电子产品设计报告《声光电子色子》.docx
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电子产品设计报告《声光电子色子》
“电子产品创作设计”
技术报告
题目:
关于声光电子“骰子”的研究
小组成员:
西安电子科技大学
2014年10月
关于声光电子“骰子”的研究
摘要:
骰子是娱乐游戏的一种道具,可以用它来随机地选取1~6的数。
本电路设计一个电骰子电路,该电路由电骰子的电路结构决定。
电路由RC振荡电路、计数器电路、译码器电路、LED驱动电路、时钟控制电路五部分电路构成,其中计数器是整个电路的核心部分,而译码器在电路中没有采用原有的译码器,而用门电路来实现,是为了让电路更简。
关键词:
电子骰子数字电路
目录
引言1
1课程设计的目的1
2课程设计的任务与要求1
2.1课程设计的任务1
2.2课程设计的要求1
3设计方案与论证2
3.1设计思路2
3.2方案选择3
4设计原理与功能说明12
4.1设计原理12
5单元电路的设计14
5.1脉冲电路14
5.2计数部分18
5.3显示部分19
6硬件的制作与调试20
6.1硬件的制作20
6.2电路的调试21
7总结21
参文献考22
附录1:
总体原理电路图23
附录2:
元器件清单24
引言
骰子是娱乐游戏的一种道具,可以用它来随机地选取1~6的数。
本电路设计一个电骰子电路,该电路由电骰子的电路结构决定。
电路由RC振荡电路、计数器电路、译码器电路、LED驱动电路、时钟控制电路五部分电路构成,其中计数器是整个电路的核心部分,而译码器在电路中没有采用原有的译码器,而用门电路来实现,是为了让电路更简。
1课程设计的目的
(1)通过所学的有关数字电子技术知识设计出一个电路,有助于巩固和加强数字电子技术课程班的理论和知识。
(2)掌握电子电路的一般设计方法,了解电子产品研制开发过程。
(3)提高电子电路实验技能和仪器使用能力。
(4)掌握电路安装及调试方法和故障排除能力。
(5)学会撰写课程设计报告。
(6)学会查询手册及文献资料。
2课程设计的任务与要求
2.1课程设计的任务
设计一个电子色子,使其完成骰子随机置数的功能,使之能发生翻转并能显示1和10之间的某一个数字。
2.2课程设计的要求
(1)电源选择12V。
(2)10盏LED放置在电路板上的位置和真实的骰子点数相同。
(3)当开关闭合时10盏LED随机的翻转,当开关按下时10盏LED某一盏亮并显示某一个点数。
3设计方案与论证
3.1设计思路
电骰子的设计分为脉冲部分、数字生成部分和显示部分。
脉冲部分可以用555定时器连接成的多谐振荡电路产生脉冲,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。
显示电路
脉冲信号计数器
图3-1
3.2方案选择
本方案的脉冲电路仍采用由555定时器构成的振荡电路。
数字电路电路采用芯片CD4017。
CD4017有10个输出端(Q0~Q9)和1个进位输出端Q5-9。
每输入10个计数脉冲,Q5-9就可得到1个进位正脉冲,该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
CD4017有3个输入端(MR、CP0和CP1),MR为清零端,当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出Q0为高电平,其余输出端(Q1~Q9)均为低电平。
CP0和CPl是2个时钟输入端,若要用上升沿来计数,则信号由CP0端输入;若要用下降沿来计数,则信号由CPl端输入。
设置2个时钟输入端,级联时比较方便,可驱动更多二极管发光。
由此可见,当CD4017有连续脉冲输入时,其对应的输出端依次变为高电平,故可直接用做顺序脉冲发生器。
CD4017的结构图如下图所示:
图3-10CD4017结构图
CD4017的管脚图如下图所示
图3-11CD4017引脚图
CD4017的引脚功能
CD4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。
CD4017有16支脚,除电源脚VDD及VSS为电源接脚,输入电压范围为3–15V之外,其余接脚为:
A、频率输入脚:
CLOCK(Pin14),为频率信号的输入脚。
B、数据输出脚:
