課程設計報告—投彈游戲機

1、 課程設計說明書摘  要關鍵字：數電、振蕩器、投彈游戲機脈沖發(fā)生器，計數器，延時電路和音頻振蕩器等脈沖數字技術已成為小型電子游戲技術的關鍵技術。游戲投彈機是一種新型數字游戲，本次所制作的投彈機系統由無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，十進制計數器，R-S觸發(fā)器電路,音頻震蕩器，喇叭驅動電路組成。參考元器件：555、CD4017、CD4001。游戲投彈機是采用模塊設計，分模塊安裝方法設計而成。利用NE555構成脈沖發(fā)生器電路；CD4017對由NE555產生的脈沖進行編碼、譯碼和分配工作，其輸出信號用于控制LED的點亮；最后利用CD4001因投彈產生的信號而產生延時，并驅動蜂鳴器，發(fā)出祝賀聲。&

2、#160;在本次設計中，首先確定設計任務要求，然后舉出多個方案并進行論證，最后選出最佳方案。選定方案后，再進一步進行原理分析和設計，然后進行器件的選擇，并對器件的參數和原理進行分析。最終繪制成電路圖，并進行仿真。仿真成功后，再焊接電路，最后進行調試分析，完成設計。 在科學技術發(fā)展的今天，不僅世界是日新月異，而且電子產品也是不斷更新。但是千變萬變不離其蹤，只要我們有堅實的、牢固的知識作后盾，并且不斷學習外界的各種先進的科學文化知識，就可以構筑自己知識的大廈，在自己今后的人生道路上邁出穩(wěn)健的步伐。這次實踐使我認識到我現在所學的知識還遠遠不夠，在實際操作應用中有些問題還不能解決，所以我要在

3、今后的學習中更加努力，學好自己的專業(yè)知識以充實自己，來適應日新月異的現代社會。目 錄摘  要1目 錄2前 言3第一章 任務要求及方案論證41.1設計題目：投彈游戲機41.2 方案的比較論證與選擇4第二章 設計原理6第三章 器件的選擇及其原理分析93.1 555器件的選擇：93.2 CD4017十進制計數器/分配器的選擇：93.3 CD4001或非門的選擇：11第四章 電路性能特點及測試124.1 電路性能特點：124.2 測試結果與分析：12第五章 實驗結論及體會13參考文獻14附錄14附錄1：元器件清單14附錄2：電路原理總圖15附錄3：實物圖16前 言數字電子技術是當前

4、發(fā)展最快的學科之一，數字邏輯器件已從60年代的小規(guī)模集成電路（SSI）發(fā)展到目前的中、大規(guī)模集成電路（MSI、LSI）及超大規(guī)模集成電（VLSI）。相應地，數字邏輯電路的設計方法在不斷地演變和發(fā)展，由原來的單一的硬件邏輯設計發(fā)展成三個分支，即硬件邏輯設計（中、小規(guī)模集成器件）、軟件邏輯設計（軟件組裝的LSI和VSI，如微處理器、單片機等）及兼有二者優(yōu)點的專用集成電路（ASIC）設計。 這次制作的是一個投彈游戲機，通過555組成的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器產生脈沖再利用CD4017分頻器將十個LED順序點亮（移動速度可變），當LED點亮的同時小球投中目標便會發(fā)出1000HZ的慶賀聲，富有趣味。隨著科技的發(fā)

5、展，游戲機的種類也日愈繁多，所用的電子技術也不盡相同，但就其原理則大同小異。此次設計的投彈游戲機雖然簡單，但最后得到準確的結果也是需要一定的時間和努力的，而且在這基礎上可以添加其他電路讓這簡單的游戲機擁有更多的功能。通過本次設計，不僅僅熟悉了各芯片的功能，還對其實現特定功能引腳的接法也有掌握，并且真正的意識到理論與實踐之間的差別。通過實踐才能算是從真正實際意義上掌握了所學的知識且更能發(fā)現未知的錯誤，并懂得如何去調試。在此次設計中也深深地體會到做任何事情都要認真仔細，學會與他人合作、懂得團隊合作的意義及重要性。第一章 任務要求及方案論證1.1設計題目：投彈游戲機設計任務：(1) 復習數字系統設計

