投彈游戲機設計

1、長 沙 學 院數(shù)電課程設計說明書題目投彈游戲機系(部)電信系專業(yè)(班級)電氣工程姓名學號指導教師起止日期2014.6.23-2014.6.28數(shù)字電子技術課程設計任務書(18)系（部）：電子與通信工程系 專業(yè)：電氣工程 指導教師：課題名稱投彈游戲機設計設計內(nèi)容及要求基本要求10個LED順序點亮（移動速度可變），如果能夠在點亮的同時將小球投中目標，則發(fā)出1000Hz慶賀聲主要參考元器件555，CD4017，CD4001設計工作量1、系統(tǒng)整體設計；2、系統(tǒng)設計及仿真；3、在Multisim或同類型電路設計軟件中進行仿真并進行演示；4、提交一份完整的課程設計說明書，包括設計原理、仿真分析、調(diào)試過程，

2、參考文獻、設計總結等。進度安排起止日期（或時間量）設計內(nèi)容（或預期目標）備注第一天課題介紹，答疑，收集材料第二天設計方案論證第三天進行具體設計第四天進行具體設計第五天編寫設計說明書教研室意見 月 日系（部）主管領導意見年 月 日長沙學院課程設計鑒定表姓名學號專業(yè)班級設計題目投彈游戲機的設計指導教師指導教師意見：評定等級： 教師簽名： 日期： 答辯小組意見：評定等級：答辯小組長簽名：日期：教研室意見：教研室主任簽名： 日期： 系（部）意見：系主任簽名：日期：說明課程設計成績分“優(yōu)秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四類；目錄前言5一設計的內(nèi)容與要求61.1設計題目：投彈游戲機61.2設計任務61

3、.3設計目的6二設計方案6三系統(tǒng)組成及工作原理73.1 555脈沖形成的電路設計73.2計時器及LED顯示部分73.3 延時電路83.4 音頻振蕩電路93.5 系統(tǒng)總圖及原理10四 實驗調(diào)試與仿真104.1 仿真調(diào)試104.2 分析結果11五實驗心得與體會12六 參考文獻12 14 前言隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，人們正處于一個信息時代。現(xiàn)代信息的存儲、處理和傳輸越來越趨于數(shù)字化。在人們的日常生活中，常用的計算機、電視機、音響系統(tǒng)、視頻記錄設備、長途電信等電子設備或電子系統(tǒng)，無一不采用數(shù)字電路或數(shù)字系統(tǒng)。因此，數(shù)字電子技術的應用越來越廣泛。投彈游戲機是一種新型數(shù)字游戲，是采用模塊化設計、分模塊化安

4、裝調(diào)試等方法設計制作的一種游戲機，它采用555構成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，十進制計數(shù)器（CD4017），R-S觸發(fā)器電路（CD4001），音頻震蕩器(CD4001)，喇叭驅動電路設計而成。由555芯片組成無穩(wěn)多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘脈沖，經(jīng)CD4017十進制計數(shù)器，使10個LED順次點亮，在LED點亮的同時如果小球投中移動的目標，就會產(chǎn)生一驅動信號，觸發(fā)R-S觸發(fā)器和延時電路，延時約5秒,再經(jīng)音頻振蕩器，發(fā)出一定頻率的祝賀聲。 一設計的內(nèi)容與要求 1.1設計題目：投彈游戲機 1.2設計任務 (1)利用NE555，CD4017，CD4001等元器件，運用所學的知識設計電路。 (2)10個LED順序點亮。

5、(3)如果能夠在點亮的同時將小球投中目標，則發(fā)出1000Hz慶賀聲。 1.3設計目的 學習基本理論在實踐中綜合運用的初步經(jīng)驗，掌握數(shù)字電路設計的基本方法、設計步驟，培養(yǎng)綜合設計與調(diào)試能力。 學會投彈游戲機的設計方法和如何改變相關參數(shù)以變化投彈游戲機狀態(tài)的方法，進一步加深對無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，十進制計數(shù)器，R-S觸發(fā)器電路,音頻振蕩器，喇叭驅動電路的理解。 二設計方案 1.利用NE555構成占空比及頻率可調(diào)的脈沖發(fā)生電路（多諧振蕩電路）； 2.由CD4017計數(shù)器對由NE555產(chǎn)生的脈沖進行編碼、譯碼和分配工作，其輸出信號用于控制LED的點亮； 3.利用CD4001因投彈產(chǎn)生的信號進行延時控制LE