a、Q1-Q9(Pin3,2,4,7,10,1,5,6,9,11),为解码后的时进制输出接脚,被计数到的值,其输出为Hi,其余为Lo电位。
b、CARRYOUT(Pin12),进位脚,当4017计数10个脉冲之后,CARRYOUT将输出一个脉波,代表产生进位,共串级计数器使用。
C、控制脚:
a、CLEAR(Pin15):
清除脚或称复位(Reset)脚,当此脚为Hi时,会使CD4017的Q0为”1”,其余Q1-Q9为”0”。
b、CLOCKENABLE(Pin13),时序允许脚,当此脚为低电位,CLOCK输入脉波在正缘时,会使CD4017计数,并改变Q1-Q9的输出状态。
本方案的显示部分用LED显示,用十盏LED排成的色子点数和真实的色子点数一致,这样它能产生逼真的色子点数。
4设计原理与功能说明
4.1设计原理
本电路由三部分组成,脉冲部分,数字部分,显示部分。
由555定时器组成的脉冲部分产生矩形波,输出高电平和低电平。
CD4017是十进制计数器,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00、01、02、.....09依次出现与时钟同步的高电平,宽度等于时钟周期。
CD4017的MR为清零端,当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出00为高电平,其余输出端(0~09)均为低电平。
如图所示
图4-1CD4017引脚图
CD4017的1端,3端,4端,7端,10端接显示部分。
由于4017输出的电流较小,无法驱动LED放光,其输出的电流经过三极管放大后可以驱动LED发光。
当CD4017的管脚1为高电平的时候,它将会关闭上面的三级管9012同时开启驱动LED4的三级管9013,而其它的三极管保持关闭状态,只有LED4亮,显示的点数是1,连接管脚1的是一个10k的电阻网络,它们所产生的分压作用会对驱动LED4的三级管基极电压产生影响。
由于一个三级管所需要的开启电压仅为0.6V,此电路的设计对于开启电压留有足够的裕量,三极管仍然会导通。
功能说明
本设计电路是一个电子色子,LED在电路板上的位置和真实的色子不同,当开关闭合时,这些LED就会向真的色子那样一遍一遍的翻转起来,当开关断开时,LED就会立即停止翻转,并显示某一点数。
5单元电路的设计
5.1脉冲电路
由555定时器构成的多谐振荡电路可以产生矩形波。
555电路的结构组成和工作原理
1)电路组成及其引脚
图5-1555电路结构
图5-2555定时器引脚图
它含有两个电压比较器,一个基本RS触发器,一个放电开关T,比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压,它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为
和
。
C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过
时,触发器复位,555的输出端3脚输出低电平,同时放电,开关管导通;当输入信号自2脚输入并低于
时,触发器置位,555的3脚输出高电平,同时放电,开关管截止。
是复位端,当其为0时,555输出低电平。
平时该端开路或接
。
Vco是控制电压端(5脚),平时输出
作为比较器A1的参考电平,当5脚外接一个输入电压,即改变了比较器的参考电平,从而实现对输出的另一种控制,在不接外加电压时,通常接一个0.01
的电容器到地,起滤波作用,以消除外来的干扰当T导,以确保参考电平的稳定。
T为放电管,通时,将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。
(2)555电路的引脚功能
触发
阈值
复位
IS
放电端
输出
>
H
导通
L
H
原状态
×
H
截止
H
×
×
L
导通
L
由555定时器组成的多谐振荡器如图5-4所示
图5-4555定时器构成的振荡电路
设电容的初始电压Uc=0,t=0时接通电源,由于电容电压不能突变,所以高、低触发端VTH=VTL=0<1/3VCC,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,R-S触发顺保持状态不变。
