1、XXXX大学电工电子技术课程设计说明书目录摘要.21 结构设计与方案选择.31.1关于实现电动骰子功能的设计.31.2设计方案选择.41.2.1方案一.41.2.2方案二.91.2.3方案三.121.2.4方案选择.132.硬件设计.142.1计数器与数码管的设计.142.2时钟脉冲信号的设计.152.3整体设计.162.4扩展设计.17结束语.19参考文献.20附录.21摘要电动骰子的的设计和制作需要综合运用电子、电路的知识，需要运用计数器产生1至6六个数字，并用数码管显示，然后用开关控制，达到现实中掷骰子的效果。计数器的功能是统计时钟脉冲的个数，利用这个功能和反馈置数使计数器实现1至6的计
2、数。时钟脉冲的制作可以使用555定时器构成多谐振荡器，也可以使用石英晶体制作多谐振荡器。最后本文就整体设计思路进行了说明，并进行了归纳、总结。关键词：计数器、脉冲信号、555定时器电骰子的设计与制作1 结构设计与方案选择1.1关于实现电骰子功能的设计 电骰子的设计分为数字生成部分、显示部分和脉冲部分。数字部分需要采用计数器实现，计数器的功能是统计时钟脉冲的个数，将计数器的输出端连接到显示部分就可以显示数字。计数器的部分需要在1至6之间进行循环，这利用计数器的反馈预置数法。“反馈预置数法”的LD端控制信号由计数器的输出端的信号通过门电路实现。预置数从D3D2D1D0输入，同步预置数功能的预置数为
3、（1111-M）+1（加法）或（M-1）（减法）；异步预置数数据为（1111-M）（加法）或M（减法）。如九进加法计数，同步预置控制功能的预置数数据为D3D2D1D0=0111，即第八个CP作用后，产生预置数信号，第九个CP时预置数为0111；异步预置数据为0101。又如九进制减法计数，同步预置控制功能的预置数据为1001-1=1000，计数过程为1000011110110201013010040011500106000170000810009；异步预置数据为1001，计数过程为1001100010111201103010140100500116 0010700018（0000）10009，下
4、标数字表示第几个时钟脉冲作用后的输出情况。若LD端输入控制信号不用Co或Bo端的输出信号，而改用计数器Q3Q0端输出信号进行组合（相与、与非、或、或非）后的信号，则应该按照计数过程推算得出结论。 脉冲信号的生产可以使用555定时器来实现，也可以用石英晶体来实现。555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成多谐振荡器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄
5、片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。 这些设备完成后就要设计显示部分，由数码管和7448七段显示译码器构成显示部分。将计数器的输出端连接到7448芯片的输入端，然后将7448芯片与数码管连接。计数部分显示部分脉冲信号图1-1 电骰子的流程图1.2方案选择1.2.1方案一计数器芯片74161是4 位二进制同步计数器（异步清除），161 为可预置的4 位二进制同步计数器，共有54/74161
6、 和54/74LS161 两种线路结构型式，161 的清除端是异步的。当清除端CLEAR 为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。161 的预置是同步的。当置入控制器LOAD为低电平时，在CLOCK上升沿作用下，输出端QAQD与数据输入端AD 相一致。对于54/74161，当CLOCK 由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端ENP、ENT 为高电平，则LOAD 应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS161无此种限制。161 的计数是同步的，靠CLOCK 同时加在四个触发器上而实现的。当ENP、ENT 均为高电平时，在CLOCK 上升沿作用下QAQD 同时变化，从而消除了异
7、步计数器中出现的计数尖峰。对于54/74161，只有当CLOCK 为高电平时，ENP、ENT 才允许由高至低电平的跳变，而54/74LS161 的ENP、ENT 跳变与CLOCK无关。161有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（RCO）输出一个高电平脉冲，其宽度为QA 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成N 位同步计数器。对于54/74LS161，在CLOCK出现前，即使ENP、ENT、CLEAR发生变化，电路的功能也不受影响。在使用74LS161芯片时，将ENP和ENT分别接高电平，将时钟脉冲接到CLK端，这样计数器就实现了加法计数功能。图1-2 74LS161管脚图表1-3
