打老鼠课程设计
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0 太原科技大学电子技术课程设计

电子课程设计

—“打老鼠”游戏电路

学院:电子信息工程

专业﹑班级:

姓名:

学号:200715020110

指导教师:

2009年12

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目录

一. 设计任务与要求 „„„„„„„„„„„„„„„第3页

二. 总体框图 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 第3页 三. 选择器件„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第4页 1低电平脉冲产生模块所需器件„„„„„„„„„ 第4页

2.游戏者按键模块所需器件„„„„„„„„„„„第5页

3. 计数器电路需要的器件„„„„„„„„„„„„第9页

4. “老鼠”出现模块所需器件„„„„„„„„„„第13页

四. 功能模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„第15页

1. 低电平脉冲模块„„„„„„„„„„„„„„第17页

2. “老鼠”出现模块„„„„„„„„„„„„„第18页

3. 玩家按键模块„„„„„„„„„„„„„„„第20页

4. 计数模块„„„„„„„„„„„„„„„„„第21页

五. 总体设计电路图„„„„„„„„„„„„„„„ 第22页

1. 总原理框图„„„„„„„„„„„„„„„„第22页

2. 总电路图„„„„„„„„„„„„„„„„ 第23页

3. 总电路功能实现„„„„„„„„„„„„„第24页

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“打老鼠”游戏电路

“打老鼠”游戏在市场上已有很好的推广,深受小朋友们的喜爱,它不仅能作为一种人们喜欢的小游戏,而且还能锻炼人们的反应能力与反应速度,制作“打老鼠”游戏电路的方法有很多,今天我用数电知识模拟实现“打老鼠”游戏电路。

一、 设计任务与要求

1. 设计任务:设计模拟“打老鼠”游戏电路。

2. 设计要求如下:

(1)两人游戏,一人控制四个按键开关。

(2)一人随机控制四个开关,用发光二极管或者灯泡作为“老鼠”,当这个人随机闭合一个开关时,灯亮一秒钟后自动熄灭。由定时器555组成的单稳态实现灯亮一秒钟电路,控制R1,C1的值,满足1.1*R1*C1=T;T为“老鼠”出现时间。

(3)令一人打“老鼠”,在灯亮的一秒钟内,打到“老鼠”闭合打到老鼠的开关则得一分,没有在灯亮的时间内闭合打到老鼠的开关则不得分。计数器不工作,保持原来的状态。

(4)当在老鼠出现的时间里,闭合打到老鼠的开关则算为得一分使计数器加一,没有闭合打到老鼠的开关则不得分,计数器不加分。

二、 总体框图:

打老鼠游戏总体框图如图1所示:

图1 “打老鼠”游戏电路总体框图

1. 低电平脉冲发生器模块:

用普通开关按钮作为随机按键,由一人随机控制这部分按键,使“老鼠”无规律的出现。并有此模块产生一小段低电平脉冲,让这一段脉冲激发下一模块老鼠出现电路的老鼠出现。

2. “老鼠”出现电路模块:

方案一:用定时器555组成单稳态电路,来控制“老鼠” 出现的时间,这里我们要老鼠出现1秒钟,调节R1,C1的值,根据公式1.1*R1*C1=T,T 为老鼠出现的时间,这里只要R1=1M,C1=1uF,即可满足要求,随着游戏难异程度的改变,我们可以调节老鼠出现的时间 。

方案二:用门电路组成的单稳态触发器,由或门,非门,电容,电阻组成的单稳态来控制老鼠出现的时间。

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3. 玩家按键模块:

就是要在“老鼠”出现的时间内,打中老鼠,这里用开关准确闭合来作为打中老鼠,每个开关对应一个相应的“老鼠”,当“老鼠”出现时,闭合与这个“老鼠”对应的开关,才算打中,此时由此模块和老鼠出现电路共同产生一个下降沿脉冲,使下一个计数器开始计数,否则为没有打中,计数器不工作。

