游戏投弹机.docx
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游戏投弹机
摘要
脉冲发生器，计数器，延时电路和音频振荡器等脉冲数字技术已成为小型电子游戏技术的关键技术。
游戏投弹机是一种新型数字游戏，本次所制作的投弹机系统由无稳态多谐振荡器，十进制计数器，R-S触发器电路,音频震荡器，喇叭驱动电路组成。
参考元器件：
555、CD4017、CD4001。
游戏投弹机是采用模块设计，分模块安装方法设计而成。
利用NE555构成脉冲发生器电路；CD4017对由NE555产生的脉冲进行编码、译码和分配工作，其输出信号用于控制LED的点亮；最后利用CD4001因投弹产生的信号而产生延时，并驱动蜂鸣器，发出祝贺声。
在本次设计中，首先确定设计任务要求，然后举出多个方案并进行论证，最后选出最佳方案。
选定方案后，再进一步进行原理分析和设计，然后进行器件的选择，并对器件的参数和原理进行分析。
最终绘制成电路图，并进行仿真。
仿真成功后，再焊接电路，最后进行调试分析，完成设计。
在科学技术发展的今天，不仅世界是日新月异，而且电子产品也是不断更新。
但是千变万变不离其踪，只要我们有坚实的、牢固的知识作后盾，并且不断学习外界的各种先进的科学文化知识，就可以构筑自己知识的大厦，在自己今后的人生道路上迈出稳健的步伐。
这次实践使我认识到我现在所学的知识还远远不够，在实际操作应用中有些问题还不能解决，所以我要在今后的学习中更加努力，学好自己的专业知识以充实自己，来适应日新月异的现代社会。
目录
摘要………………………………………………………………………………………1
目录………………………………………………………………………………………2
前言………………………………………………………………………………………3
第一章任务要求及方案论证…………………………………………………………4
1.1设计题目及任务……………………………………………………………………4
1.2方案的比较论证与选择……………………………………………………………4
第二章设计原理………………………………………………………………………6
第三章器件的选择及其原理分析……………………………………………………7
3.1555器件的选择……………………………………………………………………7
3.2CD4017十进制/计数器/分配器的选择…………………………………………7
3.3CD4001或非门的选择……………………………………………………………8
第四章电路性能特点及测试…………………………………………………………10
4.1电路性能特点………………………………………………………………………10
4.2测试结果与分析……………………………………………………………………10
第五章实验结论及体会………………………………………………………………11
参考文献…………………………………………………………………………………12
附录………………………………………………………………………………………12
A、设备及元件清单……………………………………………………………………13
B、参考电路原理图……………………………………………………………………14
C、仿真截屏图…………………………………………………………………………15
前言
数字电子技术是当前发展最快的学科之一，数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电路（SSI）发展到目前的中、大规模集成电路（MSI、LSI）及超大规模集成电（VLSI）。
相应地，数字逻辑电路的设计方法在不断地演变和发展，由原来的单一的硬件逻辑设计发展成三个分支，即硬件逻辑设计（中、小规模集成器件）、软件逻辑设计（软件组装的LSI和VSI，如微处理器、单片机等）及兼有二者优点的专用集成电路（ASIC）设计。
这次制作的是一个投弹游戏机，通过555组成的无稳态多谐振荡器产生脉冲再利用CD4017分频器将十个LED顺序点亮（移动速度可变），当LED点亮的同时小球投中目标便会发出1000HZ的庆贺声，富有趣味。
随着科技的发展，游戏机的种类也日愈繁多，所用的电子技术也不尽相同，但就其原理则大同小异。
此次设计的投弹游戏机虽然简单，但最后得到准确的结果也是需要一定的时间和努力的。
通过本次设计，不仅仅熟悉了各芯片的功能，还对其引脚也有所了解，并且真正的意识到理论与实践之间的差别。
通过实践才能算是从真正实际意义上掌握了所学的知识，并懂得如何应用。
在此次设计中也深深地体会到做任何事情都要认真仔细，学会与他人合作、懂得团队合作的意义及重要性。
第一章任务要求及方案论证
1.1设计题目：
数字投弹游戏机
设计任务：
（1）、复习数字系统设计基础。
（2）、分析无稳态多谐振荡器、十进制计数器、R-S触发器、音频震荡器、喇叭驱动电路的工作原理。
（3）、根据下面所选择的方案，由数字投弹机的系统杠图，画出完整的电路图。
基本要求：
10个LED顺序点亮，如果能在点亮的同时将小球投中，则发出1000Hz的庆贺声。
系统由无稳态多谐振荡器，十进制计数器，R-S触发器电路,音频震荡器，喇叭驱动电路组成。
参考元器件：
555、CD4017、CD4001
1.2方案的比较论证与选择
满足上述设计要功能可以实施的方案很多,现提出下面两种方案.
