基础课程设计电骰子设计与制作

电子课程设计报告设计课题：电骰子设计与制作
设计时间： 2011年10月10日—12月26日
目录
一、结构设计方案选择 (3)
方案一：电骰子设计与制作 (3)
方案二：8路抢答器设计与制作 (5)
方案比较与选择 (6)
目录 (2)
方案一：
电骰子的设计与制作
一、设计任务与要求
骰子是有六个面的正面体，分别刻有1~6的数字。

现在，我们撇开骰子的形状和和使用方法来抽象的评价它的功能，那么骰子就是一种从1~6中随机的选择1个数字的选择装置。

即我们现在设计的电骰子。

简单的说，就是当按下开关时，它能够从1~6中随机选择一个数字。

二、设计框图及说明
图1-1 电骰子设计框图
左图是一例根据功能画出框图的考虑方法。

这是进行电路设计时很重要的一个步骤，右图是基于基本功能所画出的框图。

摁下开关相当于摇动骰子的动作。

不过在这里是作为计数器的时钟控制电路在起作用。

就是说，只有在时钟控制电路的输出为“H"时计数器的输出才发生变化。

计数器的计数动作（计算数字）
是由是否输入了时钟决定的。

就是说，给计数器输入时钟的时间就相当于骰子摇动的时间。

计数器采用六进制计数器。

骰子的点数有6种，所以只要有6种输出状态就可以了。

必须根据计数器的6种输出状态，点亮表示骰子点数形状的LED.在这里必须进行译码器的设计。

三、总体设计电路图
下图是根据以上考虑用protues进行仿真的电路图
图1-2 电骰子原理图
方案二：
8路抢答器设计方案
一、设计任务与要求
1. 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。

2. 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。

3. 抢答器具有锁存与显示功能。

即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED 数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。

选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

二、总体框图及说明
图1-3 总体方框图
工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到“清零”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”，抢答器工作，扬声器给出声响提示（或者提示灯给出显示）。

选手进行抢答时，抢答器将完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器（显示灯）提示等操作。

当一轮抢答之后，禁止二次抢答。

如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。

三、设计电路图及说明
图中的U2A,U2B和U4A共同组成一个8输入的与非门，当有选手按按钮时，通过它产生一个高电平信号，此高电平信号与由第四个触发器的Q'端初始的高电平信号通过与门U10来触发触发器，又通过Q'端的低电平信号来锁住信号。

优先编码器用来对输入的信号编码为三位的二进制数，因此输出信号最多显示到111代表十进制的7，而000是我们不需要的，所以我们通过一个3输入的或非门加到数码显示管的第四个管脚，当信号为000时第四个管脚为高电平，这样显示8这个数。

后面在给发光二极管加个脉冲信号来使他闪动起来。

图1-4 8路抢答器原理图
方案比较与选择
从原理及结构方面来说，这两种方案使用的都是基本的数字电路芯片，其具有成本低原理简单的特点。

并且两个方案都便于分模块，方便单独测试各模块。

但是从应用的角度来看，骰子作为娱乐游戏的一种道具，在生活中的使用比抢答器更普遍，而且电骰子很难在现实生活中见到，比较有创新性。

从学习的角度来看，方案二是在大二做过的数字电路实验的基础上扩展修改而成的，而方案一之前没有做过，更需要我们对方案设计的可行性和可操作性进行考虑和对内容进行必要的修改，这都利于我们接触和学习新的知识。

因为方案一符合课程设计的要求，做到理论知识与实践的结合，相对方案二更加能培养我们实践的动手能力、创新能力和进行综合设计的能力，所以我们选择采用第一种方案（电骰子的设计与制作）来作为本次课程设计的题目。

二、摘要
骰子是娱乐游戏的一种道具，可以用它来随机地选取1~6的数。

本电路设计一个电骰子电路，该电路由电骰子的电路结构决定。

电路由555多谐振荡电路、计数器电路、译码器电路、LED驱动电路、时钟控制电路五部分电路构成，其中计数器是整个电路的核心部分，而译码器在电路中没有采用原有的译码器，而用门电路来实现，是为了让电路更简单。