8、74LS161功能表输入输出CpCRLDPTDCBAQDQCQB QA0000010DCBADCBA110保持110保持1111计数图1-4 555定时器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。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为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4.5V16V工作，7555可在318V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
9、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。555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于V
10、CC /3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。图1-5 555定时器内部结构由555定时器组成的多谐振荡器如图1-6所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图1-7所示。设电容的初始电压Uc0，t0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端VTHVTL=01/3VCC，比较器A1输出为高电平，A2输出为低电平，即RD=1，SD=0（1表示高电位，0表示低电位），R-S触发器置1，定时器输出Uo=1，此时Q=1，定时器内部放电三极管截止，电源VCC经向电容C充电，UC逐渐升高。当UC上升到1/3VCC时， 输出由0翻转为1，这时RD=RS=1
11、，R-S 触发顺保持状态不变。所以0tt1期间,定时器输出Uo为高电平1。t=t1 时刻，Uc上升到2/3Vcc，比较器A1的输出由1变为0，这时RD=0，RS=1，R-S 触发器复0，定时器输出Uo=0。 t1tt2期间，Q=0，放电三极管T导通，电容C通过R2放电。Uc按指数规律下降，当Uc2/3VCC时比较器A1输出由0变为1，R-S触发器的RD=SD=1，Q的状态不变，Uo的状态仍为低电平。 t=t2时刻，Uc下降到1/3Vcc，比较器A2输出由1变为0，R-S触发器的RD=1，SD=0，触发器处于1，定时器输出Uo=1。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充
12、电时，定时器输出Uo=1，电容放电时Uo=0， 0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。图1-6 555多谐振荡器原理图 振荡周期T=T1+T2。T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。充电时间T1=（R1+R2）C20.7（R1+R2）C；放电时间T2=R2C20.7R2C； 矩形波的振荡周期T=T1+T2=2（R1+2R2）C0.7（R1+2R2）C。因此改变R1、R2和电容C的值，便可以改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽tw）/（周
13、期T）。图1-7多谐振荡器的工作波形1.2.2方案二图1-8 方案二电路图192为可预置的十进制同步加、减计数器。192 的清除端是异步的。当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能。192 的预置是异步的。当置入控制端LD为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（D0D3）相一致的状态。192 的计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在 4 个触发器上而实现。在CPD、CPU上升沿作用下Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPD、CPU，此时另一个时钟应为高电平。当
14、计数上溢出时，进位输出端Co输出一个低电平脉冲，其宽度为CPU低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端Bo输出一个低电平脉冲，其宽度为CP低电平部分的低电平脉冲。当把Co和Bo分别连接后一级的CPD、CPU，即可进行级联。图1-9 计数器40192管脚图 在40192集成计数器的逻辑功能如图1-9所示，表中表示时钟脉冲的上升沿，从表中可以看出，不管是加法计数过程，还是减法计数过程，都是在计数时钟脉冲上升沿触发的。在计数过程中，必须使清零端接低电平，预置数端接高电平，当脉冲出现上升沿时计数器实现计数功能。表1-10 计数器40192功能表石英谐振器简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英
