1、 乒乓球比赛游戏机第 0 页 共 12 页1 绪论1.1 选题背景1.1.1 课题目的及意义本次课程设计的内容是独立完成一个乒乓球比赛游戏机的设计，采用 EWB电路仿真设计软件完成乒乓球比赛游戏机电路的设计及仿真调试，在微机上仿真实现乒乓球比赛游戏机的设计。通过这次课程设计让我们了解和熟悉了乒乓球游戏机的原理和 Multisim仿真设计软件的操作，也让我们加深了解了对双向移位寄存器、双 D触发器及、加法器及逻辑门电路的一些实际用途，并将理论与实践相结合。1.1.2 课题的内容和要求独立完成一个乒乓球比赛游戏机的设计，采用 EWB电路仿真设计软件完成乒乓球比赛游戏机电路的设计及仿真调试，在微机上
2、仿真实现乒乓球比赛游戏机的设计。课程设计具体内容如下：乒乓球比赛是由甲乙双方参赛，加上裁判的三人游戏（也可以不用裁判） ，乒乓球比赛模拟机是用发光二极管（LED）模拟乒乓球运动轨迹的电子游戏机。时钟电路甲方记分显示乙方记分显示发球次数显示音 响 电 路甲方乙方裁判发 光 二 极 管 排 组控制电路双 向 移 位 寄 存 器乒乓球比赛模拟机框图乒乓球比赛游戏机第 1 页 共 12 页设计要求：1、基本部分(1) 至少用 8个 LED排成直线，以中点为界，两边各代表参赛双方的位置，其中一个点亮的 LED（乒乓球）依次从左到右，或从由到左移动， “球”的移动速度能由时钟电路调节。(2) 当球（被点亮
3、的那只 LED）移动到某方的最后一位时，参赛者应该果断按下自己的按扭使“球”转向，即表示启动球拍击中，若行动迟缓或超前，表示未击中或违规，则对方得一分。(3) 设计自动记分电路，甲乙双方各用一位数码管显示得分，每记满 9分为一局。2、发挥部分(选做)(1) 甲乙双方各设一个发光二极管表示拥有发球权，每得 5分自动交换发球权，拥有发球权的一方发球才能有效。(2) 发球次数能由一位数码管显示。(3) 一方得分，电路自动响铃 3秒，此期间发球无效，等铃声停止后方可比赛。课题任务要求1、画出总体设计框图，以说明乒乓球比赛游戏机由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系，时钟信号传输路径、方
4、向和频率变化。并以文字对原理作辅助说明。2、设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。3、选择合适的元器件，在 EWB上连接验证、仿真、调试各个功能模块的电路。在连接验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的仿真、调试和故障排除。4、在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和连接，进行合理布局，进行整个数字钟电路的连接验证、仿真、调试。5、自行接线验证、仿真、调试，并能检查和发现问题，根据原理、现象和仿真结果分析问题所在，加以解决。学生要解决的问题包括元器件选择、连接和整乒乓球比赛游戏机第 2 页 共 12 页体设计引起的问题。1.2 方案
5、选择根据设计任务，对照图乒乓球比赛模拟及 1.1，可以分为三个模块进行设计：1. 球台电路：球迹移动电路可采用双向移位寄存器方法实现，由发光二极管作光点模拟乒乓球移动的轨迹。2. 驱动控制电路：由双 D触发器及逻辑门电路构成，通过此电路来控制并且实现球台灯的左右移位即实现乒乓球的运动。3. 计分电路：使用十进制的计数器、逻辑门和集成的 4管脚的数码管来组成计分电路。通过多次设计、画图及仿真实验，我们发现方案电路最简洁，原理简单易懂，操作也很方便，且实用性较强。故采用此方案进行设计。2 电路组成和工作原理（1）分析系统的逻辑功能，画出其框图如下图 1 乒乓球比赛游戏机的原理框图时钟信号源发光二极
6、管球台驱动电路控制电路LED 数码管1显示译码器1计数器 2计数器 1显示译码器2LED 数码管2按键电路乒乓球比赛游戏机第 3 页 共 12 页如上图 2.1 所示，该电路主要由时钟信号源、按键电路、球台驱动电路，控制电路，计数器，显示译码器和 LED 数码管等组成。途中标出的各种信号的含义分别为：CP 表示球台驱动电路和计数器的时钟信号；S 表示灯（乒乓球）移动的信号；L 表示发光二极管驱动信号，由 L1L8 组成；CNT 表示计数器的计数脉冲信号，由 CNT1,CNT2 组成；KA,KB 表示开关控制的外输入发球、击球信号。（2）总体思路描述如下：1.用两个 74LS194四位双向移位寄
7、存器来模拟乒乓球台，其中第一个74LS194的 DL输出端 QD接第二个的右移串行输入端 SR，这样当乒乓球往右准备移出第一个寄存器的时候就会在时钟脉冲的作用下被移入第二个寄存器。同样道理，第二个 74LS194的 AR输出端接第一个的左移串行输入端。2.用双 D触发器 74LS74及逻辑门电路构成驱动控制电路3.用十进制计数器 74LS160D、逻辑门电路和集成的 4管脚的数码管组成计分电路3 单元电路的设计3.1 球台电路的设计.球台电路如下图 2设计所示：乒乓球比赛游戏机第 4 页 共 12 页U174LS194DA3B4C5D6SL7QA15QB14QC13QD12SR2CLR1S09
