数电课设LED猜盘游戏分析方案.doc

数电课设LED猜盘游戏分析方案

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2020年4月19日
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课程设计说明书

课程设计名称： 脉冲数字电路课程设计

课程设计题目： LED猜盘游戏

学院名称： 信息工程学院

专业： 电子信息工程 班级：

学号：姓名：

评分：教师：

20 11月 27 日

脉冲数字电路课程设计任务书
－ 第一学期　第12周－13周
题目
LED猜盘游戏
内容及要求
系统有10个LED组成轮盘，开始前，先猜测某个LED，然后按下按钮，LED高速旋转，然后速度逐渐变慢，最后停下，若最后停在所猜测的LED灯上，则为赢。
进度安排
1） 10月8至9日确定工程、方案，并设计出原理图
2） 10月10日进行仿真调试，并将工作原理图交由老师审批
3） 10月 11日领取元器件并开始焊接
4） 10月14至15日进行调试
5） 10月17日上交作品
学生姓名：
指导时间 10月11至15日
指导地点：
任务下达
20 12 年10月8日
任务完成
20 12 年10月17 日
考核方式
1.评阅 □ 2.答辩 □ 3.实际操作□　4.其它□
指导教师

系<部）主任

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要

转盘游戏是一种特别有意思的游戏，它突出了事件的随机性，人们根据这种不确定性事件的等可能发生性进行猜测,然后经过转盘开始旋转直至停下，来验证猜测是否准确。近年来，由简单的猜盘逐渐发展到益智转盘游戏、猜奖、老虎机等等不同形式，广受大家的喜爱。因此，本次课程设计采用数字电路知识，利用时钟振荡脉冲进行计数并控制发光二极管的亮灭来简单实现转盘游戏的功能。
本次设计中，采用两片NE555芯片以及一片CD4017脉冲分配器来完成设计要求。该方案利用NE555定时器构成单稳触发器和多谐振荡器，构成时钟脉冲发生电路模块，CD4017实现时序分配模块，LED实现显示模块。时钟振荡电路控制脉冲信号的时间长短和频率，送入CD4017实现对脉冲信号的分配，出现的与时钟同步的高电平控制LED的亮灭，在指定的时间范围内使高速旋转的LED停止在某一盏灯上。

关键词：LED猜盘游戏，NE555,CD4017，时钟振荡脉冲，时序分配

目 录
第一章 设计的目的及要求
1.1设计目的········································1
1.2 设计要求········································1
第二章 方案比较及确定
2.1 设计要求分析····································2
2.2 方案比较········································2
2.2.1 方案一···································2
2.2.2 方案二···································4
2.2.3 方案三···································5
2.3 方案确定········································6
第三章 系统组成及工作原理
3.1系统构成········································7
3.1.1时钟脉冲发生端····························7
3.1.2时序分配端································7
3.1.3显示端····································8
3.2 工作原理········································8
3.3 参数计算········································9
第四章 器件选择
4.1 NE555···········································10
4.2 CD4017··········································13
4.3 LED·············································14
第五章 系统调试及测试结果分析
5.1 系统调试········································15
5.1.1 仿真调试··································15
5.1.2 实物调试··································15
5.2 焊接及结果分析··································16
结论····················································17
参考文献················································18
附录一··················································19
附录二··················································20

第一章 设计目的及要求
1.1 设计目的
（1） 学会并掌握脉冲数字电路设计的基本方法
（2） 能运用NE555计时器、CD4017脉冲分配器实现LED转盘游戏的设计
（3） 掌握焊接的基本要领
1.2 设计要求
系统有10个LED组成轮盘，开始前，先猜测某个LED，然后按下按钮，LED高速旋转，然后速度逐渐变慢，最后停下，若最后停在所猜测的LED灯上，则为赢。

第二章 方案比较及确定
2.1 设计要求分析
1.系统组成
1）时钟脉冲发生端
2）时序分配端
3）功能显示端
2. 系统框图

多谐振荡器
单稳态触发器
产生脉冲
产生方波
按下B键
LED高速旋转
最后随机停在的一盏LED

图2.1 系统框图
2.2方案比较
众所周知，要实现具有一定功能的电路，能够采取多种不同的方案。在众方案中，应力求选择一种最简单、实用、稳定性好而且较为经济的方案。
同理，实现该设计要求能够运用很多种方法，本文仅列举出其中三种进行比较，比较方案如下：
2.2.1方案一
本电路包括四部分：
1.单稳态电路
2.多谐振荡器
3.时序分配电路
4.显示模块
第一部分采用CD4011与非门构成的单稳态电路。<如图2.2.1.1所示）
第二部分采用NE555构成多谐振荡器。
第三部分采用CD4017实现脉冲分配。
第四部分采用LED灯实现结果的显示。

