电子骰子.docx
《电子骰子.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子骰子.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电子骰子
郑州科技学院
《数字电子技术》课程设计
题目触摸电子骰子
学生姓名
专业班级
学号
院（系）电气工程系
指导教师
完成时间2013年3月28日
附录1：
总体电路原理图20
附录2：
元器件清单21
1课程设计目的
本次课程设计都是为了将学过的电子技术课程的巩固，加强独立思考的能力，实现理论和实践相统一的目的。
通过继续巩固知识，将松散的各部分知识进行了系统的规划，应用于一项独立的设计当中。
启发了创新思想的能力。
2课程设计的任务与要求
任务：
通过所学知识设计一个由LED显示的电子骰子
要求：
当将开关闭合的时候，电子骰子随机变化，从1~6，每隔0.5秒左右变化一次。
在变化过程中，1的相邻变化状态不能是6,2的相邻变化状态不能是5,3的相邻的变化状态不能是4。
当开关断开后，继续工作5秒左右停止变化。
（提醒：
用状态机实现，不允许用编程实现）
3设计方案与论证
3.1方案一
主要运用到单稳态电路、555压控振荡电路、六进制计数器、数码显示管以及开关电路。
仿真软件用到multisim。
思路：
单稳态：
用来制作延时开关电路，达到延时5秒的功能以及数字以0.5秒的时间间隔变化功能。
555压控振荡电路：
该电路输入是频率变化的电压信号，在电路仿真的过程中，我们发现，积分型单稳态触发电路，正脉冲触发，暂稳态输入为‘1’时，输出为‘0’；稳态输入为‘0’，输出为‘1’.在输入端接入一个脉冲信号后，虽然有延迟效果，但是即使开关断开后，数字依然会变化好长时间，与要求不符。
经过理论分析得出：
积分单稳态本身就有一个脉冲波，不论开关闭合还是断开，单稳态都会工作，并没有真正的停止输出。
方案论证:
1、时钟信号源的选择时钟信号源可采用石英晶体多谐震荡器和555定时器。
555定时器是一种多用途的数字---模拟混合集成电路，能极方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与交换、测量与控制、家用电器等方面广泛应用。
虽然石英晶体多谐振荡器的谐振频率很稳定，但考虑到仿真的简单快捷该设计选择555定时器。
2、加法器的选择该设计要用到一个八进制计数器，可采用由JK触发器组成的的加法器和由74LS160改装成的八进制计数器。
擦用74LS160芯片可使电路更加紧致，模拟实现时不容易出错，而JK触发器构成的加法器则要采用三个JK触发器，元件分散性大，且连接电路时容易出错。
于是我们去掉外加的脉冲信号接在555压控电路的后面，但是开关断开的同时数字也立即停止变化了，根本不存在延迟了，又与要求不符；从仿真的效果来看，用单稳态电路设计延时电路比较难以操作，很死板；因为在电路接通开关的同时，单稳态电路就开始了工作；断开开关时，也断开了脉冲触发，因此无法与后续元器件74LS160转换成六进制的电路实现触发计数功能，因而也不会出现数字的变化；与此同时，555压控振荡器的控制端也没有可变电压控制，也没法实现输出频率随电压的变化而变化。
综上所述的各种与实验的不符合状况以及不便性，所以该种方案实施起来比较难以实现功能，于是放弃了该种方案。
3.2方案二
主要运用到555多谐振荡器、三级管延时电路、十进制计数器、LED以及开关电路。
仿真软件用到multisim。
思路：
触摸开关发出信号，由多谐振荡器产生矩形波使十进制计数器的不同输出点位，来点亮不同的LED组合。
经理论分析此方案可行。
方案论证：
选择NE555构成的多谐振荡器给4017提供一个频率5KHz的时钟信号。
在每一个时钟信号到来的时候，4017的10个输出Q0-Q9一次循环输出高电平。
因为在这个电路中只用到Q0~Q5六个输出信号，所以把Q6接到了4017的复位端，通过6个输出信号的不同组合构成了电子骰子的不同点数。
经试验后可行，因此采用此方案。
4设计原理及功能说明
4.1总体设计
本设计是由NE555构成的多谐振荡器给4017提供一个频率5KHz的时钟信号。
在每一个时钟信号到来的时候，4017的10个输出Q0-Q9一次循环输出高电平。
因为在这个电路中只用到Q0~Q5六个输出信号，所以把Q6接到了4017的复位端，通过6个输出信号的不同组合构成了电子骰子的不同点数。
当按下“投骰子”按键时，4017的DISABLE输入端被置位为低电平，电子骰子开始工作。
