电子幸运转盘课程设计

***************学院数字系统设计与制作报告
电子幸运转盘电子电路设计
院系：信工系
小组成员：
专业班级：
指导教师：
设计时间：2019-2020学年第2学期17周
2019年 06月 21日
摘要
幸运转盘是一个常见的博彩道具，在我们日常生活中扮演着十分重要的角色，在各种娱乐场合，以及商场购物中心，游乐场等地方，都有幸运转盘的身影。

随着科技的发展，现在许多软件也有幸运大转盘的功能。

由于幸运大转盘应用十分广泛，所以这次课程设计选择利用集成芯片制作一个幸运转盘，并利用Protues 仿真软件对电路进行设计和仿真。

电子幸运转盘电路由NE555组成的多谐振荡器和4017十进制计数器/脉冲分配器组成。

10颗发光极管模拟幸运物，当按下启动键1秒以上，发光二极管高速循环点亮，几秒钟后旋转速度越来越慢并最终随机停止于某颗灯上。

电解电容C1的数值决定延迟时间，电解电容C2数值决定循环速度。

关键词: 电子幸运转盘，protues仿真，NE555，CD4017，循环点亮，随机停止。

目录
1设计任务和要求.................................................................................................... - 1 -
1.1设计任务.................................................................................................... - 1 -
1.2具体要求.................................................................................................... - 1 -2设计方案与论证.................................................................................................... - 1 -
2.1设计思路.................................................................................................... - 1 -
2.2设计方案.................................................................................................... - 1 -
2.3设计论证.................................................................................................... - 2 -3单元电路设计........................................................................................................ - 2 -
3.1电路的设计原理........................................................................................ - 2 -
3.2由NE555组成的振荡器............................................................................ - 2 -
3.3 4017集成电路十进制计数器.................................................................. - 4 -4系统调试................................................................................................................ - 4 -
4.1仿真调试.................................................................................................... - 4 -
4.2 实物调试................................................................................................... - 5 -
4.3故障分析.................................................................................................... - 6 -
5 总结体会............................................................................................................... - 7 -
6 元器件清单........................................................................................................... -
7 -
7 参考文献............................................................................................................... - 7 -
8 附录....................................................................................................................... - 8 -
8.1总电路图.................................................................................................... - 8 -
8.2元件清单.................................................................................................... - 8 -
8.3核心芯片资料............................................................................................ - 9 -
1设计任务和要求
1.1设计任务
幸运转盘是一个常见的博彩游戏道具，按下按键2、3秒后松开，10发光二极管循环点一直转动下去，速度越来越慢，最后定留在D1-D10中随机的一个点上。

主要包括两部电路，脉冲发生电路和移位寄存电路。

1.2具体要求
1、可用10个发光二极管模拟幸运物。

2、启动开关后，发光二极管高速循环点亮。

3、二极管循环点亮速度越来越慢，并最终随机停止于某个灯上。

2设计方案与论证
2.1设计思路
根据电子幸运转盘的功能，将电路划分为四个单元功能模块，记时钟信号发生模块、译码驱动LED 显示模块、十进制技术模块和开关等逻辑控制。

2.2设计方案
方案一：电路由NE555组成的多谐振荡器和4017十进制计数器/脉冲分配器组成。

10颗发光二极管模拟幸运物，当按下启动键2秒以上，发光二极管高速循环点亮，几秒钟后旋转速度越来越慢并最终随机停止于某颗灯上。

47uF 电解电容的数值决定延迟时间，220uF 的电解电容数值决定循环速度。

电源供电电压为直流6V ，也可以采用4节1.5V 电池供电。

电子幸运转盘设计系统框图如图2-1所示
图2-1电子幸运转盘设计系统框图 按钮式启动开关 电容式放电计时器 555集成电路多谐振荡器 发光二极管1-10显示 4017集成电路十进制电路器
方案二：由单片机程序实现，电路由AT89C51和LED组成，程序类似于流水灯。