图2.2.1.1由CD4011的两个与非门构成的单稳态电路原理图
仿真图如图2.2.1.2所示：

图2.2.1.2 方案一实现功能仿真图
2.2.2方案二
本电路包括三部分：
1.单稳态电路
2.多谐振荡器
3.时序分配电路
4.显示模块
第一部分采用NE555构成单稳触发器。
第二部分采用由晶体管构成的多谐振荡器。<如图2.2.2.1所示）
第三部分采用CD4017实现脉冲分配。
第四部分采用LED实现结果显示。

图2.2.2.1 晶体管构成多谐振荡器原理图
仿真图如图2.2.2.2所示

图2.2.2.2 方案二实现功能仿真图
2.2.3方案三
本电路包括三部分：
1.单稳态电路
2.多谐振荡器
3.时序分配电路
4.显示模块
第一部分采用NE555构成单稳触发器。<如图2.2.3.1所示）
第二部分采用NE555构成的多谐振荡器。
第三部分采用CD4017实现脉冲分配。
第四部分采用LED实现结果显示。

图2.2.3.1 由555构成的单稳态电路
仿真图如图2.2.3.2所示

图2.2.3.2 方案三实现功能仿真图
2.3 方案确定
能够看出，三种方案的脉冲分配端以及结果显示端是一样的，差别在于脉冲发生端的设计。方案一电路采用CD4011的两个与非门实现单稳触发器电路，基本实现了让LED灯高速旋转直至停在某一盏灯上的功能，可是当按下B键时，所产生的脉冲信号不稳定，致使后面的电路无法有规律地变化，而是杂乱无章的。同时该电路缺乏有效的时间控制，使后面LED灯的亮暗时间不固定。经过仿真能够知道，该电路能够实现LED灯的旋转，可是有时会停在两盏灯上，因此不可靠。方案二中，采用两个三极管实现多谐振荡，也能够基本实现功能，可是其随机性太强，不易控制时间，而且，三极管是怕热元器件，与NE555插槽相比，其焊接技术要求更高。方案三中只用了两个NE555即可构成脉冲发生端，电路比较常见，使用广泛，稳定性及可控性都较强，其焊接要求也比较低。可见，三种方案中方案三设计比较合理，且价格比较低廉，因此采用方案三作为本次的原理设计方案用以实现LED转盘游戏。

第三章 系统组成及工作原理
3.1 系统组成
3.1.1时钟脉冲发生端
用两片NE555分别实现单稳触发器和多谐振荡器即可实现时钟脉冲发生端。该部分是成功实现设计要求的关键所在。如图3.1.1所示。

图3.1.1
3.1.2时序分配端

图3.1.2
图3.1.2所示是用CD4017十进制计数器，作为十分频来使用，实现脉冲分配的功能。
3.1.3显示端
由十个LED灯组成。十个LED灯依次接收由CD4017十分频模块输入的脉冲而依次闪亮，且在可控时间内停在某盏灯上。模块设计图如图3.1.3所示。

图3.1.3结果显示端
3.2 工作原理
按照本次设计的要求，设计的工作原理图如图3.2所示：

图3.2工作原理图
系统包括三部分：
1.单稳态电路：采用NE555构成单稳触发器。
2.多谐振荡器：采用NE555构成的多谐振荡器。
3.时序分配电路：采用CD4017实现脉冲分配。
4.显示模块：采用LED实现结果显示。
系统电路如图3.2所示，用5V直流稳压电源供电，555在开关的启动下产生渐慢脉冲作用下驱动10个LED循环发光，循环转动，最后速度变慢，然后逐渐停止。
3.3 参数计算
<1）计算单稳触发器周期的公式： Tw≈1.1RC
当调动滑动变阻器为R1=50 kΩ时，得
Tw≈1.1RC=1.1*50kΩ47uf=2.6s
<2）计算多谐振荡器周期的公式：
Tw≈0.7*<R3+2R4）*C3
此处R3= 4.7 kΩ R4=100 kΩ C3=100nf
Tw≈0.7*<4.7 kΩ+2*100 kΩ）*100nf=0.014s

