课程设计 电骰子的设计与制作 自动化学院Word格式文档下载.docx

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课程设计任务书

学生姓名：

李志凯专业班级：

电气1004班

指导教师：

石道生工作单位：

武汉理工大学

题目：

电骰子的设计与制作

初始条件：

（1）用一开关代替掷骰子;

（2）按下开关则LED从1-6随机显示一点数;

（3）用七段LED显示点数

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

（1）设计任务及要求

（2）方案比较及认证

（3）系统框图，原理说明

（4）硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明

（5）调试记录及结果分析

（6）对成果的评价及改进方法

（7）总结（收获及体会）

（8）参考资料

（9）附录：

器件表，芯片资料

时间安排：

6月25日~6月28日：

明确课题，收集资料，方案确定

7月28日~7月2日：

整体设计，硬件电路调试

7月2日~7月6日；

报告撰写，交设计报告，答辩

目录

摘要..............................................................................................................3

1.结构设计与方案选择....................................................................................4

1.1结构设计...............................................................................................4

1.2方案选择...............................................................................................5

1.2.1方案一.............................................................................................5

1.2.2方案二.............................................................................................81.2.3方案选择.........................................................................................9

2.硬件设计.......................................................................................................9

2.1时钟脉冲信号的设计..............................................................................9

2.2译码显示电路的设计............................................................................10

3软件仿真调试.............................................................................................10

总结与体会....................................................................................................10

参考文献........................................................................................................12

