數電課程設計--乒乓球游戲設計

1、<p><b>　　電子線路綜合設計</b></p><p>　　乒乓球比賽模擬及計分器設計</p><p><b>　　2014年 6月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在信息社會高速發(fā)展的今天，數字電路芯片已經實現(xiàn)高度集成

2、化，并逐步滲透到醫(yī)學、計算機等各個領域，對人類的生活有著深遠的影響。本設計采用基本門電路以及74LS系列芯片的搭建，以multisim 12.0軟件為平臺進行仿真，實現(xiàn)了對乒乓球游戲的模擬。主要解決的問題有：</p><p>　　模擬乒乓球的軌跡：用雙向移位4位寄存器74194以及基本門電路實現(xiàn)；</p><p>　　球速的調節(jié)：利用555電路實現(xiàn)；</p><p>

3、;　　球被擊中、犯規(guī)的判斷；</p><p>　　計數器的使用：采用74LS90和74LS161的組合，給玩家計分；</p><p>　　關于比分的顯示：通過CD4511譯碼芯片將計數器的輸出狀態(tài)顯示到2位共陰極數碼管上。</p><p>　　關鍵詞：雙向移位4位寄存器、555電路、譯碼電路、計數器系統(tǒng)</p><p><b>　　

4、目 錄</b></p><p><b>　　1 設計任務1</b></p><p>　　2 電路整體設計2</p><p>　　2.1 譯碼顯示電路設計4</p><p>　　2.2 555定時器組成脈沖發(fā)生器5</p><p>　　2.3模擬乒乓球電路的設計6<

5、/p><p>　　3 電路整體性能的檢測7</p><p>　　3.1 譯碼顯示電路的檢測7</p><p>　　3.2 脈沖發(fā)生器電路的檢測</p><p>　　3.3模擬乒乓球電路的檢測</p><p><b>　　4實驗結論</b></p><p>　　5課程設

6、計心得體會以及建議</p><p>　　6 Abstract</p><p>　　7附錄(包含元器件清單以及各元器件功能表）</p><p><b>　　8參考文獻</b></p><p><b>　　1．設計任務</b></p><p>　　本次我們小組選擇的設計是

7、乒乓球比賽模擬及計分器設計，主要任務是用數字電路模擬乒乓球比賽并能給比賽計分。電路的期望指標如下：</p><p>　　裁判有一個按鈕，是系統(tǒng)初始化，比賽開始。</p><p>　　一方發(fā)球后，球以固定速度向另一方運動（發(fā)光二極管依次點亮）；</p><p>　　當球達到對方最后一個發(fā)光二極管時，對方擊球（按下按鈕），球將向相反方向運動；</p>&l

8、t;p>　　在其他時候擊球視為犯規(guī)，給對方加1分；都犯規(guī)，各自加1分；</p><p>　　甲、乙各有一個2位數碼管計分；一方先到達11分，該局比賽結束。</p><p>　　擴展部分（例如：乒乓球速度可改變，設置大比分等）</p><p>　　針對設計要求，我們通過理論計算還有Multisim仿真等途徑得出兩個方案，慮到電路穩(wěn)定性以及功能的可拓展性等方面，最

9、終選擇了方案一。兩個方案的介紹參見下一頁的“電路整體設計”部分。2 電路整體設計</p><p>　　在本次設計中，我們小組經過查找資料和理論分析及討論，最終得到了兩種電路設計方案。現(xiàn)介紹如下：</p><p>　　方案一：利用雙向四位移位寄存器74LS194，由發(fā)光二極管做光點來模擬乒乓球的軌跡，由雙D觸發(fā)器及邏輯門電路構成，通過此電路來控制并實現(xiàn)相應的燈的左右移動即實現(xiàn)乒乓球的運動。利

10、用555定時器構成多諧振蕩器產生脈沖信號驅動74LS194，乒乓球移動速度可以通過改變多諧振蕩器的振蕩頻率來調節(jié)。將計數器74LS161與8421轉化器相連，將二進制數字轉化為8421碼，通過譯碼驅動電路與晶體管相連，將8421碼顯示在數碼晶體管上。計數電路由74LS90與運動員開關的信號共同控制。計數電路由74LS90和74LS161共同構成11進制的計數器，計數脈沖信號由表示軌跡的發(fā)光二極管與運動員開關的信號共同控制。</p&

11、gt;<p>　　（圖1 方案一原理框圖）</p><p>　　方案二：其思想框圖與方案一相同，不同之處在于電路形式不同，但都能完成既定目標，電路圖如下所示，鑒于篇幅有限，此處不再加以闡述其原理。后面的分析也將重點放在方案一。下面是方案二的整體電路圖：</p><p>　　（圖2 方案二電路原理圖）</p><p>　　2.1譯碼顯示電路設計：<

