB板的大小。并且我们在平时学习的过程中知识只是简单的学习集成块的知识，但是在实际电路中可能会出现许多集成块的组合而且在实物的焊接过程中也需要注意集成块的种类。另外由于平时也很少的制作实物，所以在焊接的过程技术也不是十分的熟练，焊接时容易出现错误，虚焊和损坏集成块的情况。此外，通过这次毕业设计的制作也发现自己所学的知识是十分有限，而且以前所学的知识也有遗忘和不牢固的地方。所以需要不断地丰富自己的知识。参考文献1 闫石.数字电路技术基础 北京： 高等教育出版社.2006.2 徐莹隽.数字逻辑电路设计实验 北京：高等教育出版社 2008.3 刘常澍等.数字逻辑电路 北京：高等教育出版社 2008.4 陈惠民.数字逻辑电路分析与设计学习指导及题解 北京：清华大学出版社 2007. 5 王振宇等.数字逻辑电路 合