摘要

电动骰子的设计和制作需要综合运用电子、电路的知识，需要利用电路产生1~6的随机数，在这里利用时间间隔作为随机变量来产生随机数。

运用计数器产生1~6这六个随机数字，并用数码管显示，然后用开关控制，达到现实中投掷骰子的效果。

计数器的功能是统计时钟脉冲的个数，利用这个功能和反馈置数使计数器实现1至6的循环计数。

时钟脉冲的产生可以使用555定时器构成多谐振荡器，也可以使用门电路搭建的简单多谐振荡器。

通过在软件上进行模拟仿真，可以以零成本进行方案的比较验证，得出最简、最佳的设计方案，大大的方便了设计过程的实施。

关键词：

随机数计数器脉冲信号

电骰子的设计与制作

1.结构设计与方案选择

1.1结构设计

制作电骰子即要在电路控制下每次随机地产生一个1~6中的数。

为了保证所设计出来的骰子性能，应该使得1~6出现的概率是一样的。

产生随机数的方法有很多，原理都是采集利用自然中的随机量来产生。

如采集放大空间中的噪声信号，然后利用D/A转换成数字信号，产生随机数；

又如用时间作随机量，采用循环计数的方式产生随机数。

还可以在以上的基础上加上乱码电路来增加随机性。

因为利用噪声信号产生随机数的方法比较复杂、不易实现、制作成本较高，所以采用时间做随机量的方法来产生1~6的随机数。

电路分为三块：

脉冲产生电路、循环计数电路和译码显示电路。

其电路框图如下：

脉冲产生部分

循环计数部分

译码显示部分

图1

脉冲产生电路有很多实现方法：

可以利用门电路组成的多谐振荡器实现，也可以使用555定时器来实现，还可以用石英晶体来实现。

门电路组成的多谐振荡器是利用电容的充放电和门电路的开启电压来实现的，所需器件简单，是最基本的脉冲发生电路。

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成多谐振荡器。

因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。

而石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：

从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。

其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

循环计数部分也有多种实现办法：

可以利用单个的触发器自己搭建，也可利用集成的计数器通过外加控制信号变成所需进制的计数器。

其中使用集成的计数器添加必要的控制电路组成使得电路结构简单清晰，而且具有很高的稳定性。

又在集成芯片基础上的循环计数器可以采用反馈清零法和反馈置数法，因为此处要使用1~6的循环计数，所以采用反馈置数法实现。

“反馈预置数法”的LD端控制信号由计数器的输出端的信号通过门电路实现。

预置数从D3D2D1D0输入，同步预置数功能的预置数为（1111-M）+1（加法）或（M-1）（减法）；

异步预置数数据为（1111-M）（加法）或M（减法）。

如九进加法计数，同步预置控制功能的预置数数据为D3D2D1D0=0111，即第八个CP作用后，产生预置数信号，第九个CP时预置数为0111；

异步预置数据为0101。

又如九进制减法计数，同步预置控制功能的预置数据为1001-1=1000，计数过程为：

1000~01111~01102~01013~01004~00115~00106~00017~00008~10009；

异步预置数据为1001，计数过程为

1001~10001~01112~01103~01014~01005~00116~00107~00018~（0000）10009，下标数字表示第几个时钟脉冲作用后的输出情况。

若LD端输入控制信号不用Co或Bo端的输出信号，而改用计数器Q3~Q0端输出信号进行组合（相与、与非、或、或非）后的信号，则应该按照计数过程推算得出结论。

最后的译码显示电路由译码器和七段数码管组成，将计数器的输出端输出的四位二进制数送到译码器的输入端，译码之后，驱动点亮七段数码管进行显示。

1.2方案选择

1.2.1方案一

方案一采用555定时器构成脉冲发生器，用74LS161构成计数部分。

计数器芯片74161是4位二进制同步计数器（异步清除），161为可预置的4位二进制同步计数器，共有54/74161和54/74LS161两种线路结构型式，161的清除端是异步的。

当清除端+R为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。

161的预置是同步的。

当置入控制器

为低电平时，在CLOCK上升沿作用下，输出端Q0~Q3与数据输入端0－3相一致。

对于54/74161，当CLOCK由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端ENP、ENT为高电平，则

应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS161无此种限制。

161的计数是同步的，靠CLOCK同时加在四个触发器上而实现的。

当ENP、ENT均为高电平时，在CLOCK上升沿作用下Q0－Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。

对于54/74161，只有当CLOCK为高电平时，ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变，而54/74LS161的ENP、ENT跳变与CLOCK无关。

161有超前进位功能。

当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。

在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。

对于54/74LS161，在CLOCK出现前，即使ENP、ENT、+R发生变化，电路的功能也不受影响。

在使用74LS161芯片时，将ENP和ENT分别接高电平，将时钟脉冲接到CLK端，这样计数器就实现了加法计数功能。

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

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。

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。

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0电平。

由555定时器组成的多谐振荡器如图1-6所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。

其工作波如图1-7所示。

设电容的初始电压Uc＝0，t＝0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端VTH＝VTL=0<

1/3VCC，比较器A1输出为高电平，A2输出为低电平，即RD=1，SD=0（1表示高电位，0表示低电位），R-S触发器置1，定时器输出Uo=1，此时Q=1，定时器内部放电三极管截止，电源VCC经向电容C充电，UC逐渐升高。

当UC上升到1/3VCC时，输出由0翻转为1，这时RD=RS=1，R-S触发顺保持状态不变。

所以0<

t<

t1期间,定时器输出Uo为高电平1。

t=t1时刻，Uc上升到2/3Vcc，比较器A1的输出由1变为0，这时RD=0，RS=1，

R-S触发器复0，定时器输出Uo=0。

t1<

t2期间，Q=0，放电三极管T导通，电容C通过R2放电。

Uc按指数规律下降，当Uc<

2/3VCC时比较器A1输出由0变为1，R-S触发器的RD=SD=1，Q的状态不变，Uo的状态仍为低电平。

t=t2时刻，Uc下降到1/3Vcc，比较器A2输出由1变为0，R-S触发器的RD=1，SD=0，触发器处于1，定时器输出Uo=1。

此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出Uo=1，电容放电时Uo=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。