所以0 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。 t1 Uc按指数规律下降,当Uc<2/3VCC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。 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)C㏑2≈0.7(R1+R2)C;放电时间T2=R2C㏑2≈0.7R2C;矩形波的振荡周期T=T1+T2=㏑2(R1+2R2)C≈0.7(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)/(周期T)。 5.2计数显示部分 IC2是十进制分配集成电路,犹豫期复位端R接有C3,R6微分电路,在通电开始进行清零。 平时,按钮处于断开状态,故虽有时钟脉冲输入,但由于IC2接地回路不通,故发光二极管不亮。 当掷骰子时,CD4017的接地回路接通LED0-7中的一个发光点亮,与此同时,因VT1饱和导通,其集电极的电压仅为0.3V左右,即时,集成电路555的强制复位端4脚的电压低于0.4V,使电路处于复位状态,振荡终止,555不再有脉冲输出,从而使CD4017输出高电平保护不变,与之相连的LED点亮,按LED1-10顺序编成1-10的数字,依据参加游戏者按钮,即可决定谁胜谁负。 图5-5计数显示部分电路图 6硬件的制作与调试 6.1硬件的制作 电子电路要达到设计要求,不仅取决于电路原理图的正确设计,而且还与电路安装的合理性密切相关。 本设计电路的电路板选取15cm*9cm的电路板,在此电路电路板焊接此电路空间足够大。 在布放元器件时,采用了先布放高度低的元件,这样有利于焊接的方便。 元件大都布放在电路板的中间位置,且比较分散,有利于发热元器件的散热。 相关电路部分就近安放,避免了走远路,绕弯子。 元件在焊接过程中,距离较近的元件直接用锡连接了起来,距离较远的元件用导线连接。 焊接时,触点需要连接导线的地方锡用的比较多点。 最后焊上电池盒,检查电路是否焊接错误,安上2个串联的4节5号电池盒,输出12v电压。 6.2电路的调试 把电子元器件连接起来,实现特定功能的关键一步是调试。 在电路通电之前我们对电路进行了细致的检查,我们比照原电路图检查一个元部件,看元器件是否正负极焊接反向; 在通电后,我们发现只有1个LED都亮,而且隔一段时间亮,经过查阅资料和请教老师与同学后我们发现是波产生的频率太快了,找到问题后,我们把电位器rp1的阻值调成了50k,换成后通电,LED正常显示起来。 总结 经过一个星期的努力研究,每一次突破,都给我们带来喜悦。 最终我们小组获得成果,一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。 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。 在这次设计过程中我们遇到很多麻烦,但我们不抛弃不放弃,依然潜心专研,团结合作。 通过这次课程设计,我对数字电子技术有了更深的理解,巩固了我以前所学的数字技术知识,让我深深地体会到了团队的共同协作的重要性,也使我认识到自己的动手能力和解决问题的能力急需提高。 参文献考 [1]江晓安董秀峰.模拟电子技术第三版[M].西安: 电子科技大学出版社.2008.3 [2]江晓安董秀峰张军杨颂华.数字电子技术第三版[M].西安: 电子科技大学出版社.2008.6 [3]陈明义电子技术课程设计实用教程第三版[M].长沙: 东南大学出版社.2009. 附录1: 总体原理电路图 附录2: 元器件清单 序号参数数量 NO.1RP1电位器510k1个 NO.2电阻20k1个 NO.3电阻100k NO.4电阻10k2个 NO.5电阻1k1个 NO.6电阻91k1个 NO.7电阻220k1个 NO.8电阻3301个 NO.9电解电容10uF1个 NO.10电容0.01uF1个 NO.11电容0.1uF1个 NO.12电解电容220uF1个 NO.13三极管90131个 NO.145mm放光二极管10个 NO.15YD57-2扬声器1个 NO.16VDW-2CW51-3V二极管1个 NO.17轻触开关1个 NO.18ne555定时器1个 NO.19CD-4017十进制计数器1个 NO.20KD-56020音乐芯片1个 NO.218针插孔1个
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