关键词555振荡器；计数器；译码器 LED
三、设计思路与要求
1、骰子的作用与功能
骰子是有6个面的正六面体。

6个面上分别刻有1到6的数。

使用骰子时通常是把骰子摇动掷落，以上面的数作为选取的数字。

就是说在掷一次骰子后，就可以从l到6中选取一个数。

没有1与2之间的小数，例如1.5这样的数。

只有l、2、3、4、5、6这6个数。

这6个数中，每掷一次，其中某个数出现的几率是1/6，所谓1/6的几率就是说这6个数的出现并不是按照某种顺字，而是随机的。

如果撇开骰子形状和使用方法的约束来抽象地评价它的功能，那么骰子就是一种“从l到6的数字中，每次随机地选择1个数字的选择装置”。

如果简单地表达它的功能，那就是当按开关时，它能够从1到6的数字中选择1个数字。

重要的是每次按下开关时并不知道将会选择哪个数字。

2、由骰子的功能决定设计的要求
作为电骰子在理解它的功能之后，就可以确定它的规格，即采用什么结构的电路。

确定它的规格时最重要的是确定输入和输出部份。

即来自外界的信号怎样输入以及怎样表示电路的动作。

来自外界的信号，也就是摇动骰子对应的信号以利用按钮开关。

骰子的点数是从1到6的个位数。

如果想原封不动地表现这6个数的话，可以采用7段的LED。

也可以利用LED灯光表示器表现骰'子的点。

用6个LED分别作为l到6的数字，只需要1个LED发光，联系到实际的应用，我们考虑采用形状更像骰子的电骰子。

图3-1表示骰子点数的形状。

如果能够用LED来表示这种点数的形状，看起来就很接近真实的骰子了。

图3-1 骰子的点数
把7个LED排列成骰子点数的形状，就可以利用LED的发光表示数字。

图3-2是用LED的发光表示点数的例子。

使发光部分LED的配置接近本来骰子的点数形状，让哪些LED发光则由电子电路来决定。

图3-2 电骰子的LED发光例
四、单元电路设计、参数计算及元器件选择
总的设计原理图如下所示：
图4-1是一例根据功能画出框图的考虑方法。

这是进行电路设计时很重要的一个步骤，图4-2是基于基本功能所画出的框图。

摁下开关相当于摇动骰子的动作。

不过在这里是作为计数器的时钟控制电路在起作用。

就是说，只有在时钟控制电路的输出为“H"时计数器的输出才发生变化。

计数器的计数动作（计算数字）是由是否输入了时钟决定的。

就是说，给计数器输入时钟的时间就相当于骰子摇动的时间。

计数器采用六进制计数器。

骰子的点数有6种，所以只要有6种输出状态就可以了。

必须根据计数器的6种输出状态，点亮表示骰子点数形状的LED.在这里必须进行译码器的设计。

图4-1 从基本功能到框图
图4-2 电骰子的框图
4.1、时钟控制电路部分
时钟是进入计数器还是停止是利用RC时常数电路进行控制的。

当按钮开关接通时，10μF电容器上的电荷变为0。

然后电流通过与+5V连接的l00kΩ电阻流过开关。

这样一来反相器的输入成为“L”电平，于是输出变为“H”。

所以当控制时钟的NAND门开启时，来自振荡器的时钟就供给计数器。

如果开关断开，来自+5V的电流通过l00kΩ的电阻流向10μF的电容器，使电位逐渐上升。

如果电容器上的电位越过反相器的阈值电平，输出就变为“L”，控制时钟的NAND门就关闭，于是时钟停止向计数器输入。

C 4.7u F
+5
R 9100K
12
13
图4-3 时钟控制电路用的RC 时常数电路
4.2、由555定时器构成的振荡电路部分：
如图4-4，由555定时器和外接元件R1，R2，C 构成多谐振荡器，脚2与脚6 直接相连。

电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1,R2向C 充电以及C 通过R2向放电端Ct 放电，使电路产生振荡。

电容C 在1/3Vcc 和2/3Vcc 之间充电和放电，其波形如图4-4所示。

输出信号的时间参数是
T=Tw1+Tw2 Twl =0.7(R 1+R 2)C, Tw2=0.7R 2C
555电路要求R 1与R 2均应大于或等于1K Ω，但R 1+R 2应小于或等于3.3M Ω 外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。

