电骰子的设计与制作(电子电工课设)

摘要

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，电子产品已经成为当今生活应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握电子产品的开发技术是十分重要的。 本文针对电子产品中最常见的电骰子的设计与制作提出了两套切实可行的方案，对他们的优缺点进行了分析对比，并对优化方案进行了详细的介绍。在设计部分，本文着重讲述的是用集成芯片实现电骰子的功能。

关键词：脉冲 555定时器 六进制计数器 随机数

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目录

1 内容摘要 3 2 设计内容与要求 3 3 设计思路 4 3.1 系统框图 4 3.2 完整电路图 4 3.3 电路的工作原理 4 4 设计过程 6 4.1 脉冲源 6 4.2 控制电路 10 4.3 显示电路 14 5 组装电路 16

5.1 使用的主要仪器和仪表 16 5.2 调试电路的方法和技巧 16

5.3调试中出现的故障和原因与排除方法 17 6 心得体会 17 7 参考文献 18

8 系统需要的元器件列表 18 9 附表 19

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电骰子的设计与制作

1 内容摘要

此次课程设计的内容是电骰子的设计与制作，这个电路要求按下开关后能从

1-6

随机显示一个数。在设计过程中，显示器采用的是七段共阴极数码管；译码部分采用集成芯片7448；脉冲信号部分原本准备用晶振来做，但实验发现用晶振做的脉冲信号极不稳定，甚至用手碰一下都会影响其频率，后来经过我们组的讨论，一致同意用555定时器连接成的多谐振荡器来做脉冲源，而且事实也证明用555定时器做的脉冲源比用晶振做的稳定性好多了，基本上不受外界的干扰，稳定性极好；控制部分也就是计数器部分是本次课程设计的核心和难点，我们在上面花了大量的时间和精力，可以用集成计数器40192和三输入与非门7410组合控制，也可以集成计数器74161和两输入与非门7400组合控制。同时我们在原有设计电路的基础上做了一定的创新尝试，如用一个开关控制多个数码管分别随机显示一个数，即多个骰子的情况；我们也尝试用单片机做了一下，实验结果也非常令人满意，实验都很成功。最后，我们综合考虑了设计的复杂程度、元器件的价格、是否易于实现以与电路的稳定性等多方面的因素，选择了一种最优的设计方案。在电路实现的过程中，我们吸取了不断接线失败的经验教训，最后终于得以完成接线，完成了本次课程设计的所有内容，同时也受益匪浅，学到了很多经验，我相信这次课程设计肯定会为我们以后的学习和工作奠定坚实的基础。

2 设计内容与要求

2.1 初始条件

（1）利用已学的模拟电路、数字电路以与电路的知识 （2）面包板、万用表、电源、相关元器件、导线等

2.2 要求完成得主要任务

（1）用一个开关代替掷骰子

（2）按下开关则从1-6随机显示一个数 （3）用七段显示点数

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（4）提出两种设计实现方案，并优选方案进行设计

（5）按要求写出详细的设计报告，并计算元件参数，包括选择元件的原理，参数

确定的理论依据与相关的电路图等

3 设计思路

3.1 系统框图

本设计最关键的一是脉冲源的产生，二是循环方式的实现和控制，大致的系统框图

如图3-1所示。

显示器 译码器 计数器 脉冲信号

图3-1 系统框图

3.2 完整的电路图

用集成计数器40192和三输入与非门7410组合控制的完整电路图如图3-2所示。 用集成计数器74161和两输入与非门7400组合控制的完整电路图如图3-3所示。

3.3 电路工作原理说明

如图3-2所示，右侧部分是由555定时器构成的多谐振荡器产生的脉冲源，送到集

成计数器40192使其完成加计数，其输出通过数码管驱动器7448连接到数码管，将数字显示出来，当集成计数器40192计数到“7”时，将其三个高电平输出端通过一个

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图3-2 40192与7410组合控制的完整电路图

图3-3 74161与7400组合控制的完整电路图

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三输入与非门7410反馈到集成计数器40192的异步置数端置“1”完成循环，由于脉冲源的频率较大，肉眼不能识别数码管上的数在不停得从1到6循环，因此可以认为数码管上显示的数是随机数。