4. 计数器功能模块:

当“老鼠”出现,并正确打中这只老鼠的情况下“老鼠”出现电路与要求按键电路共同作用下将会产生一个下降沿脉冲信号,使计数器工作,并加一,如果没有打中则计数器不加一,保持原来的状态。

三、选择器件:

本实验所需器件如表1所示:

表1 本实验所需器件表

下面对器件作具体说明:

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1. 单刀单掷开关如图2所示:

J1Key = Space

图2 单刀单掷开关

2. 两输入与门74LS08N

(1)与门逻辑符号如图3所示:

图3 与门逻辑符号

(2)74LS08内部结构如图4

所示:

图4 74LS08内部结构

(3)74LS08

管脚图如图5所示:

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图5 74LS08管脚图

(4)与门波形图如图6所示:

图6 与门波形图

(5)与门逻辑功能表如表2所示:

表2 与门逻辑功能表

逻辑功能:

当两个输入端A=0,B=0时,输出端Y 为低电平0,即Y=0;

Y A B =⋅

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当两个输入端A=0,B=1时,输出端Y 为低电平0,即Y=0; 当两个输入端A=1,B=0时,输出端Y 为低电平0,即Y=0; 当两个输入端A=1,B=1时,输出端Y 为低电平1,即Y=1;

即只要两个输入端A 、B 的输入电平有一个是低电平0,输出端Y 即为低电平0。只有A 、B 的输入电平全为1,输出端Y 才为高电平1。

3. 或门是指能够实现或逻辑关系的门电路。或门具有两个或多个输入端,一个输出端。

(1)或门逻辑符号如图7所示:

图7 或门逻辑符号

或门的输出与输入之间的逻辑关系用逻辑表达式表示为:

Y =A +B

(2)74LS32内部结构如图8所示:

图8 74LS32内部结构图

(3)74LS32管脚如图9所示:

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图9 74LS32管脚图

(4)或门电路的真值表如表3所示

表3 或门真值表

由此可见,或门的逻辑功能是,输入有一个或一个以上为高电平时,输出就是高电平;输入全为低电平时,输出才是低电平。

(5)或门的波形如图10所示:

图10 或门波形图

(6)本实验用的四输入或门,原理相近。

四输入或门逻辑符号如图11所示:

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图11 或门逻辑符号

4. 同步十进制计数器

(1)74LS160 结构如图12所示:

U1

74LS160N QA QB QC QD RCO A B C D ENP

ENT CLK

~CLR~LOAD

图12 74LS160结构图

(2)74LS160内部原理图如图13所示:

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图13 74LS160内部原理图

(3)简要说明: 160为可预置的十进制计数器,共有54/74160 和54/74LS160 两种线路结构型式, 其主要电器特性的典型值如表:(不同厂家具体值有差别):

74LS160的主要电器特性如表4所示:

表4 74LS160 静态动态参数表

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(4)74LS160外部管脚图如图14所示:

图14 74LS160管脚图

管脚说明:

CP :时钟输入端,上升沿触发;

D0~D3:预置数据输入端;

LD :同步预置数据控制端,当LD=0且来时钟时,Q3Q2Q1Q0

置成D3D2D1D0的状态;

RD :异步清零端,当RD=0时,马上把 Q3Q2Q1Q0清成0态;

ET 、EP :工作状态控制端;

C :进位端,对74LS160,当计至1001时,C=1;

对74LS161,当计至1111时,C=1

(5)状态图如图15所示:

图15 74LS160状态图

异步清零端/MR1 为低电平时,不管时钟端CP 信号状态如何,都可以完成清零功能。

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160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时,在CP 上升沿作用下,输出端Q0-Q3与数据输入端P0-P3一致。对于54/74160,当CP 由低至高跳变或跳变前,如果计数器控制端CEP 、CET 为高电平,则/PE应避免由低至高电平的跳变,而54/74LS160无此种限制。