15、晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器按引出电极情况来分有双电极型、三电极型和双对电极型几种。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件，如彩电的色副载波振荡器、电子钟表的时基振荡器及游戏机中的时钟脉冲振荡器等，石英晶体成本较高，故在要求不太高的电路中一般采用陶
16、瓷谐振元件。石英晶体振荡器摘要性能指标：标称频率：振荡器输出的中心频率或频率的标称值。可选频率范围：我们所能提供的某种规格的振荡器的可实现的频率输出。频率温度稳定度：在指定温度范围内振荡器的输出频率相对于25C时测量值的最大允许频率偏差。老化：在确定时间内输出频率的相对变化。占空比：反映输出波形的对称性，也就说，在一个周期内，高电平与低电平所占比例之比。上升时间：方波从低电平转换为高电平的时间。下降时间：方波从高电平转换为低电平的时间。谐波：振荡器在相对于输出频率谐振点处的抑制。图1-11 石英晶体振荡器电路图1.2.3方案三在发现用单稳态很难达到延迟和频率变化的效果后，而且压控振荡电路的输入
17、不能直接用电压幅度（幅值）可变的交流电压源。于是我们换思路思考，决定把555压控振荡器换成另一压控振荡电路，即电压频率转换电路（参考模电P466电路）。该压控振荡器由一个积分电路和一个比较器组成。原理是利用积分运算电路输出电压的变化去控制压控振荡器输出频率的变化（开关断开后脉冲波频率渐渐变小），数码显示计数频率渐渐变慢。当经过5到10秒的时间后，电压达到一定值时，也就是说超过压控振荡器可控电压范围后，振荡器失效，计数停止。从而就实现了电子骰子的功能要求。但是在Multisim仿真过程中，遇到了问题。单独仿真积分电路时输入直流，输出也是直流，幅值没有变化，这与理论不符，说明在Multisim中仿
18、真不出我们想要的结果。在Multisim仿真中，电压频率转换（压控振荡器），可以仿真出来脉冲波，问题是它的脉冲波略有失真，并没有比我们先前使用的555压控振荡器的脉冲波的波形好看，所以这个方案无法用Multisim仿真软件实现。该方案理论上是可以实现的，但是可能是Multisim仿真软件自身存在着问题，所以无法实现。数码显示器六进制计数器电压频率转换电路（压控振荡器）积分运算电路（控制电压变化）图1-12 电路原理图图1-13 积分型电路图1.2.4方案选择经过分析，在计数器芯片的选择上，因为74161和74192功能上基本相近，区别只是在置数控制端上，74161为同步预置数，而74192为异
19、步预置数。电骰子的数值在1至6之间，所以不能采用反馈置零法和反馈清零法，故在电骰子的制作中要使用置数功能，所以首要考虑的就是置数功能。74161为同步置数，在反馈是只要将输出Q2Q3通过与非门接到74161的置数端即可。74192为异步置数，在反馈时要将输出Q1Q2Q3通过与非门接到74192的置数端。其他部分两种芯片的使用方法基本相同，由于两输入与非门更加使用，故使用74161芯片。通过555定时器制作时钟脉冲方便简单，只需外接电阻电容即可制作成需要的脉冲。所以经过综合分析，选用方案一。2 硬件设计2.1计数器与数码管的设计显示部分采用七段数码管和七段显示译码器7448一起实现，将数码管与七
20、段显示译码器7448按照图2-1的方式连接，然后将七段显示译码器7448的四个输入端连接到计数器74LS161的四个输出端即可。图 2-1 数码管显示电路在计数器的设计中，因为电骰子窑实现1到6的循环变化，所以要是计数器实现1到6的六进制循环，采用反馈预置数的方式。把计数器的输入端置数D3D2D1D0=0001，将计数器的输出端Q2和Q3通过与非门连接到计数器芯片的置数端，低电平有效。因为74LS161为同步置数，当计数器加计数至6时，Q2和Q3都为高电平，通过与非门后为低电平，当下一个脉冲上升沿到来时，计数器完成置数，输出端杯置数为0001，数码管显示为1，这样就完成了从1到6的循环计数。图
21、2-2 计数器与数码管连接图2.2时钟脉冲信号的设计时钟脉冲信号的产生由555定时器和电阻、电容构成。将2、6端并联，再与RC构成的充放电电路的串联点连接，将7端接到放电点。其中电容C2起稳定输出电压的作用。在电骰子的电路中，时钟脉冲控制计时器芯片74LS161实现加法计数功能，所以对时钟脉冲的频率要求不高，只要保证频率足够大，使数码管显示数字不能被人眼分辨即可，所以只需要50Hz左右即可满足要求。 电容C1的充电时间T1=（R1+R2）C2；放电时间T2=R2C2； 矩形波的振荡周期T=T1+T2=2（R1+2R2）C；频率f=1/T；选择电阻R1=1k，R2=1k，C1=10uF，得出f=