12、/p><p>　　由兩個2位共陰極顯示數碼管和譯碼CD4511以及計數器74LS161，74LS90組成，外加74LS00芯片。電路圖如下：</p><p>　?。▓D3 譯碼顯示電路左部分）</p><p>　　其中74LS161采用反饋置零法，即計數為10時清零當前示數，并提供一個脈沖信號給74LS90.當兩管顯示為“11”時提供清零信號給乒乓球桌模擬電路，比賽結束

13、，同時下一個脈沖進入74LS161時，顯示電路自動清零，準備下一場比賽的計分。</p><p>　　2.2 555定時器組成脈沖發(fā)生器：</p><p>　　555定時器是一種集模擬、數字于一體的中規(guī)模集成電路，其應用極為廣泛。它不僅用于信號的產生和變換，還常用于控制與檢測電路中。</p><p>　　本設計用555定時器組成多諧振蕩器，產生脈沖信號供給模擬球桌電路

14、和譯碼顯示電路工作。其電路圖如下：</p><p>　　（圖4 555組成多諧振蕩器）</p><p>　　在555定時器3端不斷地交替輸出高電平和低電平，通過理論計算，我們可得高低電平的持續(xù)時間分別為：</p><p><b>　??； </b></p><p><b>　　周期</b><

15、/p><p>　　式子中的n表示分頻倍數，由74LS90的接法決定（例如上面的接法就是n=4時的情形），因此只要調節(jié)的參數值，我們就能實現(xiàn)本次設計的擴展功能，即調節(jié)球速的大小。</p><p>　　2.3 模擬乒乓球電路設計：</p><p>　　該電路利用雙向四位移位寄存器74LS194，由發(fā)光二極管做光點來模擬乒乓球的軌跡。同時雙D觸發(fā)器及邏輯門電路控制球的左右移動

16、和A、B兩個玩家的得分條件（即未接到球、犯規(guī)時，對方得分）。電路圖如下：</p><p>　　（圖5 74LS194等組成乒乓球桌面模擬電路）</p><p>　　電路工作原理：如圖5所示，真正有效的按鈕為A,B,C,V。其中A，B分別為A玩家和B玩家的按鈕，C,V為裁判所持按鈕。CV=00時比賽未開始，10則表示比賽開始并且由A玩家先發(fā)球，同理01表示B發(fā)球。注意11的情況是不存在的。

17、</p><p>　　考慮A先發(fā)球的情況(CV=10)，當球在運動時，此時若有一方擊球則犯規(guī)，另一方得分；當球(未熄滅之前）時，若B未按下?lián)羟蜴I，則A得分。</p><p>　　B先發(fā)球的情況與A相同，此處不做過多討論。</p><p>　　3 電路整體性能的檢測</p><p>　　通過對電路各部分的分析，我們可以得出整個設計的電路圖如下：

18、</p><p>　　(圖6 方案一設計電路圖）</p><p>　　3.1 譯碼顯示電路的檢測</p><p>　　經過檢測，譯碼顯示電路能按要求工作，檢測圖如下：</p><p>　　（圖7 譯碼顯示檢測）</p><p>　　需要注意的是，由于使用的是共陰極數碼顯示管，因此在焊接的時候千萬不要把陽極和陰極弄反

19、；數碼管接地一端要加一個限流電阻(之間），以免通過數碼管的電流過大而毀壞數碼管。</p><p>　　3.2 脈沖發(fā)生器的檢測</p><p>　　本次設計采用555定時器組成多諧振蕩器，再經74LS90進行四分頻，通過精密秒表檢測</p><p>　　3.3 模擬乒乓球電路的檢測</p><p>　　經過檢測，模擬乒乓球電路能按照設計要求工

20、作，檢測圖如下：</p><p><b>　　4 實驗結論</b></p><p>　　通過上述對乒乓球游戲模擬電路原理的闡述以及各部分電路的檢測，我們自主設計的方案是可行的，符合設計要求。</p><p>　　5 課程設計心得體會以及建議 </p><p>　　通過此次課程設計，我們了解了模擬電路基本設計方法,對Mul

21、tisim仿真軟件有了更深的了解和認識，使用仿真軟件，可以讓我們在虛擬的環(huán)境中進行實驗，不需要真實電路環(huán)境的介入，不必顧及儀器設備的短缺與時間環(huán)境的限制，能夠極大地提高設計的進程。 </p><p>　　這次數電課程設計,雖然只有兩周時間，但是讓我得到多方面的提高：</p><p>　　1、提高了我們的邏輯思維能力，使我們在邏輯電路的分析與設計上有了很大的進步。加深了我們對組合邏輯電路與

22、時序邏輯電路的認識，進一步增進了對一些常見邏輯器件的了解。另外，我們還更加充分的認識到數字電路這門課程在科學發(fā)展中的至關重要性。</p><p>　　2、培養(yǎng)獨立思考的能力非常重要。我們在設計電路時，遇到很多不理解的東西，有的我們通過查閱參考書弄明白，有的通過網絡查到，但由于時間和資料有限我們更多地還是獨立思考解決問題。</p><p>　　3、相互討論、共同研究也是很重要的。比如電路設計