8、S110CLK11U274LS194DA3B4C5D6SL7QA15QB14QC13QD12SR2CLR1S09S110CLK11L4L4L3L3L2L2L1L1L5L5L6L6L7L7L8L8VCC VCCCLK CLKS0S1 S1GNDGNDJ2J2J3J3S0图 2 球台电路上图中，两片 4 位 74LS194 双向移位寄存器接成 8 位双向移位寄存器。74LS194 功能表如表 1所示：表 1 74LS194 功能表DRS1 S0 工作状态01111 0 00 11 01 1置零保持右移左移并行输入功能说明： (1)当 S1 = S0 =1 时，不管各输入端原来是什么状态，在下一个时
9、脉冲到来时，其输出分别是预先输入到并行输入端的 abcd ，这种方式叫送数。(2)当 S 1 =0 ，S 0 =1 时，其工作方式叫右移，这时，每来一个时钟脉冲，输出端的数各向右移一位，而 Q A 端的输出则由加到 R 端的数来补充。乒乓球比赛游戏机第 5 页 共 12 页(3)当 S 1 =1 ，S 0 =0 时，其工作方式叫左移，情况正好与右移相反； Q D 端的输出由加到 L 端的数来补充。 (4)当 S 1 = S 0 =0 时，不管是否有 CP 脉冲作用，输出保持不变，这叫保持方式。 CP=0 时也是保持方式。3.2 驱动控制电路的设计驱动控制电路设计如下图 3所示S1 S0U3A7
10、4LS74D1D21Q51Q61CLR 11CLK31PR4U3B74LS74D1D21Q51Q61CLR 11CLK31PR4U4A7400N U4B7400NU5A7432NU6A7409NU6B7409NVCC108 765S1 S0J1 J1L1 L1J2 J2J3J3L8L8图 3 驱动控制电路图中 74LS74为上升沿触发的 D触发器，PR 为置 1端（低有效） ，CLR 为置 0端（低有效） 。当 J1=0时，两片 D触发器输出端均为 1即 S1=S0=1，通过接入74LS194，此时实现的是并行输入功能。当 J1=1时，L1=J2=1，J3=L8=0,通过各门电路可知 U2A,
11、U4A,U2B输出端分别为 0，1，1，则 D触发器输出端分别为0，1 即 S1=0,S0=1。相反情况时，当 J1=1时，L1=J2=0，J3=L8=1，D 触发器输出端分别为 1，0 即 S1=1,S0=0。通过此电路来控制并且实现球台灯的左右移位即实现乒乓球的运动。Comment 路1: 74LS08Comment 路2: 74LS90乒乓球比赛游戏机第 6 页 共 12页3.3计分电路的设计计分电路的设计如下图 4所示：U874LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2PlayerADCD_HEXX102.5 V
12、U10A7404NU12A7409N865432 1J2 J2L1 L1GNDGNDVCCVCC CLKCLK图 4 计分电路如上图所示，计分电路由一个 7404非门，7409 与门和十进制的 74LS160计数器构成。得分真值表二如下表二所示：表 2 得分真值表由上表可得上图中非门和与门的接法。同步十进制计数器 74LS160的功能表如下表三所示：L1 J2(A) L8 J3 Y(A) Y(B)1 0 0 0 0 10 0 1 0 1 0乒乓球比赛游戏机第 7 页 共 12 页表 3 74LS160 的功能表CPDRLEP ET 工作状态011110111 0 1 01 1置零预置数保持保持
13、（但C=0）计数由 74LS160的功能表可知，当RD=LD=EP=ET=1 时工作状态为计数，即图 4中的CLR=LOAD=ENT=ENP=1时。选用 ENP、ENT 作为 74LS160的计数控制端，当 ENT=ENP=1时计数，当 ENT=ENP=0时计分电路处于保持状态。RCO 为进位输出端，即当选手计满 9分时给出报警信号。4 总体电路的设计通过前面的单元电路的设计，将他们合理的组合连接起来，就可以得到总体设计电路图，其图如下图五所示:乒乓球比赛游戏机第 8 页 共 12 页U174LS194DA3B4C5D6SL7QA15QB14QC13QD12SR2CLR1S09S110CLK1
14、1U274LS194DA3B4C5D6SL7QA15QB14QC13QD12SR2CLR1S09S110CLK11U3A74LS74D1D21Q51Q61CLR 11CLK31PR4U3B74LS74D1D21Q51Q61CLR 11CLK31PR4U4A7400N U4B7400NU5A7432NU6A7409NU6B7409NU774LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U874LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2L12.5 V L22.