方案Ⅰ利用NE555构成脉冲发生器电路；CD4017对由NE555产生的脉冲进行编码、译码和分配工作，其输出信号用于控制LED的点亮；最后利用CD4001因投弹产生的信号去驱动蜂鸣器，发出祝贺声。
如图1.1所示,图中各部分的作用如下:
图1.1
1）555脉冲形成电路由555芯片、电阻和电容组成占空比可调的无稳态多谐振荡器,产生时钟脉冲.
2）十进制移位计数器使10个LED顺次点亮.
3）LED显示
4）按钮在小球投中时,产生一脉冲信号.
5）延时电路产生的脉冲信号,经延时电路延时5秒左右,以驱动音频振荡器.
6）无稳音频振荡器振荡产生1000Hz左右的音频信号.
7）扬声器发出小球投中的“祝贺”音响.
方案Ⅱ如图2.1所示,该方案除传感器和555音频振荡器外,其他部分,均与方案Ⅰ相同.
图2.1
1）传感器:
接收小球投中的信号,并传给下一级电路.
2）555音频振荡器:
由555芯片产生一1000Hz左右的音频信号.
方案Ⅰ结构简单,易于实现,但精度底;方案Ⅱ电路结构复杂,成本高,精度也高.根据设计要求,在满足设计要求的前提条件下,应尽量简化电路,降低成本,故选择方案Ⅰ.
第二章设计原理
电路原理：
利用NE555构成脉冲发生器电路；CD4017（十进制计数器/脉冲分配器）实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
D4017有10个输出端（O0～O9）和1个进位输出端～O5-9。
每输入10个计数脉冲，～O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
CD4017有3个输（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1～O9）均为低电平。
CP0和～CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CPl端输入。
设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。
由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。
CD4017对由NE555产生的脉冲进行编码、译码和分配工作，其输出信号用于控制LED的点亮；最后利用CD4001因投弹产生的信号去驱动蜂鸣器，发出祝贺声。
IC1（555）和R1、RP1、RP2、C1等组成无稳态多谐振荡器。
在电源电压下，产生一矩形脉冲，
频率f=1.44/（R1+RP1+RP2）C1
占空比q=tw1/T=（R1+RP2）/（R1+RP1+RP2）
其频率和占空比可通过调节RP1、RP2来改变。
IC2采用十进制计数器/脉冲分配器，在IC1输出的脉冲方波作用下，IC2的Q0输出端依次出现宽度为T=1/f的高频脉冲，与此相应的LED1～LEB10依次发光。
IC3为四2输入端或非门，IC3-1、IC3-2组成RS触发器，与R7、R8、C5组成延时电路，当小球投中与二极管（LED1～LED10中某个）对应的开关（K2～K11中的某个）闭合IC3-2的输入端6脚呈高电平，使RS触发器翻转并产生约5秒钟左右的延时，IC3-2的4脚呈低电平，使由IC3-3、IC3-4、R11、C6组成的音频振荡器起振，发出约1000HZ的振荡信号，经VT推动扬声器发出“祝贺”音响，表明击中的指示灯亮了，调节RP1、RP2可改变所亮指示灯的移动速度。
