2020年數電課設LED猜盤游戲分析方案

數電課設LED猜盤

游戲分析方案

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課程設計說明書

課程設計名稱：脈沖數字電路課程設計

課程設計題目：LED猜盤游戲

學院名稱：信息工程學院

專業：電子信息工程班級:

學號：姓名：

評分：教師：

2011月27日

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脈沖數字電路課程設計任務書

一第二學期第周一旦周

題目LED猜盤游戲

內容及要求

系統有10個LED組成輪盤，開始前，先猜測某個LED,然后

按下按鈕，LED高速旋轉，然后速度逐漸變慢，最后停下，若最后

停在所猜測的LED燈上，則為贏。

進度安排

1)10月8至9日確定工程、方案，并設計出原理圖

2)10月10日進行仿真調試，并將工作原理圖交由老師審批

3)10月11日領取元器件并開始焊接

4)10月14至15日進行調試

5)10月17日上交作品

學生姓名：

指導時間10月11至15日指導地點：

任務下達2012年10月8日任務完成2012年10月17日

考核方式1.評閱□2.答辯□3.實際操作口4.其它口

指導教師系〈部)主任

注：1、此表一組一表二份，課程設計小組組長一份；任課教師授

課時自帶一份備查。

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2、課程設計結束后與“課程設計小結”、“學生成績單”一

并交院教務存檔。

摘要

轉盤游戲是一種特別有意思的游戲，它突出了事件的隨機

性，人們根據這種不確定性事件的等可能發生性進行猜測，然后

經過轉盤開始旋轉直至停下，來驗證猜測是否準確。近年來，

由簡單的猜盤逐漸發展到益智轉盤游戲、猜獎、老虎機等等不

同形式，廣受大家的喜愛。因此，本次課程設計采用數字電路知

識，利用時鐘振蕩脈沖進行計數并控制發光二極管的亮滅來簡單

實現轉盤游戲的功能。

本次設計中，采用兩片NE555芯片以及一片CD4017脈沖

分配器來完成設計要求。該方案利用NE555定時器構成單穩觸

發器和多諧振蕩器，構成時鐘脈沖發生電路模塊，CD4017實現

時序分配模塊，LED實現顯示模塊。時鐘振蕩電路控制脈沖信號

的時間長短和頻率，送入CD4017實現對脈沖信號的分配，出現

的與時鐘同步的高電平控制LED的亮滅，在指定的時間范圍內使

高速旋轉的LED停止在某一盞燈上。

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關鍵詞：LED猜盤游戲，NE555,CD4017,時鐘振蕩脈沖，時

序分配

目錄

第一章設計的目的及要求

1.1設計目

的.......................................................

.................................................1

1.2設計要

求.......................................................

第二章方案比較及確定

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2.1設計要求分

析.......................................................

...................................2

2.2方案比

較.......................................................

....................................................2

2.2.1方案

??2

2.2.2方案

??4

2.2.3方案

...............................5

2.3方案確

定.......................................................

....................................................6

第三章系統組成及工作原理

3.1系統構

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成.......................................................

....................................................7

3.1.1時鐘脈沖發生

端.......................................................

?7

3.1.2時序分配

端.......................................................

...................7

3.1.3顯示

端.......................................................

....................................8

3.2工作原

....................................................8

3.3參數計

算.......................................................

....................................................9

第四章器件選擇

4.1

NE555.......................................................................................................

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.........................................................10

4.2

CD4017

13

4.3

LED???

.............................................................................14

第五章系統調試及測試結果分析

5.1系統調

試.......................................................

....................................................15

5.1.1仿真調

I式.......................................................

............................15

5.1.2實物調

試.......................................................

............................15

5.2焊接及結果分

析.......................................................

............................16

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結

論.......................................................

......................................................................................................17

參考文

獻.......................................................

