电工电子综合课程设计

摘要

此课程设计说明书主要阐述了电骰子的设计原理和方法。利用信号发生器产生脉冲信号通过和接地的开关求非后在与非门运算，实现按下开关时运算结果为低电平，计数芯片停止工作，开关弹起时运算结果为高电平，芯片计数的原理。

利用74LS161四位二进制同步加法计数器实现点数依次相加循环的功能，由于每次按下开关的时间间隔是随机的，而1-6六位数依次相加的间隔却是固定的，由此实现电骰子点数随机出现的功能。最终通过译码器74LS48控制七段数码管实现随机数的显示。

关键词：电骰子 与非 随机数 数码管显示

电骰子的设计与制作

1. 设计思路和电路框图

1.1 思路原理框图

普通骰子通常是由1-6六面组成正方体，因此，骰子出现1、2、3、4、5、6六个数字的可能性是相等的，均为1/6。所以，在电骰子的制作上，首先显示出的数字范围要在1-6之间，并且保证每个数字均能出现，且出现的概率均相等，因此可以使用计数器循环计数来实现。

其次，由于计数器在时钟脉冲的作用下，出现每个数字的时间间隔是固定相等的，要做到数字的随机显示，就必须让开关控制计数器的工作与否，一方面可以利用计数器控制使能端计数或保持的状态，一方面可以让开关控制脉冲信号的输入。

但由于开关按下时，电骰子的点数是应当不停滚动的，所以开关不能直接控制脉冲信号，于是可以利用一个与非门来实现这一点。开关弹起时，与非门输出低电平，计数器停止计数保持上一个数字；开关弹起时，与非门输出高电平，计数器正常工作计数。

利用74LS48N译码器和七段数码管实现骰子点数的显示。

1.2 设计思路分析

2设计方案分析

2.1方案一 2.1.1电路原理框图

2.1.2脉冲信号发生电路

采用555定时器组成的多谐振荡器作为时钟脉冲产生电路。 其中：振荡频率的计算公式为：f=1 /(tpL+tpH)=1/[(2R1+R2)Cln2] 输出时钟脉冲为：

当输出为高电平时，根据RC电路过渡过程的分析可知，此时VI 由VT-升到VT+，其所需要的时间为T1= RCln(VDD-VT-)/(VDD-VT+)

当输出为低电平时，此时VI 由VT+降到VT-。其所需要的时间为T2=RC ln(VT+/VT-) 则整个振荡周期为

T=T1+T2=RCln[(VDD-VT-)/(VDD-VT+)+ln(VT+/VT-)]=4.2RC 取 R1=10K欧姆，R2=330欧姆，C1=1.0微法，C2=1.0微法 电路接线及波形仿真如图1所示：

图1 脉冲信号发生电路

在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图所示。 其振荡频率为，其频率的计算公式为：

f=1 /(tpL+tpH)=1/[(2R1+R2)Cln2]

所以根据图中参数 f大约为100HZ,因为电路有干扰存在所以仿真结果与实际计算有出入。

图2 多谐振荡器

图3 波形仿真

2.1.3六进制计数器

采用74LS161四位二进制计数器循环计数，先置数（0001），逐个相加。当出现6（0110）时与非门输出低电平触发清零端使数据回到（0001），从而实现数据的循环累加计数。