如图3-3所示，右侧部分也是由555定时器构成的多谐振荡器产生的脉冲源，送到集成计数器74161使其完成加计数，其输出通过数码管驱动器7448连接到数码管，将数字显示出来，当集成计数器74161计数到“6”时，将其两个高电平输出端通过一个两输入与非门7400反馈到集成计数器74161的同步置数端置“1”完成循环，由于脉冲源的频率较大，肉眼不能识别数码管上的数在不停得从1到6循环，因此可以认为数码管上显示的数是随机数。

4 设计过程

4.1 脉冲源

由于要求骰子掷出后从1-6随机显示一个数，为了实现随机这个功能，脉冲的频率就应该尽可能的大，但也不能太大，因为太大后数码管上将看不到数字在跳动，而是只能看到一个“8”。本方案采用的脉冲频率大约为10，脉冲电路可以由555定时器连接多谐振荡器产生，由于所有的方案都采用一样的频率，所以后面的方案中没有脉冲产电路。555定时器的内部结构和管脚图分别如图4-1和4-2所示。

图4-1 555定时器内部结构

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图4-2 555定时器管脚图

如图4-1所示电路中，4端输入低电平时，基本触发器置“0”，三极管导通；4端

输入高电平时，基本触发器处于正常工作状态，其输出状态取决于C1和C2输出状态的组合。当Q端输出高电平3输出低电平时，晶体管T截止；当Q端输出低电平3输出高电平时，晶体管T导通。

在5端开路或者未加基准电压，4端外加高电平时，C1和C2运算放大器构成的电压比较器的基准电压分别为2/3 和1/3 。若2端的输入信号电压小于1/3 ，则C2运算放大器构成的电压比较器输出电压很低，接近于零点几伏电压（定义为低电平），对基本触发器置“1”；若2端输入信号电压大于1/3 ，则C2运算放大器的输出电压接近于电源电压（定义为该电平）。若6端的输入信号电压小于2/3 ，则C1运算放大器构成的电压比较器输出电压接近于电源电压（定义为高电平）；若6端的输入信号电压大于2/3 ，则其输出电压很低，接近于零点几伏电压（定义为低电平），对基本触发器置“0”。

因此，集成运算放大器的工作状态如下：

（1）同时输出高电平（6端输入小于2/3 ，2端的输入大于1/3 ），将使基本触发器处于保持工作状态。

（2）同时输出低电平（6端输入大于2/3 ，2端的输入小于1/3 ），将使基本触发器处于不定工作状态。这种情况下基本触发器的两个输出端同时输出高电平，晶体管截止。

（3）集成运算放大器的C1输出高电平，C2输出低电平（6端输入小于2/3 ，2端的输入电压小于1/3 ），将使基本触发器处于置“1”工作状态，晶体管截止。

（4）集成运算放大器的C1输出低电平，C2输出高电平（6端输入大于2/3 ，2端

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的输入电压大于1/3 ），将使基本触发器处于置“0”工作状态，晶体管导通。

为保证电路可靠工作，通常应该避免出现同时输出低电平（6端输入大于2/3 ，2端的输入电压小于1/3 ）的工作状态。

若5端外加信号电压，只是使电压比较器的基准电压值发生变化，而其他的工作原理仍然保持上述的基本形式。

555定时器一般情况下具有较强的带负载能力。双极型三极管构成的555定时器输出电流可以达到20。管构成的定时器负载电流在4以下。电源电压范围也较宽，在5到16V之间都可以安全工作。因此，555定时器使用比较灵活，应用范围比较广泛。