2.3设计论证
对比方案一和方案二，由于单片机程序较为繁琐，且使用器件不易获取，所以本次实验采用方案二设计实现。

实物调试时，若当按下开关一秒以上，发光二极管高速循环点亮，几秒种后旋转速度越来越慢并最终停在某颗灯上。

重复试验，停留的位置随机，则设计成功，否则设计失败。

3单元电路设计
3.1电路的设计原理
按钮时启动开关电容式放电计数器NE555集成电路多谐振荡器4017集成电路十进制计数器发光二极管1-10显示10只LED轮流发光。

松开按键后，由于有电容C1的存在，U1不会立即截止，随着C1两端电压的下降，U1的导通程序逐渐减弱，3脚输出脉冲的频率变慢，LED移动频率也随之变慢。

最后当C1放电结束后。

U1截止，NE555的3脚不再输出脉冲，LED停止移动。

一次“幸运”过程就这样完成了。

R2决定LED移动速度,C1决定等待“幸运”的时间。

电路总设计图如图3-1所示。

图3-1电路总设计图
3.2由NE555组成的振荡器
脉冲产生器是一个用定时器集成电路555设计而成的多谐波(方波)振荡器，产生高低变化不停的方形脉冲波。

当按一下按钮式开关时，C1会实时充电至电
源电压9V,此电压经晶体管(TR)缓冲放大器后施加在NE555无稳态多谐波(方波)振荡器的重置脚即4脚上，令其开始振荡，在第3脚输出方波脉冲。

当按钮式开关放开后，Cl会经R1放电，其电压徐徐下降，IC2第4脚的电压也跟随下降。

在一定的时间后(由C1*R1的时间常数决定，一般约十秒内)，IC2第4脚的电压变得很低，令振荡停止，第3脚停止输出方波脉冲。

IC2 555在起动时，第3脚输出约等于电源电压的高位电压，经R3向C3充电，当C3电压升至2/3电源电压时，经第六脚触发内部的电压比较器，令第3脚变为接近零的低电位。

之后C3经R3放电，当C3电压下降至1/3电源电压时，经第二脚触发内部另一个电压比较器，使第3脚变回高输出电位，再次重复向C3充电。

结果C3不停经R3充电和放电，NE555第3脚不停输出方型脉冲波。

R3及C3数值越大，频率越低。

R3及C3数值越小，频率越高。

NE555时基电路组成振荡电路，电源VCC通过电阻R1向电容C1充电，当充电到一定程度后，2、6脚电压升高，当2、6脚电压升高到2/3VCC后，3脚输出为低电平，7脚对地呈低阻态，电容Cl通过电位器和7脚对地放电，当放电至使2、6脚电压低于1/3VCC时，3脚输出为高电平，7脚对地呈高阻态，VCC通过RP1又开始对电容C1充电，周而复始。

通过调节cl电容的大小，可以改变电容充放电的时间常数，从而改变3脚输出脉冲的频率。

从3脚输出振荡脉冲作为CD4017工作的时钟脉冲，在时钟脉冲的作用下，CD4017
十进制计数器开始计数，从10个输出端依次输出高电平，不断循环。

10只发光二极管被依次点亮。

NE555组成的振荡器如图3-2所示。

图3-2 NE555组成的振荡器
3.3 4017集成电路十进制计数器
4017是一个十进制数集成电路，是十进制计数器/脉冲分配器，它的内部由计数器及译码器两部分组成。

16脚以及8脚分别为正负极电源接脚，可在3-18V 下工作。

14是时钟脉冲输入端，每当输入由低电位(约0V)转高电位时令输出端依次序轮流输出高电位。

13端是时钟脉冲控制端，一般接低电位，若接高电位会使14端暂停作用。

15端是置零端，一般接零电位，若接高单位则是输出置零，即Q0输出端永远为高单位，12端是进位端，用来接下一个十进计数器，变成双位计数器，本电路不555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极型(TTL)工艺制作的称为555,用互补金属氧化物(CMOS )工艺制作的7555除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