该芯片的脉冲输入口接开关控制电路里与非门的输出。 电路接线如图4所示。

图4 74LS161接线图

2.1.4译码器及显示电路

译码器采用4线——7线译码器74LS48驱动七段数码管发光。 其中，R3=R4=R5=R6=R7=R8=R9=400欧姆。

电路接线图如图5所示。

图5 译码及显示电路原理图

2.1.5 开关控制及消抖电路

利用RC振荡电路实现时钟信号的控制。

其中，R10=10K欧姆,C3=47微法。电路接线图6如下。

图6 开关控制电路

开关弹起时，反相器输入高电平，输出低电平，非门输出恒为高电平，时钟不能通过与非门，计数器数字停止累加而保持。

开关按下闭合时，电容放电，电流通过与电源连接的电阻流过开关，不会通过电容。反相器输入变为低电平，输出变为高电平，此时时钟信号通过与非门，控制计数器进行正常计数。

由于电容充电需要一定的时间，所以开关断开的一瞬间，计数器并没有停止计数，而是在通过RC时常数电路延时一段时间。

而恰好由于这一段时间的延时，

若延时时间可以大于脉冲的一个周期，开关断开后，计数器还会保持计数。因此加入了RC振荡电路一定程度上实现了电路的消抖功能。

2.1.6 完整电路图

整体电路及连接如图所示，具体可参照附件大图7。

图7 完整电路接线图

2.2 方案二 2.2.1 电路原理框图

2.2.2 脉冲信号发生电路

采用施密特反相器作为产生时钟的振荡电路。 其中，R11=R12=100k欧姆 C1=10纳法。 电路接线如图8所示：

图8 时钟产生电路

当输出为高电平时， VI 由VT-升到VT+，其所需要的时间 T1= RCln(VDD-VT-)/(VDD-VT+)

当输出为低电平时， VI 由VT+降到VT-。其所需要的时间 T2=RC ln(VT+/VT-) 全振荡周期

T=T1+T2=RCln[(VDD-VT-)/(VDD-VT+)+ln(VT+/VT-)]=4.2RC 计算得T=4.2ms

图9 波形仿真

2.2.3六进制计数器

思路方法同方案一，采用74LS161四位二进制计数器循环计数，先置数（0001），逐个相加。当出现6（0110）时与非门输出低电平触发清零端使数据回到（0001），从而实现数据的循环累加计数。

不同的是，161芯片的是使能端ENP直接与按键开关相连。芯片的2脚CLK和脉冲信号发生电路直接相连，故无论按键是否按下，芯片均已触发。

图10 六进制计数器电路

2.2.4译码器及显示电路

译码器采用4线——7线译码器74LS48驱动七段数码管发光。 电路设计与接线和方案一相同。图略。

2.1.5 开关控制电路

由于74LS161芯片使能端具有以下性质：

ENP=ENT=1时，计数器计数，即相当于投出骰子，点数随机滚动； ENP=0，ENT=1时，计数器为保持状态，即相当于骰子落地，点数确定。 按键开关一端接地，另一端直接与六进制计数器74LS161的ENP时能端相连，开关弹起时， ENP=ENT=高电平，计数器正常计数，点数循环递增。开关按下时，ENP变为低电平，此时计数器保持状态，数码管显示数值，相当于读出点数

电路接线如图所示：

图11开关控制电路

2.1.6 完整电路图

整体电路及连接如图所示，具体可参照附件大图12。

图12 完整电路图

2.3方案比较与选择

在方案一与方案二的比较中，不同之处在信号发生电路和开关控制电路的设计方案。

时钟部分功能两者相差不大，均可实现所要求的功能。

但在示波器波形仿真

时，方案一的占空比跟接近50%更加标准，虽然RC振荡电路容易通过改变电阻或电容的大小调整振荡频率，但石英振荡电路产生时钟的振荡电路在稳定性上优于RC振荡电路，并且方案一在信号发生电路上的集成度更高，清晰简单，焊接也更加容易。因此信号发生器宜选用方案一。

开关控制部分，仿真时，方案二的电路也没有出现明显的抖动现象。但在开始仿真时，必须保证方案二的开关按下，使能端接地才能正常运行，否则会出现报错。而方案一在仿真时，开关按下前以数字1为初始值，仿真完全正常且符合要求。方案一的RC电路也能在实物连接时更好地保证稳定性。因此开关控制部分同样选择方案一更好。

译码及显示部分两者相同。

所以综上所述，方案一在可行性，稳定性，效率和焊接难易程度上均优于方案二，故方案一为更优的方案，在实物焊接时选择方案一。

3 硬件设计和调试

在面包板上搭建实物电路时，由于没有161芯片，且考虑电路简单的原则，我们组选择的吴冇同学的电路图，具体电路图13如下：

图13 实物搭建的电路图

其中，555信号发生器设置的频率为100Hz，周期为10ms，对于随机数的计数选择的这个周期频率相对适中。施密特3脚输出的脉冲信号控制192计数器的置数端，192计数器置数0001，即点数一，在1-6留个随机数间逐个累加，利用三输入与非门74ls10，当输出为1110，即数字七时立刻重新置数变为1，从而实现1-6六位数的循环加法计数。