用555定时器产生10脉冲电路如图4-3所示。

图4-3 555定时器产生10脉冲电路

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该电路图中引脚3是脉冲的输出端，是5V直流电源的正极。

这是用555定时器构成的多谐振荡器电路产生10脉冲。当电路接通瞬间，C1两端没有存储电荷。两端的电压为零，555定时器的2和6端输入电压为0，即出现6端输入电压小于2/3 ，2端的输入电压小于1/3 的情况，集成运算放大器的C1输出高电平，C2输出低电平，基本触发器置“1”工作状态，输出信号为高电平，使晶体管截止，电源 经R1，R2和C1到公共端对电容C1充电。这种情况一直维持到C1的两端电压略超过2/3 。

当C1的两端电压略超过2/3 时，出现6端输入电压大于2/3 ，2端输入电压大于1/3 的情况，集成运算放大器的C1输出大低电平，C2输出高电平，基本触发器处于清零工作状态，输出信号为高电平，使晶体管导通，电容C1经C1、R2和晶体管T到公共端放电。这种情况一直维持到C1的两端电压略低于1/3 。此后又重新回到上述的充电过程，如此周而复始，形成振荡，产生矩形脉冲波输出。电路的工作波形图如图4-4所示。

图4-4 555定时器构成多谐振荡器的工作波形

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从图4-4所示的工作波形图可以看出，电容充电的初始状态为1/3 ，终止状态为2/3 ，稳定状态为。电容放电过程中，由于晶体管基本处于饱和导通状态，两端的电压很低，因此供电电源对放电电路影响很小，放电时的初始状态为2/3 ，终止状态为1/3 ，稳定状态为0。

充电所用时间，即脉冲维持时间：

t1 =（R1 + R2）C1 2=0.7（R1 + R2）C1

放电所用时间，即脉冲低电平时间：

t2 = R2 C1 2=0.7 R2 C1

所以，脉冲周期时间为

t = t1 + t2 = 0.7（R1 + 2R2）C1

将C1、R1和R2的值代入算得

t = 0.1s

则脉冲频率为

f = 1 = 10

4.2 控制电路

由于要产生从1-6的随机数，这就需要一个六进制计数器，这里我们采用集成芯片40192和74161。40192集成芯片具有可逆计数功能，是十进制计数器。40192集成计数器的管脚图与逻辑符号分别如图4-5和4-6所示。

图4-5 40192集成计数器的管脚图

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图4-6 40192集成计数器的逻辑符号

图中，端是异步清零端，高电平有效；输入端是异步预置数控制端，低电平有效；预置数数据输入端包括D3、D2、D1和D0，D3为最高端，D0为最低端；端是进位输出端，低电平有效；端是借位输出端，低电平有效；计数结果从Q3、Q2、Q1和Q0端输出，Q3为最高位，Q0为最低位。、输出信号可以作为高4位计数器的脉冲使用，以实现多位数的计数过程。当计数脉冲从输入时，集成芯片实现加法计数过程，计数过程为0000～1001→0000；当计数时钟从输入时，集成芯片实现减法计数过程，计数过程为0000→1001～0001→0000。

在这里我们采用加法计数实现六进制计数器，同时采用反馈“置数法”。即清零端接低电平，端接脉冲信号，端接高电平，预置数“1”（D3﹑D2﹑D1端都接高电平，D0端接低电平），当其加计数到“6”时，我们应让它回到“1”，重新开始新一轮的加计数，依次这样循环下去。虽然计数器是从“1”到“6”循环计数，但由于计数器频率较大，肉眼不能识别，在我们看来就好像是从1到6随机取一个数计数。这样当我们让计数暂停时就可以随机的得到1到6之间的任一个数，就好像一个电骰子一样。

由于40192的清零是异步的，因此我们应在40192输出“7”的时候反馈置“1”，即Q2﹑Q1﹑Q0端都输出高电平，Q3端输出低电平。又因为预置数端端在低电平时才能工作，因此需要一个三输入的与非门7410将Q2﹑Q1﹑Q0 三个输出信号与非后送到置数端

