LED骰子电路设计doc文档格式.docx
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4.2硬件调试..........................................................9
4.2.1调试过程....................................................9
第五章总结.............................................................10
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第一章设计方案
1.1设计思路
骰子是有六个面的正面体，分别刻有1~6的数字。
现在，我们撇开骰子的形状和和使用方法来抽象的评价它的功能，那么骰子就是一种从1~6中随机的选择1个数字的选择装置。
即我们现在设计的电骰子。
简单的说，就是当按下开关时，它能够从1~6中随机选择一个数字。
本系统以NE555构成的多谐振荡器和CD4017十进制计数器／脉冲分配器组成。
7颗发光二极管模拟骰子的点数，当按下启动键1秒以上，发光二极管安骰子的不同点数高速循环点亮，几秒钟后循环速度减慢并最终随机停止于某个点上。
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LED。
通过其中某几个LED发光，表现骰子的点数。
7个LED的位置分别用a～g字母表示。
7个LED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LED进行分组，表1是LED灯的分组情况。
从这个结构看出可以分成4个组。
从表中可以看出如果骰子的3，4，5，6点数发光必须要有a和g这两个LED。
1LE分组情况a4,5,6b6c2,3d1,3,5e2,4,6f6g5,6
所以，我们就需要计数器来控制LED灯的亮灭。
计数器的计数动作（计算数字）由输入时钟来决定。
就是说，给计数器输入时钟的时间相当于骰子摇动的时间。
摁下开关相当于摇动骰子的动作，在时钟的作用下启动计数器，只有在时钟控制电路的输出为“1”时计数器的输出才发生变化。
此时骰子在经过计数器的输出作用下使LED发光，
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第二章元器件及参数的选择
2.1标称值
标称值的定义是“用以标志或识别元件、器件或设备的适当近似值”.而额定值的定义是“一般由制造厂为元件、器件或设备在特定运行条件下所规定的量值”.以铅酸蓄电池为例,其标称值是ZV
标称值:
标称在电阻器上的电阻值称为电阻标称值.单位:
Ω,kΩ,MΩ.
标称值是根据国家制定的标准系列标注的,不是生产者任意标定的.因电阻生产出的实测值与标称值必然有一定的上下偏差,所以不是所有阻值的电阻器都存在.而是规定了一定的系列值。
2.1.1电容标称值
【单位pF】
39P43P47P51P56P62P68P75P82P91P100P120P150P180P200P220P240P270P300P330P360P390P470P560P620P680P750P【单位nF】
1.01.21.51.82.22.73.33.94.75.610151822273339566882【单位uF】
0.10.150.220.330.471.0（1.5）2.2
2.2色环电阻的识别
色环电阻是应用于各种电子设备的最多的电阻类型，无论怎样安装，维修者都能方便的读出其阻值，便于检测和更换。
但在实践中发现，有些色环电阻的排列顺序不甚分明，往往容易读错，在识别时，可运用如下技巧加以判断：
技巧1：
先找标志误差的色环，从而排定色环顺序。
最常用的表示电阻误差的颜色是：
金、银、棕，尤其是金环和银环，一般绝少用做电阻色环的第一环，所以在电阻上只要有金环和银环，就可以基本认定这是色环电阻的最末一环。
技巧2：
棕色环是否是误差标志的判别。
棕色环既常用做误差环，又常作为有效数字环，且常常在第一环和最末一环中同时出现，使人很难识别谁是第一环。
在实践中，可以按照色环之间的间隔加以判别：
比如对于一个五道色环的电阻而言，第五环和第四环之间的间隔比第一环和第二环之间的间隔要宽一些，据此可判定色环的排列顺序。
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2.2.1四环电阻
四个色环的其中第一、二环分别代表阻值的前两位数；
第三环代表倍率；
第四环代表误差。
快速识别的关键在于根据第三环的颜色把阻值确定在某一数量级范围内，例如是几点几K、还是几十几K的，再将前两环读出的数代进去，这样就可很快读出数来。
第一色环是十位数，第二色环是个位数，第三色环是应乘颜色次幂颜色次，第四色环是误差率对于4色环电阻，其阻值计算方法位：
阻值=（第1色环数值*10+第2色环数值）*第3位色环代表之所乘数
例子：
棕红红金
其阻值为12×
10^2=1.2K误差为±
5%
误差表示电阻数值，在标准值1200上下波动（5%×
1200）都表示此电阻是可以接受的，即在1140-1260之间都是好的电阻。
2.2.2五环电阻
五色环电阻最后一环为误差，前三环数值乘以第四环的10颜色次幂颜色次，其电阻为
220×
10^1=2.2K误差为±
第一色环是百位数，第二色环是十位数，