因此这种形式的多谐振荡器应用很广。

本次试验中C 为10μF ，R 1为固定阻值10K Ω，R 2为电位器阻值范围为0~10K Ω,但考虑到555电路要求R1与R2均应大于或等于1K Ω，故R2在这里的调节范围为
1~10K
Ω，因此555能提供的周期为 T=Tw1+Tw2 =0.7(R 1+R 2)C+0.7R 2C
R2=1K Ω时 T=0.084S R2=10K Ω时 T=0.21S
因此555提供的信号周期为0.084S 到0.210S 之间，即频率大概为5~12HZ 。

图4-4 555构成的多谐振荡器
4.3、六进制计数器部分
用D触发器制作6进制计数器时，是把触发器并列对它的输出解码，当输出为6时对整个计数器复位。

图4-5是电骰子用计数器的电路设计图。

图4-5 电骰子用计数器的电路设计图
三个D触发器构成的6进制计数器，可以得到由000~111的八种状态，但对电骰子电路来说，只需使用其中的六种。

因为计数器的二进制输出是一个一个出现的，只要确定了与输入相对应的输出的逻辑就可以了，并不需要与二进制一致，为了使电路设计简单，可得出计数器电路产生的真值表，如表4-1所示。

表4-1 计数器电路产生的真值表
由真值表可知011和111这两种组合状态在电路中没用到，因此可以把它作为禁止状态。

计数器在CP脉冲上升沿有效时，从000状态计数到101；当计数器处于101状态时，若再来计数脉冲，同时为1，经过与非门输出低电平加到Rs触发器输入端；此时Rs触发器输出半个时钟时间的复位信号加到触发器CD 端，计数器迅速复位到000状态，此时触发器输出为0，计数器复位。

计数器又可以从000状态重新计数，即开始新的一轮循环。

4.4、译码器的设计部分
1、译码器电路功能框图
图4-6是译码器部分框图，输入是来自计数器的输出Q x、Q y、Q z信号，
所以译码电路输入的是000、100、010等6种状态，输出是在a，b，c，d，e，f，g六个端子输出相应信号。

与此相对应的a，b，c，d，e，f，g输出是服从于图4.6的电骰子用译码器的真值表的数字输出。

在本设计中使用的LED驱动是用“1”使LED发光。

图4-6 译码器的部分框图
2、电骰子上LED排列
用7个LED表现骰子的点数
骰子只处理从l到6的数字。

但是根据LED的配置和骰子点数的形状必须有7个LED。

通过其中某几个LED发光，表现骰子的点数。

将LED排列成骰子点数的形状，图4-7为电骰子的LED发光组合图。

图4-7 电骰子的LED发光组合
7个LED的位置分别用a～g字母表示。

7个LED发光的所有组合形式算起
来是非常多的。

这里仅把其中发光组合相同的LED进行分组，图4-8是分组的情况。

从这个结果看出可以分成四个组。

图4.8(b)表意味着表示骰子的3、4、5、6点数时a和g这两个LED必须发光。

图4-8（a）以LED为主体必须发光的数字图4-8（b）a与g、b与f、c与e的分别组合
在经过计数器的输出作用下利用译码器，产生使LED发光的信号。

LED这样发出的光点与骰子点数形状是一致的。

3、译码器电路设计
表4-2是电骰子用译码器的真值表。

这个真值表中7个排列的LED分别用a～g这7个字母表示，它们与各计数器的输出（Q x、Q y、Q z）相对应，确定该哪
个LED发光。

表4-2 电骰子用译码器的真值表
注：“1”发光、“0”熄灭
由于计数器使用的触发器输出有两个端子Q和Q___，可以有效地利用反转信号(Q____x、Q____y、Q____z），从计数器的输出与骰子的点数相对应的角度可以看到，当（Q x =0，Q y=0，Q z =0）时表示数字1，当（Q x=1，Q y=0，Q z =0）时表示数字2，等等。