4.2基本功能
当按下“投骰子”按键时，4017的DISABLE输入端被置位为低电平，电子骰子开始工作。
当放开按键时候，电子骰子显示你所投出的点数。
5单元电路的设计
5.1CD4017
图5-1总设计图
由图1你会首先发现这个电路的第一个特征是十进制计数器CD4017的管脚2，它看起来没接任何的东西。
你只有仔细研究组成1、2、3、4、5、6这些数字的LED后才会注意到组成构成数字2的LED也会在数字3、4、5、6里面用到。
这两个LED只有在等于数字1的时候才会熄灭。
我们已经运用这个事实来减少元件的数量。
此电路的另外一个重要特征是运用了三级管做为缓冲，这是必须的，主要用其利用其电流放大能力充分驱动这些LED来获得最高的亮度。
我们知道，CD4017的输出管脚由于输出电流太小，是无法直接驱动LED的。
电路上面的10k电阻具有双重作用，他们用来作为三级管开启的门限电阻和三级管基极的限流电阻。
拿CD4017的管脚1作为例子。
当它为高电平的时候，它将会关闭上面的三级管9012同时开启驱动LED4的三级管9013。
而且，连接管脚1的是一个10k的电阻网络，它们所产生的分压作用会对驱动LED4的三级管基极电压产生影响。
由于一个三级管所需要的开启电压仅为0.6V，此电路的设计对于开启电压留有足够的裕量，三极管仍然会导通。
当输出管脚2变为高电平时，只有LED2和LED6被点亮。
这两个LED代表骰子上的数字2。
这个电路余下的部分相当明确，主要包含两个部分：
一个555多谐振荡器和一个三级管延时电路。
CD4017十进制计数器/脉冲分配器
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。
Johnson计数器，提供了快速操作、2输入译码选通和无毛刺译码输出。
防锁选通，保证了正确的计数顺序。
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。
CD4017提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。
CD4017引脚功能:
芯片有10个译码输出Q0～Q9;MR为清零端,CP0和～CPl是2个时钟输入端,三个输出端的控制.0Y1Y2Y。
每个译码输出一般处于低电平,且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平;每个高电平输出维持1个时钟周期;每输入10个时钟脉冲,输出一个进位脉冲,因而进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号.在清零输入端（R）加高电平或正脉冲时,只有输出端Q0为高电平,其余各输出端都为低电平"0".
CD4017引脚功能：
CD4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。
CD4017有16支脚，除电源脚VDD及VSS为电源接脚，输入电压范围为3–15V之外，其余接脚为：
A、频率输入脚：
CLOCK（Pin14），为频率信号的输入脚。
B、数据输出脚：
a、Q1-Q9（Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11），为解码后的时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为Hi，其余为Lo电位。
b、CARRYOUT（Pin12），进位脚，当4017计数10个脉冲之后，C、OUT将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。
D、控制脚：
a、CLEAR（Pin15）：
清除脚或称复位（Reset）脚，当此脚为Hi时，会使CD4017的Q0为”1”，其余Q1-Q9为”0”。
b、CLOCKENABLE（Pin13），时序允许脚，当此脚为低电位，CLOCK输入脉波在正缘时，会使CD4017计数，并改变Q1-Q9的输出状态。
端功能符号
CO：
进位脉冲输渊CP：
时钟输入端CR：
清除端
INH：
禁止端Q0-Q9计数脉冲输出端
输入
输出
CP
INH
CR
Q0-Q9
CO
×
×
H
Q0
计数脉冲
为Q0-Q4
时：
CO=H
↑
L
L
计数
H
↓
L
L
×
L
保持
计数脉冲
为Q5-Q9
时：
CO=L
×
H
L
↓
×
L
×
↑
L
图5-2CD4017输入输出图
CD4017组成的防抖动触摸开关电路
