电工电子课程设计电骰子正文

摘要此项设计主要利用了数字电子技术的基础知识，最终设计出一个能在LED上随机产生1至6的电骰子。本文将从电骰子系统结构原理入手，并设计出两套初步的方案，从各方面比较两套方案的优劣后，选取最优方案，然后通过Proteus进行电路仿，仿真调试成功后即开始准备元器件在面包板上进行电路设计，随即开始仔细地调试电路，测试电路的各项功能，并改进不足。最后，总结了自己设计电骰子的心得体会，归纳了电路设计和电路调试的方法，为以后的电路设计积累宝贵的经验。关键词：电骰子Proteus仿真调试绪论电骰子是一个理论联系实际很紧密的应用，本项设计从生活出发，充分利用我们所学的电路方面的知识，以小组为单位，完全自主地完成作品。我们小组从一开始的信息收集到各自方案的设计等方面都表现得非常的积极活泼。方案的确定工作进行地更为细致，由于我们小组每个成员的方案都相当优秀，难分高下，给确定最终方案带来了很大阻力。后来我们小组内部决定，先各自独立完成自己的实物连接与调试，实物效果较稳定的作品再送往老师验收。这样确保了每个成员都有验证自己亲手设计的作品的机会，而且最后验收也会万无一失。在开始实物连接之前，我们组购买了充足的电子元器件，开销基本在50元左右。实物连接与调试时，由于面包板和导线都非常新，而且各自都非常熟悉自己的电路连线图，所以实物连接进行的很快。虽然调试时遇到了不少无法预料的故障困难，但是经过自己的独立思考，结合自己收集到的资料信息，最终还是克服重重障碍，顺利达到预期要求的功能，完成了作品。电骰子的设计与制作1结构设计与方案选择1.1电骰子系统结构电骰子系统包含CP脉冲部分、开关控制部分、6进制计数部分以及数码管显示部分等4个部分构成。各部分的大致功能如下：CP脉冲部分：产生一个频率比较高的时钟脉冲，让数码管上的数字快速跳动，这样拨动开关时，我们不能看清数码管上的数字，保证了摇骰子的公平性，既能够随机产生一个点数了；开关控制部分：拨动一下开关电骰子开始“摇动”，再拨动一下开关，骰子立即停止并显示一个数字；6进制计数部分：能够实现从1到6的六进制循环计数功能，保证骰子“摇动”的连贯性和随机性；数码管显示部分：显示摇出电骰子的点数，即用1、2、3、4、5、6共六个数字来表示电骰子的六种点数。电骰子系统的结构框图如图1-1所示。CP脉冲CP脉冲产生部分数码管显示部分数码管显示部分6进制计数部分开关控制部分图1-1电骰子系统结构框图1.2方案选择1.2.1电骰子方案一电骰子方案一大体思路是：CP脉冲部分：利用NE555芯片产生50Hz左右的时钟脉冲；开关控制部分：初步是在74LS192芯片的CP入口端接一个单刀单掷开关来控制CP；六进制计数部分：1至6循环计数的功能是利用74LS192芯片计数到7同步置1来实现；数码管显示部分：由74LS48芯片驱动BCD7段共阴极数码管来显示1至6的点数。总体电路原理图如图1-2所示。图1-2电骰子方案一电路原理仿真图1.2.2电骰子方案二电骰子方案二大体思路是：CP脉冲部分：利用NE555芯片产生50Hz左右的时钟脉冲；开关控制部分：与方案一相似，在74LS90芯片的CP入口端接一个单刀单掷开关来控制CP；六进制计数部分：1至6循环计数的功能是利用74LS90芯片计数到6同步清零，由于电骰子中不能出现“0”这个点数，所以后面又连上一块74LS283芯片，让74LS90芯片出来的数据0至5与0001相加得到1至6的循环计数。数码管显示部分：由74LS48芯片驱动BCD7段共阴极数码管来显示1至6的点数。总体电路原理图如图1-2所示。图1-3电骰子方案二电路原理仿真图1.3两个电骰子方案的比较两个电骰子方案的区别仅在6进制计数环节。下面仅就两个方案的6进制计数环节进行比较：其中方案一计数部分芯片为74LS192和3三输入与非门74LS10各一片，方案二为74LS90和74LS283各一片，芯片数量上二者没有差别。但成本上显然74LS283较74LS10稍贵一些；其次用74LS283连线也要稍多一些。虽然两套方案在Proteus上的仿真结果没有区别，但考虑到连实物图时，74LS283的输入端口很多，很容易受到干扰而影响实验结果。详细见表1-1表1-1两个方案的6进制计数环节的比较方案比较项目方案一方案二芯片型号74LS19274LS1074LS9074LS283芯片数量22芯片成本较便宜较贵工作原理简单相对较复杂实物连线数量较少相对较多实物连接可能的干扰因素3三输入与非门74LS10上只需用到3个输入端口和1个输出端口，干扰的可能性较小4位全加器74LS283上要用到8个输入端口和3个输出端口，相对方案一干扰的可能性要大很多最终综合各方面的因素，决定选择方案一来连接实物图。