投弹游戏机设计报告2

前言

投弹游戏机是一种新型数字游戏，该投弹机系统由555构成的无稳态多谐振荡器，十进制计数器（CD4017），R-S触发器电路（CD4001）,音频震荡器(CD4001)，喇叭驱动电路构成。该次制作采用分模块设计部分功能并在制作时采用模块化思想，利用NE555构成频率和占空比可调的矩形脉冲发生电路；CD4017（分频器）对由NE555产生的脉冲进行编码、译码和分配工作，使其输出信号控制LED的顺序轮流点亮；最后利用CD4001因投弹产生的信号而产生延时，并驱动蜂鸣器，发出一定频率的祝贺声。

经过调试后，投弹游戏机正常工作，电源开关闭合后可发现555产生了占空比可变的脉冲，十个LED灯顺序循环点亮，在某一个灯亮的时间内如果闭合相应的开关，则该灯会多亮若干秒，同时蜂鸣器发出声音。

第一章设计内容及设计要求

投弹游戏机

基本要求：10个LED灯顺序点亮（移动速度可变），如果能够在点亮的同时将小球投中目标，则发出1000HZ庆贺声；

参考原理：系统由无稳态多谐振荡器、十进制计数器、RS触发器、音频振荡器、喇叭驱动电路构成；

主要参考器件：555、CD4017、CD4001。

第二章系统设计方案及选择

2.1 方案一

第一部分：利用NE555构成占空比及频率可调的脉冲发生电路（多谐振荡电路）；

第二部分：由CD4017计数器对由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；

第三部分：利用CD4001因投弹产生的信号进行延时控制LED灯亮时长，并由CD4001中的或非门构成的音频振荡器驱动蜂鸣器，发出一定频率的祝贺声。

其工作的原理框图如图2.1所示

图2.1 方案一原理框图

1) 555脉冲形成电路：由555芯片、电阻和电位器够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顺次循环点亮；

3) LED显示；

4) 按钮：其开关模拟投掷小球,投中则产生一脉冲信号；

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，传输至蜂鸣器；

7）蜂鸣器：小球投中时产生“祝贺”的声响。

2.2 方案二

第一部分：利用NE555构成占空比及频率可调的脉冲发生电路（多谐振荡电路）；

第二部分：由CD4017计数器对由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；

第三部分：传感器接收小球投中的信号，并将该信号传输给下一级；

第四部分：信号经由或非门构成的延时电路产生延时；

第五部分：用555构成的音频振荡受信号控制产生振荡，以驱动蜂鸣器工作。

其工作的原理框图如图2.2所示

图2.2 方案二原理框图

1) 555脉冲形成电路：由555芯片、电阻和电位器够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顺次循环点亮；

3) LED显示；

4）传感器: 接收小球投中的信号,并传给下一级电路；

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）555音频振荡器: 由555芯片产生一1000Hz左右的音频信号；

7）蜂鸣器：小球投中时产生“祝贺”的声响。

方案一结构简单,易于实际制作及功能的实现,但精度低;

方案二电路结构复杂,成本高,精度也高.

在满足设计要求的前提条件下,应尽量简化电路,降低成本,并综合考虑实际制作方面的因素，在此选择方案一。

第三章系统组成及工作原理

3.1 脉冲发生器部分

矩形脉冲发生器的设计电路如图3.1所示：

图3.1 多谐振荡脉冲发生器

当直流电源接通后，电源通过R 3、R 2和D 1对电容C 2进行单向充电，当电容C 1充电到电源电压的2

3VCC 时，电容C 2开始经D 2、R 1对管脚7进行对地放电。当电容C 2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。如此重复该充放电过程，从而产生

脉冲并从3脚输出。

该电路的充放电时间及输出脉冲的占空比和周期如下：

充电时间：T 1=R 11C 2ln2 式（3.1-1） 其中R 11为图3.1-1中的R 3及R 2的上半部分；

放电时间：T 2=R 22C 2ln2 式（3.1-2） 其中R 22为图3.1-1中的R 1的下半部分； 占空比：q=

R 11R 11+R 22

式（3.1-3）

当R 11=R 22时，q=50%，即输出方波；

周期：T=T1+T2=(R11+R22)C2ln2 式（3.1-4）

使用电位器是实现占空比及周期的可调功能，从而控制LED灯的时长及循环的速度；

使用两个二极管的目的是使充放电这两个过程独立，实现了对占空比及周期的单独控制；

瓷片电容C1的功能是滤波去杂。

3.2计时器及LED显示部分

由于要使LED依次移动，故选择十进制计数器CD4017，CD4017是由计数器和译码器两部分电路组成。

CD4017有3个输入端：复位端R，时钟端CP（上升沿输入端）和时钟端CPE（也叫EN，下降沿输入端）；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。另外还有进位输出端OC，用于级联以构成多位计数器。

在选择上升沿作用后，该器件的10个译码输出通常处于低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,进位输出端OC由低电平转换到高电平,并能与时钟允许端连接成n 级，以构成多位计数器，实现更广的计数功能。

CD4017又称时序脉冲分配器。它的功能是在时钟脉冲的作用下，实现顺序脉冲产生功能，整个输出时序是Q0～Q1～Q2…Q9…依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。这种计数器的两个时钟输入端CP和EN。当EN端接低电平时，计数脉冲由另一输入端CP 输入，在脉冲上升沿时触发计数；当CP端接低电平时，计数脉冲由EN端输入，在脉冲下降沿触发计数。另外，该计数器有复位清零功能，CD4017的复位端是高电平有效，当清零端R接高电平时，输出端Q0输出高电平,将输出初始化，而Q1～Q9输出低电平。

CD4017计数器的时序波形图如图3.2所示：