这是一个实用点触发电路，可以方便的与各种电路组合使用温度控制，光控，声控，射频遥控。
只需把这些信号加到4017的CP端。
本电路使用一片十进制计数器CD4017，输出Y2和复位端RST相接，14脚每次到两个记数脉冲既复位。
其工作原理是220伏交流电经变压器降压、D1-D4整流、C1滤波后获得+9V直流电压。
C3、R2构成上电复位电路，CD4017复位后Y0输出高电平，Y1和Y2输出低电平，三极管V导通。
继电器吸合，其常开触点接通用电器。
K被按下后，C2迅速放电，14脚获得脉冲上升沿，触发CD4017记数，使Y0输出低电平，Y2仍保持低电平。
此时三极管V截止，继电器释放，用电器断电。
再次按下K时，C2再次放电，14脚又获得一个记数脉冲，CD4017的Y0和Y1输出低电平，Y2输出高电平，通过二极管D5将CD4017复位，Y0输出高电平，Y1和Y2输出低电平，三极管V再次导通，继电器吸合。
因此，每按一次K，Y0的输出电平就翻转一次，用电器被开、关一次。
每当K按下时，C2将放电，与此同时，CD4017得到一个记数脉冲，K松开之后，须经过一段对C2的充电时间后，才使CD4017的14脚为低电平，在此期间内K键上的任何抖动不会产生第二个记数脉冲。
D1-D6为IN4007，T为9013，继电器为JZC-21F，K为轻触开关，IC为CD4017。
其它参照图
图5-3
5.2NE555
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。
NE555的特点有：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
5.静态电流最大值VCC=5V,RL=∞=6mAVCC=15V,RL=∞=15mA
NE555引脚位功能配置说明下：
图5-4NE555引脚
引脚功能介绍:
Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。
NE555的相关应用：
NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（MonostableMutlivibrator）及无稳态多谐振荡器（AstableMultivibrator）。
由555定时器组成的多谐振荡器如图5-5所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。
其工作波如图5-6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0t=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。
t1Uc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=0，0，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5-5555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5-6多谐振荡器的工作波形
6硬件的制作与调试
6.1电路元器件的检测
电阻、电容、发光二极管、三极管的检测。
电阻：
主要识读其标称值，并用万用表检测其实际值。
电容：
识别判断其正负极性，并用万用表检测质量的好坏。
发光二极管：
识别判断其正负极性，并用万用表检测其正反向电阻进行质量检测。
三极管：
识别其类型与三极管引脚的排列，并用万用表检测。
①内容扩展场效应晶体管。
②认识驻极体话筒正负极性与外壳相连端为接地端，另一端为漏极D。
发光二极管：
识别判断其正负极性，并用万用表检测其正反向电阻进行质量检测。
6.2电路制作步骤
（1）按电路原理图完成电路元器件的布局。
（2）按工艺要求对元器件的引脚加工成型。
（3）按布局图在实验电路板上依次进行元件的排列、插装。
（4）按焊接工艺要求对元器件进行焊接，直至所有的元器件焊接完毕。
注意事项：
从低到高依次焊接电阻，电容和三极管，注意三极管9012和9013的管脚不要弄错。
当你安插LED的时候还需要注意他们的极性。
TOUCHPLATE（触板）由安放在电路板上表面类似于订书针的两根平行的导线构成。
IC芯片是最后安装的部件，安装它们的时候要用上芯片座。
这是所有电子制作的基本原则。
这不单只为了防止在焊接的时候烫坏芯片，而且你可以在任何时候把芯片拆下来并在这个芯片座上测试其他的芯片。
6.3调试
调试仪器：
示波器、万用表、电烙铁
