课程设计电骰子制作.docx

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课程设计电骰子制作

学号：

课程设计

题目

电骰子的设计与制作

学院

专业

班级

姓名

指导教师

年

月

日

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

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27日~6月30日：

明确课题，收集资料，方案确定，仿真

7月1日~7月4日：

硬件电路制作与调试

7月5日~7月8日；报告撰写，交设计报告，答辩

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月

摘要.............................................................................................................................1

1结构设计与方案选择.............................................................................................2

1.1结构设计.........................................................................................................2

1.2方案选择.........................................................................................................4

1.2.1方案一...................................................................................................4

1.2.2方案二...................................................................................................9

1.2.3方案三.................................................................................................10

1.2.4方案选择.............................................................................................12

2.硬件设计.................................................................................................................13

2.1时钟脉冲信号的设计....................................................................................13

2.2时钟脉冲信号的设计....................................................................................14

2.3译码显示电路的设计....................................................................................15

2.4整体电路……................................................................................................16

3.软件仿真调试.........................................................................................................17

4.硬件安装调试.........................................................................................................18

总结与体会................................................................................................................19

参考文献....................................................................................................................20

附录............................................................................................................................21

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1-1电骰子结构框图

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。

图1-274LS161管脚图

表1-174LS161功能表

输入

输出

CEP

CET

↑

保持

↑

计数

图1-3555定时器

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。

图1-4555定时器内部结构

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。

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。

图1-5555多谐振荡器原理图

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1-6多谐振荡器的工作波形

图1-7方案一电路图

1.2.2方案二

方案二同样是采用555定时器搭建脉冲产生，原理同方案一。

而计数芯片采用的是40192，是十进制同步加/减计数器（有预置端，双时钟）。

40192为可预置BCD可逆计数器，其内部主要由四位D型触发器组成，与一般计数器不同之处在于加计数器和减计数器分别由两个时钟输入端。

40192具有复位CR、置数控制/LD、并行数据D0~D3、加计数时钟CPu、减

计数时钟CPD等输入，当CR为高电平时，计数器置零。

当/LD为低电平时，进行预置数操作，D0~D3上的数据置入计数器中，计数操作由两个时钟输入控制。

当CPD＝“1”时，在CPu上跳变时计数器加1计数；当CPu＝“1”时，在CPD上跳变计数器减1计数。

除四个Q输出外，40192还有一个进位输出/CO和一个借位输出/BO，/CO和/BO一般为高电平，只有在加计数模式，当计数器达到最大状态时，/CO输出一个宽度为半个时钟周期的负脉冲，在减计数模式，当计数器全为零时，/BO输出一个宽度为半个时钟周期的负脉冲。

图1-840192管脚图

表1-240192真值表

图1-10方案二电路图

1.2.3方案三

方案三采用门电路搭建的电路作为时钟脉冲，计数芯片仍然采用74LS161作为计数芯片。

电路结构：

由门电路组成的多谐振荡器电路如图1-11所示，多谐振荡器由门电路和阻容元件构成，它没有稳定状态，只有两个暂稳态，通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。

如要求输出振荡频率很稳定的矩形脉冲时，则可采用石英晶体振荡器。

由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称作多谐振荡器。

工作原理：

设UO1为低电平0、UO２为高电平1时，称为第一暂稳态；UO1为高电平1,UO２为低电平0时，称为第二暂稳态。

设接通电源后，由于某种原因使UI1产生了很小的正跃变，经G1放大后，输出UO1产生负跃变，G２输出UO２产生较大的正跃变，使UI1进一步增大，于是电路产生正反馈过程。

正反馈使电路迅速翻到G1开通、G２关闭的状态。

输出UO1负跃到低电平UOL，UO1正跃到高电平UOH，电路进入第一暂稳态。

G2输出UO２的高电平经对电容C进行反向充电，使UI1下降。

同时，UO２的高电平又对C充电，Uo1随之上升，当UI2上升到G2的阈值电平UTH时，电路又产生另一个正反馈过程。

正反馈的结果使G2开通，输出由高电平UOH跃到低电平UOL，使UI1迅速下降到小于G1的阈值电压UTH，使G1关闭，它的输出由低电平UOL跃到了高电平UOH，电路进入第二暂稳态。

接着，G1输出的高电平UO1对C进行反向充电，UI2随之下降，同时，UI1随之升高。

当UI1上升到G1的UTH时，G1开通、G2关闭，电路又返回到第一暂稳态。

图1-11多谐振荡器结构图

图1-12多谐振荡器波形图

1.2.4方案选择

经过上述分析，可以看出各个方案的基本原理都很类似，对于计数部分74LS161与40192的逻辑功能相似，都是通过反馈置数法构成1~6的循环计数器，在使用上没有多大区别，74LS161较40192控制更加简单，只需要一个二输入与非门即可实现反馈置数，故选用74LS161。

对于时钟脉冲产生电路虽然由555定时器构成的电路比较稳定，然而由两个与非门搭建的基本多谐振荡器则更加简便，而且考虑到成本因素，在这里选用门电路搭建的脉冲发生电路。

译码显示电路都一样，不予考虑。

综上所述选用方案三。

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。

图2-1时钟脉冲信号产生电路

2.2计数器的设计

在计数器的设计中，因为电骰子窑实现1到6的循环变化，所以要是计数器实现1到6的六进制循环，采用反馈预置数的方式。

把计数器的输入端置数D3D2D1D0=0001，将计数器的输出端Q2和Q3通过与非门连接到计数器芯片的置数端

，低电平有效。

因为74LS161为同步置数，当计数器加计数至6时，Q2和Q3都为高电平，通过与非门后为低电平，当下一个脉冲上升沿到来时，计数器完成置数，输出端杯置数为0001，数码管显示为1，这样就完成了从1到6的循环计数。

然而74192为异步置数，在反馈时要将输出Q1Q2Q3通过与非门接到74192的反馈置数端。

图2-2计数单元电路

2.3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。

图2-3译码显示单元电路

2.4整体电路

前面已经讨论了各个单元电路的具体组成，现将但与电路连接起来组成一个完整的整体电路。

将多谐振荡器产生的时钟脉冲通过一个单刀双掷开关送到计数器74LS161的CP端。

将单刀双掷开关的一端接在多谐振荡器的输出端，单刀双掷开关的另一端接到连到地。

这样，当开关掷多谐振荡器一端时，时钟脉冲通过开关送入计数器，计数器74LS161实现计数功能，在1到6之间循环计数；当开关掷向地时，时钟脉冲不能通过开关，故计数器74LS161保持之前的状态，数码管静态显示之前计数器输出的数字。

这样，一次掷骰子的过程就结束了。

图2-4整体电路

3软件仿真调试

将上面的整体电路图输入到仿真软件Multisim进行仿真测试，Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

其元器件采用库的方式管理，方便调用，丰富多样的虚拟仪器方便对仿真结果进行观察。

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。

4硬件安装调试

在硬件安装调试过程中，因为开始在所发的面包板上面安装后出现了无法工作的现象，是由于没有买新导线而且插线与孔的接触不良，电路不稳定，无法正常工作。

所以后来直接在铜板上进行焊接连接，虽然增加了工作量，也不易更改，但

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