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完成置数。40192与7410接线如图4-7所示。

图4-7 40192与7410接线图

该电路图中，5脚接10的脉冲，2﹑3﹑6﹑7脚接数码管，其中直流电源的正极，代表高电平。

是5V

也可以用集成芯片74161完成控制电路，集成74161是4位二进制同步加法计数器，为16脚双列直插式标准封装，如图4-8所示。

图4-8 74161集成计数器的管脚图

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集成74161计数器的逻辑符号如图4-9所示。

图4-9 74161集成计数器的逻辑符号

其中，端为异步清零端，低电平有效；输入端为同步预置数控制端，低电平有效；预置数数据输入端包括 D3、D2、D1和D0，D3为最高位，D0为最低位；和为使能（高电平有效）输入端；进位输入端（高电平有效）C03Q2Q1Q0；计数结果从Q3、Q2、Q1、 Q0等输出，Q3为最高位，Q0为最低位。输出信号可以作为高4位计数器的脉冲使用，以实现多位的计数功能。

（1）异步清零：当0时，不管其他输入端的状态如何，、Q3、Q2、Q1和 Q0均为低电平，即0。

（2）同步预置数：当1，0时，在的上升沿置入数据D3D2D1D0，预置数的结果Q3 = D3，Q2 = D2，Q1 = D1，Q0 = D0。

（3）保持：当1，1时，使能输入0，不管其他各个输入端的状态如何，输出状态保持不变。要特别指出的是，10, 保持不变；01, 0。

（4）计数工作状态：当0时，74161处于计数状态，其状态为4位自然二进制数的计数过程。计数状态达到“1111”输出状态时，进位输出 =1，产生进位信号输出，所以也可以将74161认为是十六进制计数器。

计数前进行清零。端加一个清零负脉冲信号，使各个触发器的输出均为“0”。计数器在计数脉冲的作用下，从“0000”开始递增计数，至输出为“111”，即发生第十五个计数脉冲时，计数器产生进位信号输出，由“0”跳变为“1”，维持一个计数脉冲周期时间，所以进位信号时提前一个脉冲周期产生的。发生第十六个计数脉冲后，计数器的输出又回到“0000”输出状态。

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为实现六进制计数，采用反馈“置数法”。由于这个方法在前面已经介绍了，这里就不再赘述。

74161与7400的接线图如图4-10所示。

图4-10 74161与7400接线图

该电路图中，2脚接10的脉冲，11﹑12﹑13﹑14脚接数码管，其中5V直流电源的正极，代表高电平。

是

因为74161从“0000”开始计数，因此在刚开始计数的时候数码管上会显示一个0，但后面就循环从1到6计数，不会再出现0，再加上脉冲大，肉眼无法识别，因此这也是一个可行的控制电路方案。但我们本着严格的要求，最终还是摒弃了这个方案，还是采用了前面的方案。

4．3 显示电路

此次课程设计显示电路采用的是七段数码管，但集成计数器不能直接接在数码管上，因此还需要一个七段数码管译码器驱动器，这里我们采用的是7448。

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7448芯片是一种常用的数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。7448的管脚图如图4-11所示。

图4-11 7448管脚图

用7448驱动数码管的电路如图4-12所示。

图4-12 7448驱动数码管电路图

从该图中可以看出，7448的9﹑10﹑11﹑12﹑13﹑14﹑15脚分别接到共阴极数码

管的各脚，1﹑2﹑6﹑7脚与集成计数器40192或74161相连，3﹑4﹑5脚接高电平，其

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中

是5V直流电源的正极，代表高电平。由于本次所使用的集成计数器都是在脉冲

的上升沿或下降沿才开始计数，因此只要在脉冲送入计数器的前端加一个开关即可控制脉冲源。当开关闭合时，计数器正常计数，数码管从1到6循环计数；当开关断开时，数码管计数停止。这样就完成了电骰子的功能。

5 组装电路

5.1使用的主要仪器和仪表

电源、万用表、面包板、导线

5.2 调试电路的方法和技巧

电路接线完成后，首次或者多次调试不成功是很正常的现象，这就需要我们掌握一些调试的小技巧和方法。

1．检查电路

任何组装好的电子电路，在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否有错误。对照电路图，按一定的顺序逐级对应检查。特别要注意检查电源是否接错，电源与地是否有短路，二极管方向和电解电容的极性是否接反，集成电路和晶体管的引脚是否接错，轻轻拔一拔元器件，观察接点是否牢固，等等。