2硬件设计所选电骰子方案主要包含3个部分的硬件设计：CP脉冲部分、6进制计数部分、数码管显示部分。（由于开关控制部分在初步设计中只有一个单刀单掷开关，此部分不作深究，而在调试过程中对开关进行了改进的，所以开关控制部分将在调试部分再作探讨。）2.1CP脉冲部分CP脉冲部分采用NE555芯片构成多稳谐振电路，产生一个50Hz左右的时钟脉冲。NE555芯片管脚如图1-4,NE555芯片功能如表1-2。图1-4NE555芯片管脚图表1-2NE555芯片功能表输入输出RSTV11V12VOTD状态0××低导通1>2/3V>1/3V低导通1<2/3V>1/3V不变不变1<2/3V<1/3V高截止1>2/3V<1/3V高截止根据参考资料，连出如下图1-5所示的时钟脉冲产生电路：图1-5时钟脉冲产生电路原理图上图中C1是为了稳定5端基准电压，R1、R2、C2为充电回路一部分，R2、C2为放电回路一部分，为保证电路正常工作，R1和R2都要大于1KΩ，当选取R1=R2=1（KΩ），C2=10uF极性电解电容时，由公式:f=143/(R1+2*R2)可计算出CP的频率大约为48Hz，可满足摇骰子的需要。2.2六进制计数部分六进制计数部分采用一片74LS192芯片，产生1-6的循环计数。74LS192真值表见表1-3所示，74LS192引脚功能表见表1-4所示，74LS192芯片管脚图如图1-5所示。表1-374LS192真值表MRPLCPUCPDMODE工作模式HXXX清除LLXX预置LHHH保持LH↑H加计数LHH↑减计数表1-474LS192引脚功能表PU计数芯片时钟脉冲输入PD倒计时时钟脉冲输入MR异步主复位（清除）输入PLInput异步并行负载（低电平）输入Pn并行数据输入Qn触发器输出（附注b）CD终端倒计时（借）输出（注b）CU终端数最多输出（注b）图1-674LS192芯片管脚图根据资料连接出六进制计数电路图，如图1-7所示。原理分析：当UP端的脉冲上升沿到来时，输出端Q0、Q1、Q2、Q3加计数。置数端D3、D2、D1、D0置0001，高电平有效地清零端接地，DN减计数端接高电平，Q0、Q1、Q2三个端口经过一个三与非门送到PL低电平有效地置数端，由于我们只需要6以内的计数，所以Q3输出端口可以悬空。当输出为0111，即十进制的7时，PL端为低电平，输入端被置为0001，实现了1-6循环计数。图1-7六进制计数电路原理图2.3数码管显示部分数码管显示部分采用BCD7段共阴极数码管，以及74LS48驱动芯片，连线时注意数码管有两个地线，另外数码管5端口是用来显示小数点的，可悬空。74LS48驱动芯片的3、4、5端口为灯测端口，应接低电平，详细功能见附录。BCD7段共阴极数码管如图1-8所示，74LS48芯片管脚如图1-9所示。图1-8BCD7段共阴极数码管图1-974LS48芯片管脚图原理说明：74LS48芯片的A、B、C端口对应地与74LS192芯片的Q0、Q1、Q2相连，由于数码管上只显示到6就不再显示了，所以不会用到D端口的电平信号，D端应接地。B、C端送进来的0001-0110信号经过74LS48芯片译码，在QA-QG端口对应输出高低电平，这样就点亮了数码管，显示1-6。连好线后的的数码管显示部分如图1-10所示。图1-10数码管显示部分3调试记录与结果分析调试按照完成一个模块调试一个模块的方法进行，这样可以保证每一部分连线都是正确的，避免总体电路调试时排除故障无从下手。与硬件设计部分相似，调试大致分为4步：数码管显示-->六进制计数-->开关控制-->CP脉冲3.1数码管显示部分调试步骤：按图1-10在面包板上连好实物线路；检查线路无误后，给电路接上5V直流电源；然后在A、B、C三个端口依次置001-110，看数码管是否正常显示1-6。调试现象：数码管显示乱码。分析：可能是接线错误，但仔细对照Proteus仿真图上的连线，可以肯定连线没错；后来在网上搜了一下所用数码管的型号，发现用的是共阳极的。换成共阴极数码管再次调试，数码管能正常显示1-6了！3.2六进制计数部分调试步骤：按图1-11在接完图1-10的基础上，外加三输入与非门和74LS192；确保连线无误后，再给各芯片接上电源；利用实验室的函数信号发生器接一个秒脉冲到74LS192的5端口，观察数码管显示状况。