第四章 器件选择
本次设计中，运用到了NE555芯片，CD4017芯片、LED灯以及电阻、电容、导线若干。
4.1 NE555
1. NE555简介
555定时器是一种模拟-数字混合式集成定时器，555定时器成本低，性能可靠，外接几个电阻、电容，就能够实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路，在工业控制等方面也有很广泛的应用。它的内部结构图以及管脚图如图4.1.1所示。

图4.1.1 NE555内部结构图以及管脚图
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VCC /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。
NE555的各个引脚功能如下：
1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5V至16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3V至18V，一般用5V。
3脚：输出端Vo。
2脚：低触发端。
6脚：TH高触发端。
4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
2. NE555的应用
1.NE555构成单稳触发器<如图4.1.2所示）

图4.1.2
单稳态触发器只有一个稳态状态。在未加触发信号之前，触发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定状态。单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。
接通电源后,未加负脉冲,而C充电,Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc时，电路 输出为低电平，放电管T导通，C快速放电，使Vc = 0。这样，在加负脉冲前， 为低电平，Vo = 0，这是电路的稳态。在t = t0时刻负跳变，而Vc = 0，因此输出翻为高电平，T截止，C充电。 按指数规律上升。t = t1时， 负脉冲消失。t = t2时，上升到2/3Vcc，又自动翻为低电平。在这段时间电路处于暂稳态。t > t2，T导通，C快速放电，电路又恢复到稳态。由分析可得：输出正脉冲宽度 tw = 1.1RC。经过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。
2.NE555构成多谐振荡器
其电路及波形图 如图4.1.3所示
图4.1.3
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间能够自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。
接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是VCC—R1—R2—
C—地，按指数规律上升，当上升到时<TH、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时<TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得
　　输出高电平时间 T=(R1+R2>Cln2
　　输出低电平时间T=R2Cln2
　　振荡周期 T=(R1+2R2>Cln2
输出方波的占空比为 ：

4.2 CD4017
CD4017：十进制计数器/脉冲分配器。其内部电路如图4.2.1所示。
　　CD4017 是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。Johnson 计数器，提供了快速操作、2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10 个时钟输入周期CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。如图4.2.2。
该模块构成分频电路。CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
CD4017的管脚图如图4.2.3所示。
CO：进位脉冲输出；CP：时钟输入端；CR：清除端 ；INH：禁止端
　　Q0-Q9 计数脉冲输出端；VDD：正电源；VSS：地
输出高电平的顺序分别是⑶、⑵、⑷、⑺、⑽、⑴、⑸、⑹、⑼、⑾脚，这10个管脚依次产生高电平。

图 4.2.1 CD4017内部电路

图4.2.2

图4.2.3 CD4017管脚图
4.3 LED
发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它能够直接把电转化为光.LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着
在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流经过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。
该模块接受出自整个电路产生的高电平，由于是分频器CD4017产生的高电平，因此10个发光二极管依次接受来自它产生的高电平，逐一闪亮并循环。但发光二极管亮度和闪光速度受到前面电路中电阻和电容的影响，能够自由调节。

第五章 系统调试及测试结果分析
5.1 系统调试
5.1.1 仿真调试
按照工作原理图，用Multisim进行仿真调试,仿真图如图5.1所示：

图5.1.1 仿真图
用Multisim仿真软件运行图5.1.1所示的原理图，闭合开关，LED灯将依次亮起来，并最终停下。调试时，根据现象适当调节参数。
5.1.2 实物调试
<1）仪器
示波器、直流稳压电源、万用表
<2）调试方法
将电路板接上5V电源之后测试555芯片能否正常工作。
将第一片555芯片的输出端接在示波器上，观察示波器波形若出现不稳定的脉冲，说明单稳态电路工作正常；若不是，则说明单稳态电路不正常工作。
将第二片555芯片的输出端接在示波器上，观察示波器波形若出现方波波形，说明多谐振荡电路工作正常；若不是，则说明多谐振荡电路不正常工作。
<3）调试现象
将连接好的555定时器的输出端接在示波器上，呈现如图5.1.2所示符合要求的方波。