2．通电观察

一定要调试好所需要的电源电压数值，并确定电路板电源端无短路现象后，才能给电路接通电源。电源一经接通，不要急于用仪器观测波形和数据，而是要观察是否有异常现象，如冒烟、异常气味、放电的声光、元器件发烫等。如果有，不要惊慌失措，而应立即关断电源，待排除故障后方可重新接通电源。然后，再测量每个集成块的电源引脚电压是否正常，以确信集成电路是否已通电工作。

3．静态调试

先不加输入信号，测量各级各管脚直流工作电压是否正常。直流电压的测试非常方便，可直接用电压表或万用表测量。一般对晶体管和集成电路进行静态工作点调试。

4．指标测试

电子电路经上述过程调试正常之后，便可对课题要求的技术指标进行测量。测试并

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记录测试数据，对测试数据进行分析，最后做出测试结论，以确定电路的技术指标是否符合设计要求。如有不符，则应仔细检查问题所在，一般是对某些元件参数加以调整和改变。若仍达不到要求，则应对某部分电路进行修改，甚至要对整个电路重新加以修改。因此，要求在设计的全过程中，要认真、细致，考虑问题要更周全。

5.3 调试中出现的故障和原因与排除方法

我们选的课题电路比较简单，因此很快就完成了接线，但调试花了我们很大一部分

时间。最初做电源时，我们尝试了用晶振做，但调试结果非常不令人满意，频率很不稳定，用手碰一下就会极大的影响其频率，最后我们摒弃了这种方法，改用555定时器构成的多谐振荡器来做，效果很好，因此采用了这种方法。接线过程中还多次出现数码管显示数字不正常的现象，后来发现是导线或芯片与面包板接触不良造成的，但这些问题都在我们反复的调试下得到了解决。

6 心得体会

课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼

实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。回顾起此次课程设计，我感受颇多。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，后悔平时学习中的眼高手低；同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大进步，加深了对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常用逻辑器件的了解。同时经过这次课程设计，我知道了平时要养成多查阅资料的好习惯，不要遇到不懂的就问别人，只有经过自己的一番努力思考再与老师或同学讨论，才能真正的学到知识。当你拿到一个任务但却无从下手时，不妨将任务细分成若干小任务，然后各个击破，逐一拿下。当我们发现问题时，不要急于求救于别人，我们要自己进行的思考和分析，不要躲避问题，要正视你遇到的问题，因为你所遇见的问题将成为你以后学习的宝贵经验。只要全身心的投入到一件事中，并且要做成功，你就一定会有收获。有的人觉得自己做不出来，就网上搜一个了事，我想说的是，你放弃一次黑暗中摸索的经历，就放弃了一次成长的机会！如果你付出了，没有收获。那只能说，

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是你付出的不够多。同时，相互讨论共同研究也是很重要的，集体的力量才是伟大的。总的来说，通过这次课程设计，我受益匪浅，了解了电路设计的方法与步骤，学习了很多调试电路、排除电路中出现的故障的方法，我想这些经验与教训在以后的学习和工作中都是用得着的。

7 系统所需的元器件列表

所用元器件如表1所示：

表1 系统所需元件列表

8 参考文献

[1]任致程.经典智能电路300例.北京:机械工业出版社,2003 [2]康华光.电子技术基础.高等教育出版社,2006年 [3]伍时和.数字电子技术基础.清华大学出版社2009年 [4]胡斌.图表细说电子元器件.北京:电子工业出版社，2004 [5]欧丽娅.电子线路实验与实训.高等教育出版社,2004 [6]李翰荪.简明电路分析基础. 高等教育出版社,2002

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9 附表

附表1 555集成电路逻辑功能表

附表2 40192集成计数器的逻辑功能表

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