第三章器件的选择及其原理分析
3.1555器件的选择：
555芯片是一种模拟-数字混合电路芯片，555定时器如图所示：
它是由与非门和两个电压比较器及其他元件组成集成块经常用来构成定时电路或矩形波、方波产生电路，本设计使用它构成无稳态多谐振荡器，如图3.1所示：
当直流电源接通后，电源通过R1.R2对电容C1充电。
当电容C1充电到电源电压的2/3VCC时，电容开始经R2、管脚7对地放电。
当电容C1放电到电源电压的1/3VCC时，7脚内部断开，电源又开始对电容充电。
如此重复上图3.1
述过程，在3脚可输出矩形波。
此多谐振荡器输出矩形波形脉冲频率可由充电时间常数和放电时间常数确定，f=1.44/（R1+RP1+RP2）C1，占空比由充电电阻（R1+RP2）与放电电阻（R1+RP1+RP2）的比值确定，占空比为q=（R1+RP2）/（R1+RP1+RP2）
3.2CD4017十进制计数器/分配器的选择：
由于要使LED依次移动，故选择十进制计数器CD4017，CD4017是由约翰的计数器和译码器两部分电路组成。
它们有3个输入端：
复位端R，时钟端CP和CPE（也叫EN）。
有十个译码输出端：
Q0～Q9。
在复位状态时，只有Q0表现为高电平“1”状态，其它端均为低电平“0”状态。
另外还有进位输入端CO，可作为级联时使用。
CD4017的管脚排列及真值表分别如图3.2.1和表3-2所示：
CP
CPE
R
输出QN
0
*
0
N
*
1
0
N
1
0
0
N+1
1
1
0
N+1
1
*
0
N
*
1
0
N
*
*
1
Q0
图3.2.1表3-2
该器件是具有10个译码输出的5段约翰逊记数器;每个译码输出通常处于底电平且在时钟脉冲由低到高的转换过程中依次进入高电平;每个输出在高电平维持10个时钟周期中的1个时钟周期;第10个输出进入低电平后,进位输出由低电平转换到高电平,并能与时钟允许端连接成n级
时序脉冲分配器。
它的功能是在时钟脉冲的作用下，实现顺序冲产生功能，整个输出时序是Q0—Q1—Q2……Q7……依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
这也属于计数器。
CD4017是十进制脉冲分配器，有Q0～Q9十个输出端，它们的管脚排列见上图3.2所示。
这种计数器有两个时钟输入端CP和
。
当
=0时，计数脉冲由CP端输入，在脉冲上跳沿时触发计数；当CP=0时，计数脉冲由
端输入，在脉冲下跳沿触发计数。
另外，该计数器均有清零功能，当清零端R=1时，输出端Q0输出高电平,Q1～Q9输出低电平。
CD4017计数器的时序波形图如图3.2.2所示：
图3.2.2
3.3CD4001或非门的选择：
由于电路图中需要用到由或非门组成的R-S触发器及由或非门组的音频振荡器，故需用到或非门集成块CD4001，其引脚排列如图3.3.1所示：
图3.3.1
其逻辑表达式为:
O1=I1+I2，真值表如表3-3所示：
输入端
输出端
I1
I2
O1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
表3-3
由或非门组成的Ｒ－Ｓ触发器及电阻、电容构成延时电路，如图3.3.2所示：
图3.3.2
当输入端IN接收到一个脉冲信号时,输出端OUT输出低电平,R-S触发器另一端4由低电平变为高电平,并通过R7给C5充电,延时约５秒，Ｒ-Ｓ触发器3端由低电平变为高电平,使R-S触发器翻转,OUT端由低电平变为高电平,完成延时过程.