6、基礎。 (2) 分析無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、十進制計數器、R-S觸發(fā)器、音頻震蕩器、喇叭驅動電路的工作原理。（3）根據下面所選擇的方案，由數字投彈機的系統杠圖，畫出完整的電路原理圖?；疽螅?0個LED順序點亮，如果能在點亮的同時將小球投中，則發(fā)出1000Hz的慶賀聲。系統由無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，十進制計數器，R-S觸發(fā)器電路,音頻震蕩器，喇叭驅動電路組成。參考元器件：555、CD4017、CD4001。 1.2 方案的比較論證與選擇滿足上述設計要求的可實施的方案很多,現提出下面兩種方案.方案如圖1.1所示利用NE555構成脈沖發(fā)生器電路；CD4017對由NE555產生的脈沖進行編碼、譯碼和分配工作，

7、其輸出信號用于控制LED的點亮；最后利用CD4001因投彈產生的信號去驅動蜂鳴器，發(fā)出祝賀聲。如圖1.1所示,圖中各部分的作用如下:555構成多諧振蕩器十進制移位計數器LED顯示點動開關R-S觸發(fā)器電路器蜂鳴器 圖1.11）555脈沖形成電路。由555芯片、電阻和電容組成占空比可調的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，產生時鐘脈沖。2）十進制移位計數器、LED顯示。由CD4017芯片10個輸出端鏈接10個LED依次點亮。3）點動開關。在小球投中時，產生一脈沖信號。4）R-S觸發(fā)器電路。產生脈沖信號，并且音頻震蕩器振蕩產生1000Hz左右的音頻信號以驅動蜂鳴器。5） 蜂鳴器。發(fā)出小球投中的“祝賀”音響.方案如圖2

8、.1所示，該方案除傳感器和555音頻振蕩器外，其他部分，均與方案相同。555脈沖形成電路十進制移位計數器LED顯示傳感器555 音頻振蕩器蜂鳴器 圖1.2 1） 傳感器：接收小球投中的信號，并傳給下一級電路。2） 555音頻振蕩器：由555芯片產生一1000Hz左右的音頻信號. 方案結構簡單,易于實現,但精度底;方案電路結構復雜,成本高,精度也高.根據設計要求,在滿足設計要求的前提條件下,應盡量簡化電路,降低成本,故選擇方案.第二章 設計原理電路原理：1.利用NE555構成多諧振蕩器。圖2.1工作原理如圖2.1。多諧振蕩器只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。1） 假設當電源接通后，電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C上電壓

9、略低于1/3Vcc，Vo輸出高電平，V1截止，電源Vcc通過R1、R2給電容C充電。隨著充電的進行Vc逐漸增高，但只要1/3Vcc<Vc<2/3Vcc，輸出電壓Vo就一直保持高電平不變，這就是第一個暫穩(wěn)態(tài)。此后，各個脈寬均為T1。2） 當電容C上電壓略微超過2/3Vcc時（即V6和V2均大于等于2/3Vcc時）RS觸發(fā)器置0，使輸出電壓Vo從原來的高電平翻轉到低電平，即Vo=0，V1導通飽和，此時電容C通過R2和V1放電。隨著電容C放電，Vc下降，當只要2/3Vcc>Vc>1/3Vcc，Vo就一直保持低電平不變，這就是第二個暫穩(wěn)態(tài)。此后，各個脈寬均為T2。3） 當Vc下

10、降到略低于1/3Vcc時，RS觸發(fā)器置1，電路輸出又變?yōu)閂o=1，V1截止，電容C再次充電，有重復上述過程，電路輸出便得到周期性的矩形脈沖。振蕩周期T的計算：多諧振蕩器的振蕩周期:T=T1+T2；T1=0.7（R1+R2）C 1T2=0.7R2C 2振蕩周期：T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C 3占空比=T1/（T1+T2）=（R1+R2）/（R1+2R2） 42.CD4017實現對脈沖信號的分配。由于要使LED依次移動，故選擇十進制計數器CD4017，CD4017是由計數器和譯碼器兩部分電路組成。它們有3個輸入端：復位端R，時鐘端CP和CPE（也叫EN）。有十個譯碼輸出端：Q0Q9。在