......................................................................................18

附錄

......................................................................................19

附錄

.............................................................................................20

第一章設計目的及要求

1.1設計目的

（1）學會并掌握脈沖數字電路設計的基本方法

（2）能運用NE555計時器、CD4017脈沖分配器實現LED

轉盤游戲的設計

（3）掌握焊接的基本要領

1.2設計要求

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系統有10個LED組成輪盤，開始前，先猜測某個LED,然后

按下按鈕，LED高速旋轉，然后速度逐漸變慢，最后停下，若最

后停在所猜測的LED燈上，則為贏。

第二章方案比較及確定

2.1設計要求分析

1.系統組成

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1）時鐘脈沖發生端

2）時序分配端

3）功能顯示端

2.系統框圖

nrD

-----------☆?口①-----------

,單穩態觸----------x多諧振蕩器

最后隨機—LED高＜--------

圖2.1系統框圖

2.2方案比較

眾所周知，要實現具有一定功能的電路，能夠采取多種不同

的方案。在眾方案中，應力求選擇一種最簡單、實用、穩定性好

而且較為經濟的方案。

同理，實現該設計要求能夠運用很多種方法，本文僅列舉出

其中三種進行比較，比較方案如下：

2.2.1方案一

本電路包括四部分:

1.單穩態電路

2.多諧振蕩器

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3.時序分配電路

4.顯示模塊

第一部分采用CD4011與非門構成的單穩態電路?！慈鐖D

2.2.1.1所示）

第二部分采用NE555構成多諧振蕩器。

第三部分采用CD4017實現脈沖分配。

第四部分采用LED燈實現結果的顯示。

圖2.2.L1由CD4011的兩個與非門構成的單穩態電路原理圖

仿真圖如圖2.2.1.2所示:

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09

08

07

06

05

04

03

02

01

00

圖221.2方案一實現功能仿真圖

2.2.2方案二

本電路包括三部分:

1.單穩態電路

2.多諧振蕩器

3.時序分配電路

4.顯示模塊

第一部分采用NE555構成單穩觸發器。

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第二部分采用由晶體管構成的多諧振蕩器。＜如圖2.2.2.1

所示）

第三部分采用CD4017實現脈沖分配。

第四部分采用LED實現結果顯示。

圖2.221晶體管構成多諧振蕩器原理圖

仿真圖如圖222.2所示

LHD3

3二二

LED5

LHD6

LEDXO^￡<

圖2.222方案二實現功能仿真圖

2.2.3方案三

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本電路包括三部分：

1.單穩態電路

2.多諧振蕩器

3.時序分配電路

4.顯布模塊

第一部分采用NE555構成單穩觸發器。＜如圖2.2.3.1所

示）

第二部分采用NE555構成的多諧振蕩器。

第三部分采用CD4017實現脈沖分配。

第四部分采用LED實現結果顯示。

圖223.1由555構成的單穩態電路

仿真圖如圖223.2所示

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圖223.2方案三實現功能仿真圖

2.3方案確定

能夠看出，三種方案的脈沖分配端以及結果顯示端是一樣

的，差別在于脈沖發生端的設計。方案一電路采用CD40U的兩

個與非門實現單穩觸發器電路，基本實現了讓LED燈高速旋轉直

至停在某一盞燈上的功能，可是當按下B鍵時，所產生的脈沖信

號不穩定，致使后面的電路無法有規律地變化，而是雜亂無章

的。同時該電路缺乏有效的時間控制，使后面LED燈的亮暗時間

不固定。經過仿真能夠知道，該電路能夠實現LED燈的旋轉，可

是有時會停在兩盞燈上，因此不可靠。方案二中，采用兩個三極

管實現多諧振蕩，也能夠基本實現功能，可是其隨機性太強，不

易控制時間，而且，三極管是怕熱元器件，與NE555插槽相比，

其焊接技術要求更高。方案三中只用了兩個NE555即可構成脈沖

發生端，電路比較常見，使用廣泛，穩定性及可控性都較強，其

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焊接要求也比較低。可見，三種方案中方案三設計比較合理，且