第三色环是个位数，第四色环是应乘颜色次幂颜色次，
第五色环是误差率。
首先，从电阻的底端，找出代表公差精度的色环，金色的代表5%，银色的代表10%。
再从电阻的另一端，找出第一条、第二条色环，读取其相对应的数字，以下图为例，前两条色环都为红色，故其对应数字为红2、红2，其有效数是22。
再读取第三条倍数色环，黑1。
所以，我们得到的阻值是22x1=22Ω。
如果第三条倍数色环为金色，则将有效数乘以0.1。
如果第三条倍数色环为银色，则乘以0.01。
色环标示主要应用圆柱型的电阻器上，如：
碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、保险丝电阻、绕线电阻。
在早期，一般当电阻的表面不足以用数字表示法时，就会用色环标示法来表示电阻的阻值、公差、规格。
色环主要分成两部分：
第一部分：
靠近电阻前端的一组是用来表示阻值。
两位有效数的电阻值，用前三个色环来代表其阻值，如：
39Ω，39KΩ，39MΩ。
三位有效数的电阻值，用前四个色环来代表其阻值，如：
69.8Ω，698Ω，69.8KΩ，一般用于精密电阻的表示。
第二部分：
靠近电阻后端的一条色环用来代表公差精度。
第一部分的每一条色环都是等距，自成一组，容易和第二部分的色环区分。
五个色环电阻的识别：
第一、二、三环分别代表三位有效数的阻值；
第四环代表倍率；
第五环代表误差。
如果第五条色环为黑色，一般用来表示为绕线电阻器，第五条色环如为白色，一般用来表示为保险丝电阻器。
如果电阻体只有中间一条黑色的色环，则代表此电阻为零欧姆电阻。
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2.3电容
常用电容的种类：
电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。
识别方法：
电容的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。
电容的基本单位用法拉（F）表示，其它单位还有：
毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。
其中：
1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法
我们常用的电容有：
1、电解电容：
多数在1μF以上，直接用数字表示。
如：
4.7μF、100μF、220μF等等。
这种电容的两极有正负之分，长脚是正极。
2、瓷片电容：
多数在1μF以下，直接用数字表示。
10、22、0.047、0.1等等，这里要注意的是单位。
凡用整数表示的，单位默认pF；
凡用小数表示的，单位默认μF。
如以上例子中，分别是10P、22P、0.047μF、0.1μF等。
现在国际上流行另一种类似色环电阻的表示方法（单位默认pF）：
“473”即47000pF=0.047μF
“103”即10000pF=0.01μF等等，
“XXX”第一、二个数字是有效数字，第三个数字代表后面添加0的个数。
这种表示法已经相当普遍。
2.4二极管
2.4.1二极管的分类
一构造分类二极管
⒈点接触型二极管⒉键型二极管⒊合金型二极管⒋扩散型二极管⒌台面型二极管⒍平面型二极管⒎合金扩散型二极管⒏外延型二极管
二用途分类二极管
⒈检波用二极管⒉整流用二极管⒊限幅用二极管⒋调制用二极管⒌混频用二极管⒍放大用二极管⒎开关用二极管⒏变容二极管⒐频率倍增用二极管⒑稳压二极管⒒发光二极管
2.4.2二极管的极性判别
二极管引脚有正、负之分，在电路乱接则不能正常工作，重则损坏。
二极管判断方法有：
1、根据标注或外形判断极性。
2、用万用表判断。
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2.5555定时器
2.5.1特点功能
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为低电平。
2.5.2555定时器构成多谐振荡器
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
接通电源后，输出假定是高电平，则T截止，电容C充电。
充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到2Vcc/3时（TH、端电平大于Vc），输出翻转为低电平。
Vo是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到Vcc/3时（TH、端电平小于Vc），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得
输出高电平时间T=（R1+R2）Cln2输出低电平时间T=R2Cln2振荡周期T=（R1+2R2）Cln22.6CD4017计数器
CD4017是5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，CP、CR、INH输入端。
时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。
INH为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；
反之，计数功能无效。
CR为高电平时，计数器清零。