6、D燈亮時長，并由CD4001中的或非門構成的音頻振蕩器驅動蜂鳴器，發(fā)出一定頻率的祝賀聲。其工作的原理框圖如圖2.1所示 LED顯示 十進制移位計數(shù) 555脈沖形成電路 無穩(wěn)音頻振蕩器 揚聲器 按鈕 延時電路 圖2.1 投彈游戲機設計框圖 1）555脈沖形成電路：由555芯片、電阻和電容組成占空比可調(diào)的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,產(chǎn)生時鐘脈沖； 2）十進制移位計數(shù)器：使10個LED順次點亮； 3）LED顯示；  4）按鈕：在小球投中時,產(chǎn)生一脈沖信號； 5）延時電路：產(chǎn)生的脈沖信號,經(jīng)延時電路延時5秒左右； 6）無穩(wěn)音頻振蕩器：振蕩產(chǎn)生1000Hz左右的音頻信號； 7）揚聲器：發(fā)出小球投中的“祝

7、賀”音響；  三系統(tǒng)組成及工作原理 3.1 555脈沖形成的電路設計555芯片是一種模擬-數(shù)字混合電路芯片，555定時器是由與非門和兩個電壓比較器及其他元件組成集成塊經(jīng)常用來構成定時電路或矩形波、方波產(chǎn)生電路，本設計使用它構成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，當直流電源接通后，電源通過R1.R2對電容C1充電。當電容C1充電到電源電壓的2/3 VCC時，電容開始經(jīng)R2、管腳7對地放電。當電容C1放電到電源電壓的 1/3 VCC時，7腳內(nèi)部斷開，電源又開始對電容充電。如此重復上述過程，在3腳可輸出矩形波。矩形脈沖發(fā)生器的設計電路圖 3.2計時器及LED顯示部分 由于要使L

8、ED依次移動，故選擇十進制計數(shù)器CD4017，CD4017是由計數(shù)器和譯碼器兩部分電路組成。CD4017有3個輸入端：復位端R，時鐘端CP（上升沿輸入端）和時鐘端CPE（也叫EN，下降沿輸入端）；有十個譯碼輸出端：Q0Q9。在復位狀態(tài)時，只有Q0表現(xiàn)為高電平“1”狀態(tài)，其它端均為低電平“0”狀態(tài)。另外還有進位輸出端OC，用于級聯(lián)以構成多位計數(shù)器。 CD4017的管腳排列及真值表如圖3.21所示：圖3.21CD4017的管腳排列及真值表 在選擇上升沿作用后，該器件的10個譯碼輸出通常處于低電平且在時鐘脈沖由低到高的轉換過程中依次進入高電平;每個輸出在高電平維持10個時鐘周期中的1個時鐘

9、周期;第10個輸出進入低電平后,進位輸出端OC由低電平轉換到高電平,并能與時鐘允許端連接成n級，以構成多位計數(shù)器，實現(xiàn)更廣的計數(shù)功能。CD4017又稱時序脈沖分配器。它的功能是在時鐘脈沖的作用下，實現(xiàn)順序脈沖產(chǎn)生功能，整個輸出時序是Q0Q1Q2Q9依次出現(xiàn)與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。這種計數(shù)器的兩個時鐘輸入端CP和EN。當EN端接低電平時，計數(shù)脈沖由另一輸入端CP輸入，在脈沖上升沿時觸發(fā)計數(shù)；當CP端接低電平時，計數(shù)脈沖由EN端輸入，在脈沖下降沿觸發(fā)計數(shù)。另外，該計數(shù)器有復位清零功能，CD4017的復位端是高電平有效，當清零端R接高電平時，輸出端Q0輸出高電平,將輸出初始化，而Q1Q

10、9輸出低電平。CD4017計數(shù)器的時序波形圖如圖3.22所示：圖3.22 CD4017時序波形圖 3.3 延時電路 電容延時電路由或非門CD4001構成 電容延時電路如圖3.3所示：圖3.3電容延時電路輸入信號由上圖U1A的懸空端輸入，當該端接收到一個脈沖信號時,輸出端OUT（即U1A的輸出端）輸出低電平，R-S觸發(fā)器另一輸出端（U1B的輸出端）由低電平變?yōu)楦唠娖?，并通過R給C充電，延時約秒，R-S觸發(fā)器OUT端由低電平變?yōu)楦唠娖?，使R-S觸發(fā)器翻轉，OUT端由低電平變?yōu)楦唠娖?，完成延時過程。 3.4 音頻振蕩電路 音頻振蕩部分由或非門CD4001組成，其電路如圖3.4所示： 圖3.4 音頻振