图5.1.2 555定时器输出波形
说明两片555芯片工作正常。LED灯轮流亮灯，说明CD4017正常工作。
5.2 焊接及结果分析
焊接：
<1）焊接前
设计好各个元器件在电路板上的位置，即排版，并画好排版草图。领元器件，并检查所需各元器件是否齐全。
<2）焊接是很重要的一步，它直接决定设计的成败。因此，焊接时须格外小心。按照草图上面设计的排版，将各个元件及管脚焊在电路板上，焊接时应注意方法，避免虚焊。
<3）检查电路，看其连接是否与工作原理图一致。若不一致，则加以修正；若一致，则可将电路的正负极接5V直流稳压电源。
结果分析：
<1）调试过程中只出现一盏灯亮，并未达到灯轮流高速旋转的目的，经万用表蜂鸣档检查断路和短路现象，均正常，将13管脚所接电容断路，LED灯开始旋转，说明CD4017的13管脚需要直接接到地。
<2）将所有器件安装、焊接及用导线连接好后，接通电源，只有电路板上其中的一个定义为指示灯的LED灯能亮，其它灯没有反映，故不能实现功能，经过仔细检查，所有线路没有错误，可是CD4017芯片没有接电源，导致芯片CD4017不能正常工作。
<3）单稳态电路的电阻阻值调的不恰当使灯旋转的时间很短，致使LED灯的旋转圈数很少，调整滑动变阻器阻值使时间值达到一个合适值，效果还比较满意。

结论
经过本次的课程设计，学到了很多的东西。在上个学期的脉冲数字电路课程中，对知识的把握不是很好。因此，选择课程设计题目的时候，有点犯难，感觉每个题目都没多大把握。当看到“LED转盘游戏”这个标题时，一股新奇感促使了这个设计的进行。选定题目后，接下来的工作让人感觉压力很大。虽然网上以及书籍中，都有与本设计有关的内容，但这却无形中增加了许多诸如筛选信息等方面的困难。终于，选定方案以后，接下来的工作就相对来说比较容易了。可是由于平常对Multisim软件不够熟悉，以至于本次仿真时，由于操作不熟练等各方面问题，花了大量的时间。
同时，增长了许多的知识。虽然以前也用过NE555芯片，可是从来不曾了解其内部结构及各个管脚的功能。在这次的课程设计中，不但更加了解了NE555，还对CD4017芯片有了一定的认识。相信以后再用到此类芯片时，会更加的得心应手。
另外，在焊接方面，也树立起了信心。曾经的几次失败，造就了对焊接的排斥感。虽然，在本次焊电路板时，也出现了一点问题，但后来从分析问题，检查电路以及纠错以至电路焊接的成功，那种排斥感已化为一种勇敢面对问题的勇气。特别是看到LED灯旋转起来的时候，心中更是无比的激动。这种成就感就是对这一切的努力的最好回报。
因此，以后更加要勤加练习，将所学的知识运用出去，化为实物，才能不枉所学。
虽然本次设计成功了，可是，其明显缺点还是存在的。例如，实验结果的显示过于简单，对于猜中和猜错没有其它的明显的判断电路。虽然，其对电路的影响不大，可是少了这一模块却让整个设计的趣味性减了许多。对于这样的失策情况，以后一定会尽量避免。
选择方案时，不要盲从资料上的方案，查找到的方案只能是作为参考。实际设计时，一定要从实际出发，从电路复杂度、性能稳定性、焊接难易以及经济实用性等多方面加以考虑，才能找寻到最佳方案。

参考文献：
【1】王毓银.数字电路逻辑设计<第三版）.高等教育出版社， .
【2】张秀娟等.数字电子技术基础实验教程.北京航空航天大学出版社， .
【3】阎石等.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社， .
【4】白彦霞等.数字电子技术基础.北京邮电大学出版社， .
【5】赵珂彭嵩等.脉冲与数字电路实验指导书.南昌航空大学电子信息工程学院实验实践中心， .

附录一 工作原理图及实物图

图1 原理图

图2 实物图
名称
型号
数量

芯片
NE555
2块
CD4017
1块

电阻

10KΩ
1个
100KΩ
1个
4.7 KΩ
1个
470Ω
1个
100Ω
1个
可调电阻
200KΩ
1个

电容
47μf
1个
0.01μf
1个
100nf
1个

插槽
8管脚
1个
16管脚
1个
开关
按键式
1个
LED
red
10个
电路板
——
1个
导线
——
若干
附录二 元件清单