测试电路：
接上电源，你会发现有几盏LED被点亮。
将你的手指放在触盘上一段时间在放开，然后你会看到几乎所有的LED都好像被点亮了。
他们逐渐变为闪烁而且闪烁速度变得越来越慢直至以某个点数稳定下来。
这是这个电路的正确运行结果。
然而事情有时候并非如此简单。
这里有三个可能产生错误的地方：
延时模块，多谐振荡器模块，计数器和显示模块。
在没有任何测试工具的情况下测试者三个部分，只可能从测试显示模块开始然后逐步回溯到延时模块来进行测试。
当你触摸触板的时候，如果LED没有闪烁，你可能就要通过断开输入到CD4017的555的管脚3来排除错误。
这可以通过切断该导线来实现。
用一个10K的电阻跨接在电源正极和CD4017的输入端手动的输入计数脉冲。
这样应该就会改变LED的点数状态。
下一步将555和CD4017重新连起来，并且用一个10k的电阻将左上角的三极管9012的发射极和集电极桥接起来。
这样会接通这个三极管，并触发555输出计数脉冲，计数器便能够正常计数。
如果仍然没有反应，那就要检查555芯片是否损坏或100nF的电容是否短路或虚焊。
为了测试延时电路是否正常，可以用导线将两个触板短接，这样将会使得LED发生迅速的变化。
如果这个方法仍然无效，则必须检查9012和周边的元件。
如果有一盏或多盏LED无法点亮，则应检查它们安装的方向或者换一个能够正常发光的LED。
通过这些方法，就会找到问题并解决故障。
6.4设计过程中出现的问题及解决方法
本设计虽然相对来说比较简单，但是在设计的过程中还是遇到了很多的问题，我们首先选择的并不是这个设计图，在制作的过程中我们发现原来的设计图有很多的不好之处，于是便很快进行了大胆地改进，重新选择了设计图进行设计。
在第二次的制作过程中，布线是一项非常大的挑战，也许你会觉得不就是按照给定的图形进行连线么，但是我要告诉你：
不是的。
原理图是不能够照搬的，必须对元器件的排布有一个很清晰的思路，这样才不至于设计出来的电路板交叉线太多。
我们对电路图又进行了重新的改造，然后才开始焊接。
在焊接的过程中我们又对其进行了多次的调试，虽然结果与我们的初衷还是有一定的差距，但是毕竟是很高兴的一件事。
同时，我们在焊接的过程中采用了裸露的金属丝来布线，这样可以更加的美观，并且受集成电路板的启发，采用了正反两面同时布线来减少交叉线的出现。
在此过程中我们学到了很多的知识，我们查阅了关于此类问题的一些书籍，学习到了焊接中的很多细节，这些东西未必在书本中能找到。
理论与实践还是有一定的差距的，要学会不段地总结，这样才会提高。
实际设计图及器件照片
总结
这次的设计非常地有价值，我们在制作的过程中所感受到的那种快乐与制作完成后的那种自信与释怀是很难表达的。
设计的过程中思考占据了绝大部分的时间，其实焊接电路板并不是太难，难的是怎样将这一个很小的东西做好，而不仅仅是完成。
比如连线，必须要有一个总体的概况，一定要了解元器件的外部构造，结合万用板去布线，这样才会有条不紊，不至于在焊接都快完成时才发现自己竟然想错了。
我想生活也是如此，对于一件事，首先不要急着下手去做，不妨多一点分析，也许你会觉得这可能是在浪费时间，但是我想未必，很多事情它外部所表现出来的属性不一定是它的全部，甚至会给我们造成一些错觉，我们自认为我们的眼睛是可靠的，事实上它的内部特征可能我们一点都不了解，当我们将思路理清楚才会恍然大悟：
哦，原来如此。
参考文献
【1】清华大学电子学教研组编，阎石主编.数字电子技术基础.第5版.北京：
高等教育出版社，2010.
【2】龚华生主编.实用电路创意制作自学通.北京：
电子工业出版社，2006.
【3】朱清慧﹑张凤蕊﹑翟天嵩﹑王志奎编著.Proteus教程——电子线路设计、制版与仿真.北京：
清华大学出版社，2008.
【4】刘天旺主编.PROTEL99SE电路设计应用教程.北京：
电子工业出版社，2007.
【5】何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
【6】姚福安，电子电路设计与实践，山东科技技术出版社，2001年10月
附录1：
总体电路原理图
附录2：
元器件清单
元器件名称
参数
备注
C1
22
电解电容
1
C2
10nF
电解电容
1
D1~D6
1N4148
6
D7~D13
RedLed5mm
7
R1
2.2
2
R2
10
2
R3
10
1
R4
100
1
R5~R8
8.2
4
R9~R15
1
7
开关
1
CD4017（含基座）
1
NE555（含基座）
1
万用板
10cm
10cm
1
电源
5V
1
升级会员 