它内部包括两个电压比较器，三
个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。

集成电路十进制计数器如图3-3所示。

图3-3 4017集成电路十进制计数器
4系统调试
4.1仿真调试
运行过程中电容C1数值过大，C2过小，导致灯泡高速循环，灯泡循环周期过长，不易观测最终结果。

在确定电路元件各功能并修改数值后，最终确定了幸运转盘的仿真，如图4-1幸运转盘仿真所示。

图4-1幸运转盘仿真
4.2 实物调试
采用电烙铁手工焊接方法将元件按电路图焊接。

焊接的时候我们要避免元件的各个部分的链接，焊接前要严格按照仿真电路图上的各元器件的连接先在电路板上进行排版，应做到各元件的排列合理，容易焊接。

避免焊接时交叉短路及确
保电路板美观程度。

焊接时不要直接焊芯片，各元器件应先固定再剪去引脚。

焊接时应注意锡的跟进度，确保焊接后的焊点光滑整洁。

焊接时不应焊接时间过长，以免烧坏电路板和元器件，还应注意锡的用量，节约资源，做到美观与技术的巅峰，让人看到一种舒服、高端、大气、上档次！制作过程如下图4-2-1为接通电源，图4-2-2为按下按钮大于1秒松开后，灯泡高速循环点亮，图4-2-3为随机停止于某颗灯上。