23、中的控制器的設計、乒乓球游戲機怎樣計分等，我們都綜合了每個人的意見，做出了最佳的方案。我還懂得了理論與實際相結合是很重要的，理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。第一次做綜合設計，難免會遇到過各種各樣的問題，同時我們在設計的過程中也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，例如對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。</p><p>　　對

24、于這次的課程設計，我有幾個建議想和大家分享一下：</p><p>　　1、關于焊電路遇到的問題：如果焊出的電路在調試時出現(xiàn)問題，首先要檢查線路問題，如果線路沒問題，則需要檢查芯片是否有問題。若線路和芯片都沒問題，就要考慮設計可行性的問題了。</p><p>　　2、電路布局問題：我建議在焊電路之前要先利用DXP軟件對電路進行排版畫線，畢竟一塊PCB板的空間是有限的，因此元器件的分布以及走線

25、都要在焊電路之前搞清楚，才能游刃有余。</p><p>　　3、參與很重要：本次小組設計中，成員的積極性是很重要的。設計的完成離不開每位成員的貢獻。因此，我建議大家能通過這次的設計一種培養(yǎng)團隊合作意識，你的每一步都有可能是團隊成功的關鍵。要記住你不只是一個人在工作！</p><p>　　6 Abstract</p><p>　　Table tennis simula

26、tion game design and scoring</p><p>　　Today，with the rapid development of the information society , digital circuit chip has a high degree of integration, and gradually penetrated into all areas of medicine,

27、 computers , etc. 。It has a profound impact on human life. In this paper, the basic structures of the chip and the gates to Multisim 12.0 simulation platform had successfully realized the tennis tournament scoring device

28、 simulation and design.</p><p>　　Key words：two-way four shift registers 555 circuit </p><p>　　decoding circuit counter system</p><p>　　7 附錄（包含元器件清單以及各元器件功能表）</p><p

29、>　　7.1 元器件清單：</p><p>　?。▓D9 元器件清單）</p><p>　　實驗箱內已提供：萬能板1塊；導線；纖維海綿；2位5V電源連接線，電烙鐵2把，烙鐵架1個；焊錫1卷；松香1盒；吸錫器1個；十字批1把，小一字批1把；鑷子1把；起拔器1把；剪線鉗1把；尖嘴鉗1把；（少了161芯片，16腳，共2個）</p><p>　　7.2 各元器件功能表&

30、lt;/p><p>　　7.2.1 74LS164</p><p><b>　　引腳圖：</b></p><p>　?。▓D10 74LS164管腳圖）</p><p><b>　　（2）功能表：</b></p><p>　?。▓D11 74LS161功能表）</p>

31、;<p>　　7.2.2 CD4511</p><p><b>　　引腳圖：</b></p><p>　?。▓D12 CD4511引腳圖）</p><p><b>　　功能表：</b></p><p>　　（圖13 CD4511功能表）</p><p>　　CD

32、4511是一個用于驅動共陰極 LED （數碼管）顯示器的 BCD 碼—七段碼譯碼器，特點如下：</p><p>　　具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域寗覮ED顯示器。其中：</p><p>　　BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數字。LT：3腳是測試輸入端，

33、當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數值。A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。</p><p>　　CD4511的內部有上拉電阻，

34、在輸入端與數碼管筆段端接上限流電阻就可工作。</p><p>　　7.2.3 74LS90</p><p><b>　　引腳圖：</b></p><p>　　（圖14 74LS90引腳圖）</p><p><b>　　功能表：</b></p><p>　?。▓D15 74

35、LS90功能表）</p><p>　　7.2.4 74194</p><p><b>　　引腳圖：</b></p><p>　?。▓D16 74194引腳圖）</p><p>　　74194是一個雙向移位寄存器，并且可以并行輸入，其引腳圖如圖16所示。其中A-D為并行輸入端，CLOCK為時鐘輸入端，CLEAR為異步清零端

36、；SHIFT RIGHT SERIAL INPUT為串行右移輸入端，同理SHIFT LEFT SERIAL INPUT為串行左移輸入端；S0和S1為工作模式控制端，通過設置S0和S1，可以使其工作在保持狀態(tài)（SO=S1=0）、串行左移狀態(tài)（S0=0，S1=1）、串行右移狀態(tài)（S0=1，S1=0）或并行輸入輸出狀態(tài)（S0=S1=1)。其功能表如圖17所示。</p><p><b>　　功能表：</b

37、></p><p>　?。▓D17 74164功能圖）</p><p>　　7.2.5 74LS161</p><p><b>　　引腳圖：</b></p><p>　?。▓D18 74LS161引腳圖）</p><p><b>　　功能表：</b></p>