其中，555组成的施密特触发器波形用示波器检测如图14：

图14 cp信号波形图

由于实际情况存在一些干扰，所以产生的波形不是标准的方波，但在误差允许范围内接近方波，满足设计要求。可以从图中看书，发生信号周期为9.9ms，约等于理论值10ms，频率为100Hz，与理论值相等，故可以判定，实物搭建的施密特发生器产生的cp信号完全符合设计要求。

除了开关有些接触不良的问题之外，其余情况均良好可行。 面包板实物最终效果如图所示：

图15 面包板实物搭建

结束语

从最开始抽到这个题目开始思考设计的思路和理论知识，首先脉冲信号发生器是肯定的，一方面可以用RC振荡产生，另一方面也可以用555组成的信号发生器产生。再到七段LED的显示，通过平时数电实验的经验积累，需要七段数码管和对应的译码器即可实现，通过查找资料，最终确定了译码器使用8421的74LS48芯片。

然后设计的核心就是如何做到数字的随机和开关的控制。显然凭借我们现在的专业知识，很难做到数字的随机出现，那么可以换一个角度思考，利用加法计数器可以实现数字的循环累加，而在脉冲信号的作用下，每个数字出现的间隔是相等的，而人为控制的开关每次闭合或断开的时间间隔不可能做到完全相等，因此我们便可以利用开关来控制数字的选择。将循环累加的数字停留保持在某一数值并显示有多种方法，一方面我们可以控制脉冲信号的输入与否来控制加法计数器的触发与否，另一方面我们也可以控制使能端的电平来控制计数器的计数或保持状态。

在加法计数器上，通过查阅数电课本，最终选用了74LS161四位二进制同步加法计数器来实现，由于骰子没有0的点数，所以需要设定初始值为1，故置数端输入0001。而实现1-6数字的循环则是在计数器输出端输出“6”，也就是0110时通过一个与非门反馈到计数清零端使之回到初始设定值即可。

这样整个电骰子电路就基本上成型了，接下来进入仿真。我用的软件是protues，由于没有汉化，从最开始接触到完成费了一番功夫，但最终仿真都实现了要求的功能。

硬件的制作上，我们通过分工与合作明确了每个人的分工，高效地完成了电路的搭建。但由于线路太多导致有些混乱，调试时花费了一番心血才得以成功。

通过这次电子电工技术课程设计的课程，大大加深了我们对电子技术的认识和了解，将书本上的理论知识和实际相结合，培养了我们动手实践和查阅资料的能力，学会了团队分工和配合，可以用所学的知识解决生活中遇到的实际问题，制作一些简单的小制作。

总之，这次课程设计给了我很大的收获，为我今后的学习生活积累了宝贵的

经验。

对于这次课设课题我认为可以进行一定的改进和深化，例如可以将七段数码管换为“H”形排列的发光二级管阵列，与真实的骰子图形相同，更生动形象真实。也可以考虑加入多个骰子，在掷骰子前先选择掷出骰子的数量等，从而使之的运用范围更广。如图所示：

图16 改进方案实物图

参考文献

[1] 吴友宇.数字电子技术基础—5版. 清华大学出版社，2009 [2] 吴友宇.模拟电子技术基础—5版. 清华大学出版社，2009

[3] Charles K.Alexander and Matthew N.O.Sadiku Fundamentals 0f Electric Circuits 清华大学出版社 2000.12

[4] 康华光.电子技术基础 模拟部分—5版. 北京：高等教育出版社，2006.1 [5] 康华光.电子技术基础 数字部分—5版. 北京：高等教育出版社，2006.1

武汉理工大学《电工电子综合课程设计》说明书

附录 1:方案一电路图

武汉理工大学《电工电子综合课程设计》说明书

附录 2:方案二电路图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/91qi.html