11、復位狀態(tài)時，只有Q0表現為高電平“1”狀態(tài)，其它端均為低電平“0”狀態(tài)。另外還有進位輸入端CO，可作為級聯時使用。CD4017的管腳排列及真值表分別如圖3.2.1和表3-2所示：CPCPER輸出QN0*0N*10N100N+1110N+11*0N*10N*1Q0 圖3.2.1 表3-2該器件是具有10個譯碼輸出的5段約翰遜記數器;每個譯碼輸出通常處于底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個時鐘周期;第10個輸出進入低電平后,進位輸出由低電平轉換到高電平,并能與時鐘允許端連接成n級時序脈沖分配器。它的功能是在時鐘脈沖的作用下，實現順序沖產生

12、功能，整個輸出時序是Q0Q1Q2Q7依次出現與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。這也屬于計數器。CD4017是十進制脈沖分配器，有Q0Q9十個輸出端，它們的管腳排列見上圖3.2所示。這種計數器有兩個時鐘輸入端CP和。當=0時，計數脈沖由CP端輸入，在脈沖上跳沿時觸發(fā)計數；當CP=0時，計數脈沖由端輸入，在脈沖下跳沿觸發(fā)計數。另外，該計數器均有清零功能，當清零端R=1時，輸出端Q0輸出高電平,Q1Q 9輸出低電平。CD4017計數器的時序波形圖如圖3.2.2所示： 圖 3.2.23.CD4001構成RS觸發(fā)器。CD4001是四2輸入或非門。或非門的邏輯關系特點是只有當輸入端全部為低電平時，輸出

13、端為高電平狀態(tài)；在其余輸入情況下，輸出端為低電平狀態(tài)。即Y3=Y1+Y2由或非門、電阻和電容構成音頻振蕩器,可以產生1000Hz的振蕩信號,如圖2.3 。通過C6及R11的反饋和反復的充放電過程來實現觸發(fā)器連續(xù)不斷地翻轉，從而使OUT端產生振蕩信號。圖2.3第三章 器件的選擇及其原理分析3.1 555器件的選擇：555芯片是一種模擬-數字混合電路芯片，它是由與非門和兩個電壓比較器及其他元件組成集成塊經常用來構成定時電路或矩形波、方波產生電路，本設計使用它構成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，如圖3.1所示：當5V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

14、開始經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。此多諧振蕩器輸出矩形波形脈沖振蕩周期（R2=100K）：T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C1 =0.7*（100K+200K）*0.000001=0.21s圖3.1占空比=T1/（T1+T2）=（R1+R2）/（R1+2R2） =（100K+100K）/（100K+200K） =2/3 =67%3.2 CD4017十進制計數器/分配器的選擇：CD4017（十進制計數器/脈沖分配器）實現對脈沖信號的分配，整個輸出時序就是Q0、Q1、Q2、Q9依次

15、出現與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。CD4017有10個輸出端（Q0Q9）和1個進位輸出端CO。每輸入10個計數脈沖，CO就可得到1個進位正脈沖，該進位輸出信號可作為下一級的時鐘信號。CD4017有3個輸入端（CR、CP和INH），CR為清零端，當在CR端上加高電平或正脈沖時其輸出C0為高電平，其余輸出端（Q1Q9）均為低電平。CP和INH是2個時鐘輸入端，若要用上升沿來計數，則信號由CP端輸入；若要用下降沿來計數，則信號由INH端輸入。設置2個時鐘輸入端，級聯時比較方便，可驅動更多二極管發(fā)光。由此可見，當CD4017有連續(xù)脈沖輸入時，其對應的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，故可直接用作順序脈

16、沖發(fā)生器。CD4017對由NE555產生的脈沖進行編碼、譯碼和分配工作，其輸出信號用于控制LED的點亮；最后利用CD4001因投彈產生的信號去驅動蜂鳴器，發(fā)出祝賀聲。555產生一矩形脈沖，其周期和占空比可通過調節(jié)R1、R2來改變。IC2采用十進制計數器/脈沖分配器，在IC1輸出的脈沖方波作用下，IC2的Q0輸出端依次出現寬度為T=1/f的高頻脈沖，與此相應的LED1LEB10依次發(fā)光。IC3為四2輸入端或非門組成RS觸發(fā)器，當小球投中與二極管（LED1LED10中某個）對應的開關（K1K10中的某個）經VT推動揚聲器發(fā)出“祝賀”音響，表明擊中的指示燈亮了，調節(jié)R1、R2可改變所亮指示燈的移動速