多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

振荡周期T=T1+T2。

T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。

充电时间T1=（R1+R2）C㏑2≈0.7（R1+R2）C；

放电时间T2=R2C㏑2≈0.7R2C；

矩形波的振荡周期T=T1+T2=㏑2（R1+2R2）C≈0.7（R1+2R2）C。

因此改变R1、R2和电容C的值，便可以改变矩形波的周期和频率。

对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量外，还有一个参数：

占空比q，q=（脉宽tw）/（周期T）。

图2

1.2.2方案二

图3

由于我们实验最常用的是74ls290，故而在课程设计初期这个芯片首先进入了我的脑海，但是它也带给了我很多不便。

因为74ls290没有置数端，只有清零端，故而不能

跳过0这个数，但是电骰子要求1到6这六个数。

于是，我用290完成了0到5的加计数器，再用译码器和编码器来将其移位到1，2,3,4，5,6。

多出了两个芯片：

3-8线译码器74ls138和编码器74ls348,使得设计变得复杂了，其实也可以用加1的加法器来完成，应该会简单些！

1.2.3方案选择

基于第二种方案的复杂性——多用了两个芯片，故而选择第一种。

2硬件设计

2.1时钟脉冲信号的设计

时钟脉冲电路有两个与非门和两个电阻、一个电容构成，如图1-11所示，图中的R5可以减少电压源电压变化对振荡频率的影响当VTh=VDD/2时，有R5>

>

R6（一般去R5=10R）。

在电骰子的电路中，时钟脉冲的输出端接到计数电路的脉冲输入端CP控制计时器芯片74LS161实现加法计数功能，理论上要保证频率足够大，使数码管显示数字不能被人眼分辨，保证所显示数字的随机性即可，但又不能太高，这样电路运行将不稳定，所以只需要50Hz左右即可满足要求。

电容C1的充电时间

T1=R6C㏑2；

放电时间：

T2=R6C㏑2；

矩形波的振荡周期：

T=T1+T2=R6C㏑4；

频率：

f=1/T；

选择电阻：

R6=6kΩ，R5=12kΩ，C=10uF，

则得出：

f=1/R6C㏑4≈48Hz。

2.2译码显示电路的设计

显示部分采用七段数码管和七段显示译码器CD4511一起实现，将数码管与七段显示译码器CD4511按照图2-3的方式连接，然后将七段显示译码器CD4511的四个输入端连接到计数器74LS161的四个输出端即可。

3.软件仿真调试

由于起初的方案是将控制的单刀双掷开关放在译码显示电路部分，在开关按下时，数码管不显示，当开关弹起时数码管上静态地显示一个1~6的数字，但是仿真的时候出现了乱码，分析得知在开关弹起后译码器工作在锁存状态，会将开关弹起瞬间的中间状态锁存下来，故会在数码管上显示一个乱码。

将单刀双掷开关移动到脉冲发生电路与计数电路部分之间后，译码器一直工作在计数状态，只要计数器暂停计数，数码管就显示一个固定的数，不存在乱码的问题。

总结与体会

制作电骰子的方法有很多，本设计方案采用了最简便的方法以达到设计要求，即以最小的成本和代价来达到要求，这是我的设计宗旨。

通过软件仿真可以让我及时的更改电路，尝试不同的电路结构，以达到找到最简、最优方案的目的。

由于侧重了简便的目标，没有任何的附加，所以难免所做成的东西会比较粗糙，这是本设计方案的缺点。

本课题的核心是1~6的随机数的产生，只要保证1~6中每个数每次出现的概率相等位1/6。

电骰子主要用于娱乐活动等，其他地方用的较少，可以安装在自动麻将机等上，以代替传统的实物骰子。

由于无法得到真正的随机数，所以存在一定的误差，这个可以通过抽样检验试验和假设检验对实物进行测试，能够在一定的显著水平下成立即可。

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，要经过不断努力和试验才能实现。

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，虽然各自的学科学习掌握的情况还不错，但是一旦遇到需要综合应用各个学科的知识时，我们通常会表现的手足无措。

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，位以后的课题研究打下了一定的基础。

参考文献

（1）吴友宇数字电子技术基础.北京：

清华大学出版社，2009

（2）阎石数字电子技术基础.北京：

高等教育出版社，1998

（3）吴友宇模拟电子技术基础.北京：

本科生课程设计成绩评定表

性别

专业、班级

课程设计题目：

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

设计方案和内容

（30分）

制作与调试

说明书内容和

规范程度

（20分）

答辩

（10分）

考勤

总分

（100分）

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日