價格比較低廉，因此采用方案三作為本次的原理設計方案用以實

現LED轉盤游戲。

第三章系統組成及工作原理

3.1系統組成

3.1.1時鐘脈沖發生端

用兩片NE555分別實現單穩觸發器和多諧振蕩器即可實現時

鐘脈沖發生端。該部分是成功實現設計要求的關鍵所在。如圖

3.1.1所示。

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圖3.1.1

3.1.2時序分配端

U3

09

08

07

06

05

04

03

02

01-T5------------"

00=>13------------

-PJ-----------------------------

-------------4017BP_5V

圖3.1.2

圖3.1.2所示是用CD4017十進制計數器，作為十分頻來使

用，實現脈沖分配的功能。

3.1.3顯示端

由十個LED燈組成。十個LED燈依次接收由CD4017十分頻

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模塊輸入的脈沖而依次閃亮，且在可控時間內停在某盞燈上。模

塊設計圖如圖3.1.3所示。

圖3.1.3結果顯示端

3.2工作原理

按照本次設計的要求，設計的工作原理圖如圖3.2所示:

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圖3.2工作原理圖

系統包括三部分：

1.單穩態電路：采用NE555構成單穩觸發器。

2.多諧振蕩器：采用NE555構成的多諧振蕩器。

3.時序分配電路：采用CD4017實現脈沖分配。

4.顯示模塊：采用LED實現結果顯示。

系統電路如圖3.2所示，用5V直流穩壓電源供電，555在

開關的啟動下產生漸慢脈沖作用下驅動10個LED循環發光，循

環轉動，最后速度變慢，然后逐漸停止。

3.3參數計算

<1）計算單穩觸發器周期的公式：Tw句.IRC

當調動滑動變阻器為Rl=50kQ時，得

Tw-1.1RC=l.l*50kQ47uf=2.6s

<2）計算多諧振蕩器周期的公式：

Tw-0.7*<R3+2R4）*C3

止匕處R3=4.7kQR4=100kQC3=100nf

Tw~0.7*<4.7kQ+2*100kQ)*100nf=0.014s

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第四章器件選擇

本次設計中，運用到了NE555芯片，CD4017芯片、LED燈

以及電阻、電容、導線若干。

4.1NE555

1.NE555簡介

555定時器是一種模擬-數字混合式集成定時器，555定時器

成本低，性能可靠，外接幾個電阻、電容，就能夠實現多諧振

蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路，在

工業控制等方面也有很廣泛的應用。它的內部結構圖以及管腳圖

如圖4.1.1所示。

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圖4.1.1NE555內部結構圖以及管腳圖

它內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯電阻，一個RS

觸發器，一個放電管T及功率輸出級。它提供兩個基準電壓

VCC/3和2VCC/3。

555定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸

出電壓控制RS觸發器和放電管的狀態。在電源與地之間加上電

壓，當5腳懸空時，則電壓比較器C1的同相輸入端的電壓為

2VCC/3,C2的反相輸入端的電壓為VCC/3。若觸發輸入端

TR的電壓小于VCC/3,則比較器C2的輸出為0,可使RS觸

發器置1，使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于

2VCC/3,同時TR端的電壓大于VCC/3,則C1的輸出為0,

C2的輸出為1,可將RS觸發器置0,使輸出為0電平。

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NE555的各個引腳功能如下：

1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。

8腳：外接電源VCC,雙極型時基電路VCC的范圍是4.5V

至16V,CMOS型時基電路VCC的范圍為3V至18V,一般用

5Vo

3腳：輸出端Vo。

2腳：低觸發端。

6腳：TH高觸發端。

4腳：是直接清零端。當端接低電平，則時基電路不工作，

此時不論、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時

應接高電平。

5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內部

兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只

O.OlpiF電容接地，以防引入干擾。

7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電

容的放電。

2.NE555的應用

1.NE555構成單穩觸發器（如圖4.1.2所示）

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(a)單穩態觸發電路(b)工作波彩.，

圖4.1.2

單穩態觸發器只有一個穩態狀態。在未加觸發信號之前，觸

發器處于穩定狀態，經觸發后，觸發器由穩定狀態翻轉為暫穩