17、度。圖3.23.3 CD4001或非門的選擇：由于電路圖中需要用到由或非門組成的R-S觸發(fā)器及由或非門組的音頻振蕩器，故需用到或非門集成塊CD4001。LED11U3A4001BD_5VU3B4001BD_5VU3C4001BD_5VR410kC4100µFR61R7100OutIN圖3-3第四章 電路性能特點及測試4.1 電路性能特點：此電路中LED的移動速度主要由矩形脈沖控制，根據脈沖頻率可以通過調節(jié)R2來改變LED的移動速度，這樣很方便且易調；當LED移動的速度非?？斓臅r候，小球投中時不一定能夠察覺到，這時可以增大R2，LED移動的速度變慢這樣就可以清楚地觀察哪一個球擊中了目標

18、。4.2 測試結果與分析： 在此次設計過程中，所用的電源為直流5V電源，所用到有萬用表等儀器。剛開始焊接完電路時，操作過程中發(fā)現雖然LED能滿足要求順序點亮，但是發(fā)現當按下相應的開關后蜂鳴器不會響，后經過檢查，發(fā)現R-S觸發(fā)器電路產生脈沖信號電路部分有連接錯誤，輸出的是一個低電平信號無法驅動蜂鳴器。后經過改正，可以得到正常的現象。整個電路是有三大部分逐級設計組合而成的，最后現象有誤應該逐一檢查發(fā)現錯誤并改正如：1.當接通電源后發(fā)現LED都不亮，就先用萬用表的測電壓檔位檢查NE555的3引腳是否具有周期性的高低電平。若沒有則說明問題在NE555的電路上，反之則檢查下一級電路。2當接通電源后發(fā)現L

19、ED沒有按照預期的順序點亮，除去芯片自身問題則說明CD4017脈沖分配器與LED的連接順序有錯誤，所以就先檢查連線是否正確。3.最后是延時電路和音頻電路部分，如果延時電路有問題當小球投中時對應的LED不會暫停仍然是循環(huán)點亮。通過各自的原因來分析電路的故障是比較有用的方法。某些焊點沒接觸好，導致有些不穩(wěn)定，這樣的情況就是剛開始時有些LED不能點亮以及有些LED閃爍不定。之后逐一加以改正后這些現象都不再發(fā)生了。只要有耐心對于出現的問題逐一分析、調試，然后檢查電路板，問題最終還是能解決。第五章 實驗結論及體會投彈游戲機是采用中、小規(guī)模集成器件 NE555，CD4017及CD4001等元器件設計而成.

20、投彈游戲機是由555芯片組成無穩(wěn)多諧振蕩器產生時鐘脈沖,經CD4017十進制計數器,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,再經音頻振蕩器,產生1000Hz左右的音頻信號.游戲者可以手持小球站在投彈游戲機前面,如果小球投中移動的目標,就會自動發(fā)出祝賀音響,極富情趣.本產品的設計中用到了多片74系列，CD系列的門電路組成電路，生產成本低，另外本設計的獨特之處在于能通過變頻引發(fā)青少年思考脈沖數字技術。當今社會經濟高速發(fā)展，各種不良因素也嚴重影響青少年的價值取向。設計一些開發(fā)智力，啟發(fā)思維的新型游戲可以幫助引導青少

21、年的價值取向。游戲投彈機用到的555芯片，CD4017等數字電路元件是數字電路中基本的一些元件，其中涉及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，如何實現各種數制的加法器，觸發(fā)器的一些基本功能等知識是脈沖數字技術較好應用，能較好的調動青少年的積極性此次的投彈游戲機的設計重在于仿真、接線和焊接,通過訪真能夠實現投彈游戲機的設計要求，雖然實現了但在焊接的時候卻出現了很多的問題如跳線的排布、元器件的放置以及怎樣防止虛焊等等?？偟膩碚f, 本次設計是脈沖數字技術的一次較好的運用。較好的檢測了自身的理論學習水平，實踐動手能力及理論結合實際的能力。通過這次的課程設計提高了自身的分析處理問題能力和自學能力，更進一步地增強自身的動手能力。