调试现象：数码管以一秒的间隔循环显示1-6。分析：六进制计数电路能够正常工作。下图是六进制计数部分调试电路的原理图。图1-11六进制计数部分调试电路3.3开关控制部分调试步骤：在图1-11的基础上，在时钟脉冲和74LS192的5端口之间加一个单刀单掷开关；时钟频率设定为1Hz，拨动开关，观察数码管显示状况；时钟频率设定为50Hz，拨动开关，观察数码管显示状况。调试现象：时钟频率为1Hz时，合上开关，数码管显示方式为1-->3-->5-->1，断开开关，计数并没有停止下来，缓慢地以2-->3-->4-->6-->2来显示；时钟频率为50Hz时，合上开关，数码管快速闪动，断开开关，数码管始终显示9。分析：由于在加上开关之后，电路不能正常计数，可以肯定问题出在开关部分。查阅资料后发现，与脉冲相连的开关很容易产生机械抖动，使经过开关的CP脉冲包含有很多干扰信号。后来在0-1开关之后加上一RS触发器防抖电路，RS触发器Q端再和CP脉冲与非送到74LS192的5端，如图1-12。再次调试时，高频低频脉冲下数码管都能正常显示了，而且在50Hz时钟脉冲下，拨动开关，数码管可以快速的“摇动”和正常地停在1-6了!图1-12开关防抖电路原理图3.4CP脉冲部分调试步骤：按图1-13连接好实物；接线无误后接通电源；将CPOUT端接到示波器；观察波形。调试现象：示波器上显示的波形为一个矩形波，频率大约为50Hz。分析：CP脉冲部分不仅与理论设计、Proteus上的仿真结果相似。图1-13CP脉冲调试电路原理图3.5总体电路调试调试步骤：按图1-14将CP脉冲部分与开关控制、六进制计数、数码管显示部分相连，接通电源，拨动开关，观察数码管显示的情况调试现象：拨动开关到一边，电骰子可以快速“摇动”；再把开关拨到另一边，电骰子随机地停在了1-6之间的任意一个数。分析：总体调试的结果完全满足实验设计的要求。图1-14总体调试电路原理图4对电骰子的评价及改进想法4.1评价这个我们自己设计的电骰子作品虽然不能和市场上的电骰子商品相媲美，当我们还是可以从它身上发现许多优点：成本相对较低，整个电路总共用了5片芯片和1个数码管以及少量电容、电阻，总成本大概在15元左右；电路系统结构较简单，实现电骰子功能的系统只有数码管显示、六进制计数、开关控制、CP脉冲4个部分；电路原理简单，只涉及到555多稳谐振、RS触发器、6进制计数、译码显示等方面的知识；电路实现的功能很有趣味性，让我们在做电路设计的时候，同时又在玩骰子的游戏。4.2改进想法在调试的过程中，手指无意碰到了74LS192的CP脉冲输入端口，发现数码管示数快速地跳动，原来人体有杂波信号，所以我想到了可以设计一个不用产生CP脉冲的电骰子：把74LS192的CP脉冲输入端口与一个金属按钮相连接，当要摇动骰子时，只需用手指触摸在金属按钮上，数码管即快速地“摇动”，手指拿开后，骰子即停下来了。结束语经过几个星期的努力研究，每一次突破，都给我们带来喜悦。最终我们小组获得成果，几个星期来的汗水没有白流，我们不仅收获了做电路设计、仿真以及电路调试上的经验，同时也收获到享受成功时的那份心情，从苦到甜。从本次课程设计中，我们深深体会到自己实际动手能力方面的不足，经过这次对我们的考验，我们学会了运用很多以前学过的知识，去实现我们想要做的东西；我们也学会了执着与坚持，因为要想获得成功就得需要很强的毅力。回头想想，一项研究真的不是一朝一夕的事情，往往心急是做不出来的。最重要的是我们团结一致，小组成员几个人在一起研究和思考，一起提出意见和方法，然后讨论出最佳的方案去设计，这才是我们成功的关键所在。希望以后能有更多这样的机会来锻炼我们，因为我们所学的东西要理论与实践相结合的话，需要不断的去实践，在实践中找到自己的不足之处，然后有目的的去纠正。这样学到的东西才真正有价值。参考文献[1]刘崇新.电路.北京：高等教育出版社，2006[2]吴友宇.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，2008[3]伍时和.数字电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009[4]祁存荣.电子技术基础实验（数字电子技术部分）.武汉：武汉理工大学出版社，2008[5](美)林肯著.HYPERLINK"bookSearch?