160的计数是同步的,靠CP 同时加在四个触发器上而实现的。

当CEP 、CET 均为高电平时,在CP 上升沿作用下Q0-Q3同时变化,从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于54/74LS160的CEP 、CET 跳变与CP 无关。 160有超前进位功能。当计数溢出时,进位输出端(TC )输出一个高电平脉冲,其宽度为Q0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54/74LS160,在CP 出现前,即使CEP 、CET 、/MR发生变化,电路的功能也不受影响。

(6)74LS160功能表:

表5 74LS160功能表

5.555定时器介绍: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 4.5V~16V 工作,7555 可在 3~18V 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。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。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13

CC V 和 23CC V 。 555电路的工作原理

555电路的内部电路方框图如图16所示,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5K Ω的电阻器构成分压,它

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们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为23CC V 和13

CC V 。A1和A2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23

CC V 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13

CC V 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VCC 。Vc 是控制电压端(5脚),平时输出23

CC V 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0.01uf 的电容器到地,起滤波作用,以消除外来的干扰,以确保参考电平的稳定。T 为放电管,当T 导通时,将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

(1)555定时器内部框图如图16所示:

图16 555定时器内部框图

(2)555定时器单稳态触发器电路图及波形如图17所示:

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图17 555单稳态触发器电路及波形图

(3)555定时器管脚如图18所示:

图18 555定时器管脚图

管脚说明:

1脚:GND(或Vss) 外接电源负端VSS 或接地,一般情况下接地。

8脚:VCC(或VDD) 外接电源VCC ,双极型时基电路VCC 的范围是4.5~16V ,CMOS 型时基电路VCC 的范围为3~18V 。一般用5V 。

3脚:OUT (或V o )输出端。

2脚:TR 低触发端。

6脚:TH 高触发端。

4脚:R 是直接清零端。当R 端接低电平,则时基电路不工作,此时不论

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TR 、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:CO(或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:D 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。电阻分压器由三个5k Ω的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参

考电压,比较器C1的参考电压为2

3

CC V ,加在同相输入端,比较器C2的参考电

压为1

3

CC V ,加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。

高电平触发信号加在C1的反相输入端,与同相输入端的参考电压比较后,其结果作为基本RS 触发器R 端的输入信号;低电平触发信号加在C2的同相输入端,与反相输入端的参考电压比较后,其结果作为基本RS 触发器S 端的输入信号。基本RS 触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。 (4)555定时器功能表:

表6 定时器555功能表

6. 集成数码管: 逻辑符号如图19所示:

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EX

图19 集成数码管

逻辑功能:显示数字,由于其内部已经集成了译码器,因此是管脚变得给为简洁实用。

四、功能模块

1. 低电平脉冲产生模块

(1)低电平脉冲产生如图20所示:

图20 低电平脉冲产生图

(2)产生低电平脉冲如图21所示:

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图21 低电平脉冲产生图

当开关A 断开时,处于高平,再将开关打开形成一个低电平脉冲,传给555单稳态电路。

2. “老鼠”出现模块

方案一:单稳态电路如图22所示:

图22 555定时器组成单稳态电路

触发前:触发端VI 为高电平,比较器1输出高电平;比较器2也输出高电平,输出端输出V0低电平放电管导通,VC1为0; 触发时:幅度低于13

CC V 23CC V 的窄脉冲触发信号加在触发端,比较器2输出低电平,锁存器置1,关闭放电管,输出端V0输出高电平,电源通过电阻向电容C1充电,VC1电压指数增加,暂稳态开始。

经过一个小的时间延迟,触发信号消失,触发端为高电平,比较器2输出高电平。

暂稳态结束时:VC1达到23

CC V ,比较器1输出低电平,输出端输出低电平,放电管导通,电容C1通过放电管放电,当VC1电压低于23

CC V 时,比较器1输出高电平,恢复触发前的状态。

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输出脉冲宽度:电容电压VC1从0V 增加到23

CC V 需要的时间。根据充电初值VC1(0)=0V,充电终值VC1(∞)=VCC,时间常数是R1C1。可以得到VC1达到23

CC V 的脉冲宽度TW 为:

11111() (0)ln 2() 3

C C W C CC V V T R C V V ∞-=∞-=1.1R1C1; R1=10M,C1=1uF;

通常R1的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间,电容的取值范围为几百皮法到几百微法,TW 的范围为几微妙到数小时,但是时间越长,定时精度越差,主要原因是电容漏电。

方案二:微分型单稳态电路如图23所示:

图23 微分型单稳态触发器

此方案由于仿真过程中不是很稳定,只作为参考不做讨论。

仿真结果如图24所示:

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图24 仿真结果

当低电平产生模块产生一个地电平时,555开始工作,并在输出端产生一个高电平脉冲信号,由电阻R1和C1来控制高电平的时间。

3. 游戏者按键模块

游戏者按键如图25所示:

图25 游戏按键图

当“老鼠”出现时,由老鼠出现模块生成高电平,传到游戏者按键模块,当选手闭合开关时两个经过一个与门生成一个地电平,若游戏者没有闭合开关则经过一个与门生成一个高电平。

打中老鼠如图26所示:

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图26 打中老鼠形成的脉冲图

1. 计数器模块

计数器如图27所示:

图27 计数器

由两个74ls160组成的同步加法计数器,下降沿触发,当由游戏者按键模块传来高电平的时候,计数器不工作,也就是玩家没有打中老鼠,当传来低电平时,

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低位计数器开始工作,低位计数器由原来的0000一直到1001时,当低位计数器加到1001的时候,低位输出进位端变成1,输到高位的使能端,高位计数器开始工作,当下一个CP 脉冲过来的时候,低位计数器显示0,高位计数器显示1,不停地重复上述过程直到游戏结束。

五. 总体设计电路图

一、总体电路原理图:

总体电路原理如图28所示:

图28 总体电路原理图

低电平脉冲发生器,使用开关来实现的,并能随机的使“老鼠出现”,当低电平脉冲发生器产生低电平信号时,传给老鼠出现电路,老鼠出现电路是用555组成的定时器单稳态电路,当给它一个低电平信号时,555定时器开始工作并产生一个可控制时间的高电平信号,高电平控制时间由555中的电阻R1和C1来决定的可以任意改变老鼠出现的时间,改变游戏的难易程度,当“老鼠”出现电路产生的高电平时,如果玩家按键模块产生一个低电平的时候在经过一个与门输出一个低电平就算玩家打中老鼠,并使后面的计数器加1,当两者经过与门产生一个高电平的时候计数器保持原来的状态,计数器是由74ls160组成的同步加法计数器,当过来一个下降沿时计数器就开始工作。

二. 实验电路图:

(1)实验电路图

实验电路如图29所示:

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图29 实验电路图

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(2)仿真结果

实验结果仿真如图30所示:

图30 实验仿真结果图

三、总结

打开电源,保持开关断开,随后把开关闭合,保持两秒钟后断开开关,这时看见“老鼠”出现,即我们所用的灯亮,这时由玩家开始打老鼠,玩家在灯亮的一秒钟内闭合开关,则看到计数器加一,若没有在一秒钟内闭合开关则计数器没有工作。一秒钟后灯自动熄灭,由另一人在随机控制那个灯亮。游戏完成。在数字实验箱上验证了所设计的电路的功能,实验结果和模拟仿真的差不多,但开关只能用点触来实现,可能是不太稳定,计数器不是很规律的加一. 当经过这次课程设计,获得很多,比平时上课记忆的更深刻,也了解了更多的课外的知识,掌握了当个器件的多种用法。弥补了在实验中的许多漏洞,虽然在设计及仿真运行中出现过许多问题,但通过老师的指导、同学的帮助,问题都得到了解决,最终完成设计要求。