译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。
在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。
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2.6.1功能符号
引出端功能符号：
CO：
进位脉冲输出；
CP：
时钟输入端；
CR：
清除端；
INH：
禁止端；
Q0-Q9计数脉冲输出端；
VDD：
正电源；
VSS：
地。
CD4017引脚图如图1：
图1CD4017引脚图
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第三章单元电路设计方案
3.1多谐振荡器
由555定时器和外接元件R1，R2，C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。
电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1,R2向C充电以及C通过R2向放电端Ct放电，使电路产生振荡。
输出信号的时间参数是：
T=0.7（R1+2R2）C
外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。
因此这种形式的多谐振荡器应用很广。
本次试验中C为1μF，R1为10KΩ，R2为470KΩ，所以，T=0.665s。
3.2计数器部分
CD4017是5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，是十进制计数器。
但是我们只需要六个状态的输出，这个时候就需要把Q6接复位端，此时的CD4017就相当于是一个六进制计数器。
计数器在CP脉冲上升沿有效时，从000状态计数到101，依此给予Q0~Q5高电平。
3.3LED显示部分
骰子只处理从l到6的数字。
但是根据LED的配置和骰子点数的形状必须有7个LED。
LED的发光使用CD4017计数器给予高低电平。
当加逻辑“1”电平时，这个IC的输出晶体管导通（“0”电平）。
+5V通过LED和电阻接到驱动IC上。
由于使用了470Ω和100Ω的限流电阻，所以流过LED的电流约为6mA。
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第四章电路仿真调试及分析
4.1电路仿真
以只对电骰子电路的部分电路进行仿真。
其电路仿真是采用Proteus仿真软件进行的，其仿真电路图如图2所示，仿真波形如图3所示。
图3上为NE555产生的波形，下为CD4017计数器的输出波形。
图2仿真电路图
图3仿真波形图
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4.2硬件调试
图4硬件电路实物图
4.2.1调试过程
打开电源开关提供+5V电压，接通开关LED灯循环闪烁，当断开开关后LED阵列显示电骰子1~6之间任意数（如“2”），与设想结果相符。
如果LED得发光和骰子的点数不一致，可以认为是译码器逻辑的连接错误或者计数器复位电路出现错误。
如果LED得闪光过快或者过慢，可以通过改变555振荡电路R1（10k）、R2（470k）或者电容C2（1uF）的值进行调节。
希望改变从断开开关到LED停止闪光的时间时，可以通过改变时钟开关电路的R3电阻（470k）或者C5电容（470uF）来实现。
电阻和电容的值越大，延迟时间越长。
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第五章总结
从本次课程设计中，我们深深体会到了课程设计对我们的学习的重要性，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。
经过这次课程设计，我们系统地利用了电路，模拟电子技术和数字电子技术的知识，将三门学科有机地结合起来，增强我们的理论知识，因为在课堂上我们只是学习单一的一门学科，没有将几门学科结合起来。
经过这次课程设计，我们把平时支离破碎的知识进行了整合，做到了融会贯通。
提高了自己的实践能力和信息的搜集与整合能力。
通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力，现在的电路板还是存在一些问题，但是毕竟经过了自己的努力。
在调试的过程当中，不断的去修改电路，去找电源测试，甚至使用了两种不同的示波器去测试波形。
虽然几经失败的打击，但是在这个过程当中，我们熟悉了示波器的操作，也对自己的电路有了更深的人。
在这个过程当中，我们学到了很多的东西，远远超过课堂所学到的。
做课程设计的时候，自己把555定时器构成多谐振荡器看了好几遍，查找了相关资料和文献，增强了自己对知识的理解，很多以前不是很懂的问题现在都已经一一解决了，在课程设计的过程中，我想了很多种方案，对同一个问题（像LED显示部分的接法）都想了很多不同的接法，运用不同的芯片进行了比较，最后还是采取了上面的方法进行连接。
在连线过程中，经常会遇到一些问题，比如接错线，短路问题，无意中删除了某个导线之类的问题等，使自己感觉到有点心力交瘁，但是从中我们学到了更多，便觉得一切的付出都是值得的。
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