15、5 V L32.5 V L42.5 V L52.5 V L62.5 V L72.5 V L82.5 V PlayerBDCD_HEXPlayerADCD_HEXX92.5 V X102.5 V U9A7404NU10A7404NU11A7409N U12A7409N34 5678 9 10112 131615 192022 23VCC12V VCC12VV11kHz 5 V GNDJ1Key = AJ2Key = BJ3Key = Space2930GND181726 2434143325 2831 3227 VCCGND GND35VCC2图五 总体电路5 结果分析在进行仿真运行的过程中，先
16、将开关 Play C往上打，即打到“1”的位置。然后选着发球方 A或 B，若 A先发球，就将开关 Play A往上打，即打到“1”的位置。球将会向右移动，当点亮的球移动到 B方的最后一位时，将 B的开关往下打，B 就会得一分，反之，若行动迟缓或超前，表示未击中或违规，则对方得一分。若 B先发球，也是一样的操作。当一方得分满 9分时，RCO 将会给出报警信号 ，即灯亮，表一局完，数码管将从新计数。6 总结乒乓球比赛游戏机第 9 页 共 12 页通过此次课程设计，我们了解了模拟电路的基本设计方法,并对 Multisim仿真软件有了初步的了解和认而识。通过使用 Multisim仿真软件，可以让我们在
17、虚拟的环境中进行实验，可以先通过它来检验电路的正确性和可行性，而不需要真实电路环境的介入，不必顾及仪器设备的短缺与时间环境的限制，能够极大的提高实验的效率。虽然这次的数电课程设计时间短暂，但却让我得到了多方面的提高：1、提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。另外，我们还更加充分的认识到，数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性 2，查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料
18、有限我们更多的还是独立思考。3，相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，比如电路设计中的控制器的设计，以及乒乓球游戏机怎样计分等的分析。还使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到了不少棘手的问题，可谓是困难重重。但这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样的问题，我们必须要学着自己去找资料、去理解、去解决问题，加强我们独立思考的能力。同时在设计的过程中。我发现了许多自己的不足之处，认识的自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不
19、够牢固，没有在日常生活中将理论与实际相结合起来，以后要多加努力才行啊！参考文献【1】模拟电子技术基础（第三版），童诗白主编，高教出版社【2】数字电子技术基础（第四版/第五版），阎石主编，高教出版社【3】电子测试技术 金唯香、谢玉梅主编，湖南大学出版社【4】Multisim 2001电路设计及仿真入门与应用，郑步生、吴渭主编，电乒乓球比赛游戏机第 10 页 共 12 页子工业出版社【5】电子 EDA实践教程杨晓慧、许红梅主编，国防工业出版社附录 A 仿真结果图仿真结果图如下图六所示：U174LS194DA3B4C5D6SL7QA15QB14QC13QD12SR2CLR1S09S110CLK11U
20、274LS194DA3B4C5D6SL7QA15QB14QC13QD12SR2CLR1S09S110CLK11U3A74LS74D1D21Q51Q61CLR 11CLK31PR4U3B74LS74D1D21Q51Q61CLR 11CLK31PR4U4A7400N U4B7400NU5A7432NU6A7409NU6B7409NU774LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U874LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2PlayerBDCD_HEX
21、PlayerADCD_HEXX92.5 V X102.5 V U9A7404NU10A7404NU11A7409N U12A7409N34 5678 9 10112 1322 23VCC12V VCC12VV11kHz 5 V GNDJ1Key = AJ2Key = BJ3Key = C2930GND26 2434332531 3227 VCCGND GND35VCC1L12.5 VL22.5 VL32.5 VL42.5 VL52.5 VL62.5 VL72.5 VL82.5 V14215 17 18161928图六 仿真图乒乓球比赛游戏机第 11 页 共 12 页附录 B 实验仪器及器件1 四位双向移位寄存器74LS194D 二片2 双上升沿 D型触发器74LS74 一片3 十进制计数器 74LS160D 二片4 2输入与非门 7400N 二片5 2输入与门 7409N 四片6 2输入或门 7432N 一片7 非门 7404N 二片8 发光二极管 LED 十个9 数码管 DCD-HEX 二个10 KS按键开关 SPDT 三个11 电压时钟脉冲 CLOCK-VOLTAGE 一个