图4-2-1接通电源
图4-2-2 灯泡高速循环点亮
图4-2-3 随机停止于某颗灯上
4.3故障分析
在元件的调试过程中，整个过程大多数是仿真上进行的。

在电路上存在着一些的问题如下:
故障一: 4017 输出的10个LED不亮
故障分析: C2 的值太大。

故障二: LED灯在最后的放电过程中停止的太快，观察不到效果。

故障分析:由于各元器件的制作过程中存在着允许的误差，可能会由导致接完后与仿真的效果不太一样。

此时应根据现象适当替换电容C1，若是交替闪烁频率过快，应替换较大电容。

故障三:在焊接完成后发现当接上电源，用锁存开关进行演示前发现有多个
LED亮。

故障分析:由于开关S1只是锁存多谐振荡的，而电源还是接通。

最开始会出现震荡情况，所以会产生多个LED灯亮。

5 总结体会
通过这次电子作品的制作使我们的专业技能得到了很大的锻炼和提高。

在电子作品制作的过程中。

不仅仅需要基本的电子焊接技术，而且在制作过程中需要先对需要的元器件有充分的认识。

其次，制作过程中还要适当的结合电子仿真软件的应用。

另外还要记得电子仿真中是对各种干扰理想化的仿真，在实际制作中需要结合实际情况对需要更改的参数进行更改，否则制作肯定不能成功。

这次电子实训设计中，我们小组的题目是电子幸运轮盘。

设计的时候并不顺利，芯片的选择和电路的接法对于我这种从来没有实际操作过的学生还是有一定难度的。

经过我们大家的集体讨论后，我们还是把最终的电路图设计了出来。

这让我充分体会到了团队了力量，团结才能让大家把事情干好。

一个人的力量始终太渺小，集思广益才能让我们进步得更快，让我们学习到更多知识。

最让我头疼的是在实际操作过程中，我们经常会因一个小失误，比如线接错了，有的线没有接上等等问题让实验板的灯无法亮起来。

这些都是让我始料未及的。

由于不细心的地方太多，急于求成，想早点完成设计和焊接，但是这反而导致了很多次的失败，当时甚至有放弃的念头。

但是我们坚持下来了，当最终看到成品的时候，我觉得一切都是值得的。

在这次的实训中，我们要对所做的作品的原理和所用到的器件的工作原理和用法做深入的了解。

因此在实训中我对集成芯片NE555,4017的原理更加深入，应用更加熟悉了，同时我所做的电子作品电子幸运转盘的构成和工作原理都有了相应的理解。

其次，在电子作品制作过程中无疑要用到相应的设计软件同时也要做作品的PCB板的制作与焊接。

因此在实训中使我对Protues电子设计与仿真软件的使用更加的熟悉与灵活了。

还有焊接的接点有要比之前有了很大的提高，减少了虚焊等还接点的数量。

电子作品的制作不仅仅锻炼了自己的实践能力，并且在此过程中还锻炼了自已在制作产品上的逻辑思维，知道了要设计一个产品需要什么必备条件和设计产品时候的逻辑步骤。

因此做这样的电子作品的制作的实训，将会很好扩展我们得思维能力，将学习的理论与与实践相结合，作品制作与生活相结合，做出对社会和生活有的产品来。

6 元器件清单
在protues仿真上所需元器件清单如图6-1所示。

7 参考文献
[1]邱关源.电路第五版[M].高等教育出版社,2009.
[2]杨全科.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2003.
[3]郑家龙.集成电子技术基础[M].北京高等教育出版社,2002.
[5]康华光.电子技术基础数字部分第4版[M].北京高等教育出版社,2000
[6]林文剑,王劲松,林建诏,基于EWB的555多谐振荡器设计研究[J].中国科技论文,2008
[7]路成红.专用集成电路设计与电子设计自动化[M].清华大学出版,2001.
元器件参数标识数量
CAP 103 C3 1 CAP-ELEC 100uF、100uF C1、C2 2
LED-RED - D1-D10 10 RES 1K、470K、100ΩR1、R2、R3、R4 4
NE555 - U2 1
4017 - U1 1
BUTTON - - 1
图6-1仿真元器件清单
8 附录
8.1总电路图
Proteus上仿真总电路图如图8-1所示。

图8-1 proteus上仿真总电路图
8.2元件清单
实物所用元器件清单表如图8-2。

符号名称规格数量
R1、R3电阻470K2
R2电阻1K1
R4电阻1001
C1、C2电解电容100uF2
C3瓷片电容100uF1
S1按钮4*61031
Q1三极管90141
D1-D10发光管红色10
U1集成电路CD40171
U2集成电路NE5551
U1管座DIP161
U2管座DIP81
电源端子2P1
PCB板56*541
图8-2元件清单
8.3核心芯片资料
NE555元件资料，图8-3-1所示，NE555内部功能框图如NE555引脚图如图8-3--2所示。

图8-3-1NE555内部结构图图8-3-2 NE555引脚图
NE555管脚参数：
1脚:外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

2脚:低触发端
3脚:输出端V o
4脚:是直接清零端。

当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、
TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚: VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01uF电容接地，以防入干扰。

6脚: TH高触发端。

7脚:放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

8脚:外接电源VCC，双极型时基电极VCC的范围是4.5~16V, CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。

4017工作原理：4017逻辑图如图8-3-3所示，4017引脚图如图8-3-4所示。

4017管脚参数：
CP(Pin14)为频率信号的输入脚。

Q1-Q9(Pin32，4，7，10，1，5，6，9，11)为*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。

CO (Pin12)进位脚，当4017计数10个脉冲之后，CARRY OUT将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。

MR (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”。

E (Pin13)时序允许脚，当此脚为低电位，CLK 输入脉波在正缘时会使
CD4017计数，并改变Q1-Q9的输出状态。

图8-3-3 CD4017逻辑图图8-3-4 4017引脚图
4017的内部结构如图8-4所示。

当复位端CR加上高电平和正脉冲时，输出端Q0为高电平，其余9个输出端Q0~Q9均为低电平。

时钟输出端CP对输入时钟脉冲的上升沿计数，E 则对时钟脉冲的下降沿计数。

Q0~Q9这10个输出端的输出状态分别与输入的时钟个数相对应。

如从0开始计数，则输入到第1个时钟脉冲时，Q1 就变成高电平，输入第2个时钟脉冲时，Q2变成高电平，直到输入第10个时钟脉冲，Q0变为高电平。

同时，进位端C0就输出一个进位脉冲，作为下一级计数的时钟信号。

CR为复位端，也为清零端。

当CR输入高电平时，电路复位，即输出端Q0为高电平，Q1~Q9为低电平。

如此反复，只要555芯片的3脚送来的二进制信号不消失，CD4017 将二进制信号转换为十+进制信号的计码工作就会反复进行下去。