狀態，暫穩狀態保持一段時間后，又會自動翻轉回原來的穩定

狀態。單穩態觸發器一般用于延時和脈沖整形電路。

接通電源后，未加負脈沖，而C充電,Vc上升，當Vc上升到

2/3Vcc時，電路輸出為低電平，放電管T導通，C快速放電，

使Vc=O。這樣，在加負脈沖前，為低電平，Vo=0,這是電

路的穩態。在1=4時刻負跳變，而Vc=O,因此輸出翻為高電

平，T截止，C充電。按指數規律上升。t=tl時，負脈沖消

失。t=t2時，上升到2/3Vcc,又自動翻為低電平。在這段時間

電路處于暫穩態。t>t2,T導通，C快速放電，電路又恢復到穩

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態。由分析可得：輸出正脈沖寬度tw=1.1RC。經過改變R、C

的大小，可使延時時間在幾個微秒和幾十分鐘之間變化。

2.NE555構成多諧振蕩器

其電路及波形圖如圖4.1.3所示.

圖4.1.3

多諧振蕩器又稱為無穩態觸發器，它沒有穩定的輸出狀態，只

有兩個暫穩態。在電路處于某一暫穩態后，經過一段時間能夠

自行觸發翻轉到另一暫穩態。兩個暫穩態自行相互轉換而輸出

一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發生器。

接通電源后，假定是高電平，則T截止，電容C充電。充電回

路是VCC—R1—R2—

C—地，按指數規律上升，當上升到時＜TH、端電平大于）,輸

出翻轉為低電平。是低電平，T導通，C放電，放電回路為C—

R2—T—地，按指數規律下降，當下降到時＜TH、端電平小

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于)，輸出翻轉為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如

此周而復始，產生振蕩，經分析可得

輸出高電平時間T=(Rl+R2>Cln2

輸出低電平時間T=R2Cln2

振蕩周期T=(Rl+2R2>Cln2

輸出方波的占空比為：

D_tpH_R1+%

"^fRi+2R?

4.2CD4017

CD4017：十進制計數器/脈沖分配器。其內部電路如圖

4.2.1所示。

CD4017是5位Johnson計數器，具有10個譯碼輸出端，

CP、CR、INH輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發器具有脈沖整

形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制。INH為低電

平時，計數器在時鐘上升沿計數；反之，計數功能無效。CR為

高電平時，計數器清零。Johnson計數器，提供了快速操作、2

輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。防鎖選通，保證了正確的計

數順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對應時鐘周期內保持

高電平。在每10個時鐘輸入周期CO信號完成一次進位，并用

作多級計數鏈的下級脈動時鐘。如圖4.2.2。

該模塊構成分頻電路。CD4017,其內部由計數器及譯碼器兩

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部分組成，由譯碼輸出實現對脈沖信號的分配，整個輸出時序就

是00、O1、0209依次出現與時鐘同步的高電平，寬度等

于時鐘周期。

CD4017的管腳圖如圖4.2.3所示。

CO：進位脈沖輸出；CP：時鐘輸入端；CR：清除端；

INH：禁止端

Q0-Q9計數脈沖輸出端；VDD：正電源；VSS：地

輸出高電平的順序分別是⑶、⑵、⑷、⑺、(10)>(1).(5)、

(6)、(9)、(11)腳,這10個管腳依次產生高電平。

f

fMM

nYY

Y,O.

圖4.2.1CD4017內部電路

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輸入輸出

CPINHCRQo-QgCO

XXHQ。計數脈沖

tLL為必-包

計數

HlL時:CO=H

LXL

計數脈沖

XHL

保持為Qs-a

1XL

時：CO=L

XtL

圖4.2.2

CD4017B

VpD

otcooeoOJTFUITwoc

CR

OECODfDOUTPUT1"mn

CP

OECODtOIUTPUTVCLOCK

INHOECOOEOOHWTCLOCK(hAILC

CODFCOOtDOUTFUTVCARRYOUT

DfCQOfDOUWTDECODE。OUIVUTr

Q9

DECODCOOUTPU1TOCCOOBOOUPUT

Q4

V$SOCCOOEOOUPUTr

Q8

CD4017r.i.l|iJm

圖4.2.3CD4017管腳圖

4.3LED

發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導

體器件，它能夠直接把電轉化為光.LED的心臟是一個半導體的

晶片，晶片的一端附著

在一個支架上，是負極，另一端連接電源的正極，整個晶片被

環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型

半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在

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這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間