11、蕩電路 該電路通過C和R的反饋和反復充放電過程來實現(xiàn)觸發(fā)器連續(xù)不斷地翻轉，從而使OUT（即圖中的U1C的輸出端）產(chǎn)生振蕩信號，進而驅動下面的蜂鳴器部分電路。 3.5 系統(tǒng)總圖及原理 投彈游戲機的電路圖如圖3.5所示圖3.5 投彈游戲機的電路圖 如上圖所示，當開關鍵A閉合后，NE555芯片開始工作，產(chǎn)生一定頻率及占空比的矩形波，其頻率由RP1、R2、C2，實現(xiàn)功能后可調(diào)節(jié)電位器RP1來改變矩形波的頻率和占空比。555輸出的矩形波由管腳3輸出到CD4017的CP輸入端（上升沿觸發(fā)），此時CD4017開始工作計時，該芯片的復位清零端（15腳）在由C2和R2構成的微分電路上電后立即變成低電平，不再工作

12、于復位狀態(tài)，即計數(shù)器正常計數(shù)，當輸入端接收第一個脈沖上升沿時，Q0輸出端立即跳變?yōu)榈碗娖剑c此同時，Q1輸出端跳變?yōu)楦唠娖揭则寗影l(fā)光二極管LED1，當輸入端再接收一個上升沿脈沖時，Q1則變成低電平，其對應的二極管熄滅，同時Q2變?yōu)楦唠娖剑琇ED2點亮如此循環(huán)，實現(xiàn)了十個LED燈的順序循環(huán)點亮。當在某個燈亮期間閉合與該燈對應的開關時，聯(lián)系CD4001的橋梁即連通了，使得由計數(shù)器對應的高電平使CD4001中的電容延時電路開始工作，不斷地進行電平翻轉和R10和C7放電，實現(xiàn)延時功能，從而使被投中的那個燈延長點亮時間；再由Y2輸出端觸發(fā)音頻振蕩電路工作，使之驅動蜂鳴器發(fā)出一定頻率的聲響，從而使電路的功

13、能更加完善，其中LED13用來顯示延長時間及蜂鳴時長。四 實驗調(diào)試與仿真 4.1 仿真調(diào)試 電路仿真圖如圖4.1所示圖4.11仿真波形圖根據(jù)仿真圖的結果，555輸出方波，設計方案可行。 圖4.12仿真LED圖 電路仿真時，在開關未閉合的狀態(tài)下，LED110循環(huán)點亮，但LED13不會亮，蜂鳴器也不會響。 圖4.13仿真LED圖 將開關J3閉合，可以發(fā)現(xiàn)當LED燈循環(huán)點亮到J3時，LED13將會點亮，此時蜂鳴器也會響。 4.2 分析結果 在閉合開關后，可以發(fā)現(xiàn)555定時器工作正常，示波器上有方波出現(xiàn)，在沒有閉合J1J10開關時，LED1LED10將會循環(huán)點亮，但LED13不會亮，在閉合J1J10開

14、關中的任何一個，LED13都會點亮，此時蜂鳴器也會響起。五實驗心得與體會通過本次課程設計，我學到了很多知識，明白了很多的道理。在剛拿到這個課題時，感受最多的是茫然與無助，不知道如何下手。經(jīng)過一個下午的查找資料，對這個課題有了大概的了解，理清了思路。但是實踐起來往往比想象中難很多。首先是對Multisim10.0這個軟件的不熟悉，在摸索了很久之后，才逐漸掌握是用的方法，還有就是自己對所學的知識掌握的不夠牢固，不能完全把學到的知識運用到實踐中來。通過這次課程設計使我懂得了只有理論知識是遠遠不夠的，理論與實際相結合是很重要的，要把所學的理論知識與實踐相結合起來，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的

15、能力。在這次課程設計中，我也遇到了很多的問題，但是這些問題我們還是解決了。在仿真中，開關J3到J8開關閉合后，就再也打不開了，這個問題困擾了我很久。最后在移動了幾次開關后，我才發(fā)現(xiàn)，是由于自己在排版上安排的不夠合理，將開關排列的太密集，導致開關連接在一起了。知道問題所在后，將電路改動后，電路又能正常運行了。其實在課程設計中不可能不出現(xiàn)問題，但是不能將其放置一邊，不去管它，要努力的將電路中出現(xiàn)的問題解決掉，自己也能從中獲取更多的知識，在完成后續(xù)的工作時，也能避免自己犯同樣的錯誤。這次課程設計中，我知道了自己現(xiàn)在知道的東西遠遠不夠，在今后的學習中，我需要更加的努力，只有不斷地努力，才能讓自己更加充實！六 參