所以，计数器的二进制输出是一个一个出现的。

没有什么特别的问题，
作为译码器，只要确定了与输入相对应的输出的逻辑就可以了，并不需要与二进制一致。

用表4-2的真值表为基础设计译码器逻辑电路。

在表4-2的真值表中可以看出a与g，b与f，c与e各自有相同的逻辑。

所以，从a～g不需要做出7种电路，只用4种电路就可以了。

实际的逻辑IC中经常使用NAND或者NOR。

这里所用的译码器电路都是由1个NAND门（74LS00）构成的，见图4-9用IC组合的简单电骰子译码器电路。

图4-9 IC组合的简单电骰子译码器
4.5 LED的驱动部分
LED的发光使用驱动74LS04驱动。

当加逻辑“H”电平时，它的输出晶体管导通（“L”电平）。

+5V通过LED和电阻接到驱动上。

由于使用了470Ω的限流电阻，所以流过LED的电流约为6mA。

图4-10 LED的驱动
五、总原理图及元器件清单
5.1、总原理图
5.2、元件清单
5.3实验仪器、工具
六、安装与调试
6.1、时钟控制电路部分
图6-1 时钟控制电路部6.2、由555定时器构成振荡电路部分：
6.3、六进制计数器部分
图6-3 六进制计数器6.4、译码器的设计部分
图6-4 译码器部分
6.5、LED的驱动部分
图6-5 发光二极管部分6.6 总体电路图
图6-6 总体电路图
七、性能测试与分析
1、时钟控制电路部分
因为电路部分相当简单，所用元件很少，所以在实验箱上很容易就搭建了电路，通过示波器显示的图像，跟原理中说明的图像一致。

2、振荡电路部分
起初采用RC振荡电路。

可是由于这种电路产生的信号不稳定，所以最后更改为555振荡电路。

它产生的信号较稳定，而且可通过外部电阻的阻值来更改振荡频率。

而在实际搭建中，又将电阻更换为电位器，这样可以产生一个可变频率，而不是固定频率，从而调节LED闪烁的频率。

这部分电路也相对比较简单，而且555振荡电路我们也曾经实际操作过，所以成功的搭建了电路，通过示波器显示的图像，跟原理中说明的图像一致。

3、六进制计数器部分
虽然电路图比较简单，主要连线集中在两个芯片上，所以在搭建电路时，很容易连错。

因此，在搭建此电路时，我们采用电路实验箱上提供的脉冲源作为输入信号，将三个D触发器的输出与发光二极管相连，观察它们是否如原理中的真值表那样的顺序点亮。

如不是，则检查电路，直至解决问题。

这样就为最终电路的搭建成功提供了保证。

4、译码器的设计部分
主要是对我们所学数字电路的一个回顾。

通过计数器的输出与发光二极管的关系，求出相应的逻辑函数关系式。

然后通过关系式，画出相应的电路图，再根据电路图搭建电路，从而完成译码器部分。

5、LED的驱动部分
主要是七个非门，在所找的资料中，它提供的驱动芯片为TD62004P，在实验室中没有这种芯片，于是我们查找了芯片手册发现，在驱动LED时，74LS04芯片也可以达到这种功能，于是，就用74LS04代替。

在实际操作中，也完成了相应的现象。

八、实验结论及电路扩展
总的来说，在设计方面，我们在确定方案后，在实验之前先用protues仿真，在protues仿真调试通过后再进行接下来的工作，在安装调试过程中，采用分模块搭建电路，大大简化了电路的复杂度，同时也避免了出现问题找不到头绪。

当完成各个模块的电路之后，并进行相应的测试时，与原理一致时，再进行模块间的连接。

这种软硬件结合和分模块的测试的方法很大程度上保证了实验的成功。

正因为如此，在实际的调试过程中我们做出来的实验现象跟预期的实验结果很吻合，比较顺利的完成了这次的课程设计。

百度文库- 让每个人平等地提升自我
电路的扩展及改进方案（理论）：
1、把发光二极管换成液晶显示，使骰子的形状更加逼真。

2、另接电路，使骰子在断开开关至停止运行的时间间隔发出真实骰子在翻转时的那种声音。

3、对于时钟控制电路部分可以将电阻换成电位器使其能够依照不同要求进行调整使骰子在断开开关至停止运行的时间间隔。

九、参考文献
[1] 汤山俊夫主编.彭军译. 数字电路的设计与制作. 北京：科学出版社, 2003
[2] 张熙主编. 数字电路实验. 德阳：中国民用航空飞行学院,2006
[3] 阎石主编. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社,2003
十、心得与体会
21。