22、1/2（R1+2R2）C148Hz。图2-3 时钟脉冲电路2.3 整体设计在之前的设计中，我们已经讨论了计数器的设置和显示数码管的连接方式，并且制作了基于55定时器的时钟脉冲，下面我们需要完成的工作就是把这些部分连接到一起。在确定如何完成掷骰子的动作方面，我们考虑使用开关，因为开关方便，易于操作。那么如何实现像现实生活中的掷骰子的效果，即在1至6这六个数字中随机的产生一个数字呢？因为计数器74LS161是上升沿触发的计数器，所以不论当计数器74LS161的CLK端是高电平还是低电平，计数器都不会实现计数功能，而是保持之前的数字不变。我们就利用这个原理，将时钟脉冲和一个单刀双掷开关通过与门连接起
23、来，然后将与门的输出送到计数器74LS161的CLK端。将单刀双掷开关的两端分别连到高电平和地。这样，当开关掷向高电平时，高电平与时钟脉冲相与，与门输出仍为时钟脉冲，计数器74LS161实现计数功能，在1到6之间循环计数；当开关掷向地时，低电平与时钟脉冲相与，与门输出为低电平，计数器74LS161保持之前的状态，数码管静态显示之前计数器输出的数字。这样，一次掷骰子的过程就结束了。图2-4 整体设计电路2.4 扩展设计在现实生活中，通常会同时用三个骰子，比如在玩麻将或者掷骰子赌博中就是到三个骰子，所以为了和实际生活想贴近，我们特别设计了一套拓展方案，即实现三个骰子的功能。电路如图2-5。图2-5
24、 三个骰子的电路图在这个电路中，脉冲信号为具体给出，因为上文应经给出了详尽的原理图，此处仅用DClock代替。图中的计数器芯片的连接方式和单个骰子的连接方式的区别仅仅表现在后两个骰子的CLK端的输入信号上，后两个计数器芯片的CLK输入端连接到前一个电路的与非门的输出端。第一个骰子在时钟脉冲的上升沿的作用下进行1至6的加法计数，在加法计数过程中，计数器芯片74LS161的输出端Q2Q3通过与非门输入到置数端，并将与非门的输出作为下一个计数器芯片的脉冲信号，这是因为当计数器输出Q3Q2Q1Q0为0001、0010、0011、0100、0101时与非门输出为高电平，只有当计数器输出Q3Q2Q1Q0为
25、0110时与非门的输出为低电平，所以在一个计数周期内就产生了一个上升沿；同理，第三片计数器芯片利用第二片的与非门输出。结束语经过两个星期的努力研究，每一次突破，都给我们带来喜悦。最终我们小组获得成果，两个星期来的汗水没有白流，我们不仅收获了做电路设计和仿真上的经验，同时也收获到享受成功时的那份心情，从苦到甜。从本次课程设计中，我们深深体会到自己实际动手能力方面的不足，经过这次对我们的考验，我们学会了运用很多以前学过的知识，去实现我们想要做的东西；我们也学会了执着与坚持，因为要想获得成功就得需要很强的毅力。回头想想，一项研究真的不是一朝一夕的事情，往往心急是做不出来的，要经过不断努力和试验才能实
26、现。经过这次课程设计，我们系统地利用了电路，模拟电子技术和数字电子技术的知识，将三门学科有机地结合起来，增强我们的理论知识，因为在课堂上我们只是学习单一的一门学科，没有将几门学科结合起来，虽然各自的学科学习掌握的情况还不错，但是一旦遇到需要综合应用各个学科的知识时，我们通常会表现的手足无措。经过这次课程设计，我们把平时支离破碎的知识进行了整合，做到了融会贯通。最重要的是我们团结一致，四个人在一起研究和思考，一起提出意见和方法，然后讨论出最佳的方案去设计，这才是我们成功的关键所在。希望以后能有这样更多的机会来锻炼我们，因为我们所学的东西要理论与实践相结合的话，需要不断的去实践，在实践中找到自己的
27、不足之处，然后又目的的去纠正。这样学到的东西才真正有价值。当然我们的实际作品还存在很多不足，还要做很多改进，但是介于我们的时间和知识储备都有限，所以未能一一解决。在实际的制作过程中，时钟脉冲信号的稳定性问题一直困扰着我们，虽然在仿真软件中能够得到很理想的脉冲信号，但是在实际中信号很不稳定；还有就是要在开关处添加防抖电路，这些都需要改进。这次设计的作品还很不成熟，只是实现了基本的功能，对现实生活中的一些复杂情况还未考虑在内。比如在打麻将时要用到三个骰子，而且三个骰子出现六个数字的概率是相等的，这就需要我们加深学习，争取在以后的学习中把这些问题解决掉，能够设计制作出符合现实生活要求的电骰子。参考文
28、献1 吴友宇.数字电子技术基础.北京：清华大学出版社，20092 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998 3 吴友宇.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，20094 Charles K.Alexander and Matthew N.O.Sadiku.Fundamentals of Electric Circuits.北京：清华大学出版社，20005 邱关源.电路.北京：高等教育出版社，20066 侯玉宝，陈忠平，李成群.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真.北京：电子工业出版社附录实验所需元件电子器件数量（个）计数器74LS1611数码管1七段显示译码器74481与非门74LS00114位二进制串行计数器40601单刀双掷开关1石英晶体1100nF电容2第 22 页 共 22 页