由或非门、电阻和电容构成音频振荡器,产生1000Hz的振荡信号,如图3.3.3所示:
图3.3.3
通过C6及R11的反馈和反复的充放电过程来实现触发器连续不断地翻转，从而使OUT端产生振荡信号。
第四章电路性能特点及测试
4.1电路性能特点：
此电路中LED的移动速度主要由矩形脉冲控制，根据脉冲频率f=1.44/（R1+RP1+RP2）C1可以通过调节RP1、RP2来改变LED的移动速度，这样很方便且易调；当LED移动的速度非常快的时候，小球投中时不一定能够察觉到，而本电路中使用R-S触发器的翻转并产生5秒钟的延时，使LED13产生约5秒钟的延时，这样就可以清楚地观察哪一个球击中了目标。
4.2测试结果与分析：
在此次设计过程中，所用的电源为直流12V电源，所用到有万用表等仪器。
刚开始焊接完电路时，操作过程中发现LED不能满足要求顺序点亮，接通电路LED就点亮但不是顺序点亮，后经过检查，发现CD4017产生的脉冲并不是按引脚号的顺序产生的，后经过改正，能够满足设计的部分要求。
在焊接脉冲输出电路部分通过观察LED12和LED13的亮暗来判断是否能输出稳定的脉冲信号，当引脚3输出低电平时，LED11发光，LED12不亮；当引脚3输出高电平时，LED12发光，同时LED11不亮。
紧接着是CD4017脉冲分配器的测试是观察10个LED是否能够循环点亮，如果不能循环点亮说明脉冲分配器不能正常工作。
最后是延时电路和音频电路部分，如果延时电路有问题当小球投中时对应的LED不会暂停仍然是循环点亮。
通过各自的原因来分析电路的故障是比较有用的方法。
某些焊点没接触好，导致有些不稳定，这样的情况就是刚开始时有些LED不能点亮以及有些LED闪烁不定。
之后逐一加以改正后这些现象都不再发生了。
只要有耐心对于出现的问题逐一分析、调试，然后检查电路板，问题最终还是能解决。
第五章实验结论及体会
投弹游戏机是采用中、小规模集成器件IC555,CD4017及CD4001等元器件设计而成.投弹游戏机是由555芯片组成无稳多谐振荡器产生时钟脉冲,经CD4017十进制计数器,使10个LED顺次点亮,在LED点亮的同时如果小球投中移动的目标,就会产生一驱动信号,触发R-S触发器和延时电路,延时约5秒,再经音频振荡器,产生1000Hz左右的音频信号.游戏者可以手持小球站在投弹游戏机前面,如果小球投中移动的目标,就会自动发出祝贺音响,极富情趣.
本产品的设计中用到了多片74系列，CD系列的门电路组成电路，生产成本低，另外本设计的独特之处在于能通过变频引发青少年思考脉冲数字技术。
当今社会经济高速发展，各种不良因素也严重影响青少年的价值取向。
设计一些开发智力，启发思维的新型游戏可以帮助引导青少年的价值取向。
游戏投弹机用到的555芯片，CD4017等数字电路元件是数字电路中基本的一些元件，其中涉及无稳态多谐振荡器，如何实现各种数制的加法器，触发器的一些基本功能等知识是脉冲数字技术较好应用，能较好的调动青少年的积极性
此次的投弹游戏机的设计重在于仿真、接线和焊接,通过访真能够实现投弹游戏机的设计要求，虽然实现了但在焊接的时候却出现了很多的问题如跳线的排布、元器件的放置以及怎样防止虚焊等等。
总的来说,本次设计是脉冲数字技术的一次较好的运用。
较好的检测了自身的理论学习水平，实践动手能力及理论结合实际的能力。
通过这次的课程设计提高了自身的分析处理问题能力和自学能力，更进一步地增强自身的动手能力。
参考文献
【1】康华光主编.电子技术基础.华中理工大学电子学教研室.
【2】康华光主编.电子技术基础.华中理工大学电子学教研室
【3】王琉银主编.数字电路逻辑设计.高等教育出版社
【4】毕满清主编.电子技术试验与课程设计.机械工业出版社
【5】宋春荣主编.通用集成电路速查手册.山东科学技术出版社
【6】付子仪主编.子技术课程设计指导书.河南理工大学
【7】王震江，张常年主编.综合电子设计与实践.清华大学出版社，2004
【8】刘修文主编.新编电子控制电路.机械工业出版社，2006
【9】陈有卿主编.时基集成电路原理与应用.机械工业出版社，2006
附录
A、设备及元件清单：
a、元件清单：
元件类别
元件名称
所需数量
芯片
555芯片
1块
CD4017
1块
CD4001
1块
电阻
10K
3个
1K
3个
47K
1个
100K
4个
20K
1个
0.1K
1个
0.001K
1个
电容
0..01u
3个
0.1u
1个
33u
1个
100u
1个
二极管
发光二极管（LED）
13个
硅二极管IN4007
1个
三极管
9013
1个
其他
扬声器
1个
b、计过程中所需的仪器设备：
仪器名称
所需数量
双踪示波器
1台
万用表
1台
稳压直流电源
1台
B、参考电路原理图
C、仿真截屏图
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