就形成一個“P-N結”。當電流經過導線作用于這個晶片的時候，

電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以

光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長決

定光的顏色，是由形成P-N結材料決定的。

該模塊接受出自整個電路產生的高電平，由于是分頻器

CD4017產生的高電平，因此10個發光二極管依次接受來自它產生

的高電平，逐一閃亮并循環。但發光二極管亮度和閃光速度受到

前面電路中電阻和電容的影響，能夠自由調節。

第五章系統調試及測試結果分析

5.1系統調試

5.1.1仿真調試

按照工作原理圖，用Multisim進行仿真調試，仿真圖如圖5.1

所示:

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圖5.1.1仿真圖

用Multisim仿真軟件運行圖5.1.1所示的原理圖，閉合開關，

LED燈將依次亮起來，并最終停下。調試時，根據現象適當調節

參數。

5.1.2實物調試

<1）儀器

示波器、直流穩壓電源、萬用表

<2）調試方法

將電路板接上5V電源之后測試555芯片能否正常工作。

將第一片555芯片的輸出端接在示波器上，觀察示波器波形若

出現不穩定的脈沖，說明單穩態電路工作正常；若不是，則說明

單穩態電路不正常工作。

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將第二片555芯片的輸出端接在示波器上，觀察示波器波形

若出現方波波形，說明多諧振蕩電路工作正常；若不是，則說明

多諧振蕩電路不正常工作。

<3）調試現象

將連接好的555定時器的輸出端接在示波器上，呈現如圖

5.1.2所示符合要求的方波。

圖5.L2555定時器輸出波形

說明兩片555芯片工作正常。LED燈輪流亮燈，說明CD4017正

常工作。

5.2焊接及結果分析

焊接：

<1）焊接前

設計好各個元器件在電路板上的位置，即排版，并畫好排

版草圖。領元器件，并檢查所需各元器件是否齊全。

<2）焊接是很重要的一步，它直接決定設計的成敗。因此，焊

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接時須格外小心。按照草圖上面設計的排版，將各個元件及管

腳焊在電路板上，焊接時應注意方法，避免虛焊。

<3）檢查電路，看其連接是否與工作原理圖一致。若不一致，

則加以修正；若一致，則可將電路的正負極接5V直流穩壓電

源。

結果分析：

<1）調試過程中只出現一盞燈亮，并未達到燈輪流高速旋轉

的目的，經萬用表蜂鳴檔檢查斷路和短路現象，均正常，將13

管腳所接電容斷路，LED燈開始旋轉，說明CD4017的13管腳

需要直接接到地。

<2）將所有器件安裝、焊接及用導線連接好后，接通電源，

只有電路板上其中的一個定義為指示燈的LED燈能亮，其它燈

沒有反映，故不能實現功能，經過仔細檢查，所有線路沒有錯

誤，可是CD4017芯片沒有接電源，導致芯片CD4017不能正常

工作。

<3）單穩態電路的電阻阻值調的不恰當使燈旋轉的時間很

短，致使LED燈的旋轉圈數很少，調整滑動變阻器阻值使時間

值達到一個合適值，效果還比較滿意。

結論

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經過本次的課程設計，學到了很多的東西。在上個學期的脈

沖數字電路課程中，對知識的把握不是很好。因此，選擇課程設

計題目的時候，有點犯難，感覺每個題目都沒多大把握。當看到

“LED轉盤游戲”這個標題時，一股新奇感促使了這個設計的進

行。選定題目后，接下來的工作讓人感覺壓力很大。雖然網上以

及書籍中，都有與本設計有關的內容，但這卻無