电子线路综合设计
乒乓球比赛模拟及计分器设计
2014年6月
摘要
在信息社会高速发展的今天，数字电路芯片已经实现高度集成化，并逐步渗透到医学、计算机等各个领域，对人类的生活有着深远的影响。本设计采用基本门电路以及74LS系列芯片的搭建，以multisim 12.0软件为平台进行仿真，实现了对乒乓球游戏的模拟。主要解决的问题有：
（1）模拟乒乓球的轨迹：用双向移位4位寄存器74194以及基本门电路实现；（2）球速的调节：利用555电路实现；
（3）球被击中、犯规的判断；
（4）计数器的使用：采用74LS90和74LS161的组合，给玩家计分；
（5）关于比分的显示：通过CD4511译码芯片将计数器的输出状态显示到2位共阴极数码管上。
关键词：双向移位4位寄存器、555电路、译码电路、计数器系统
目录
1 设计任务 (1)
2 电路整体设计 (2)
2.1 译码显示电路设计 (4)
2.2 555定时器组成脉冲发生器 (5)
2.3模拟乒乓球电路的设计 (6)
3 电路整体性能的检测 (7)
3.1 译码显示电路的检测 (7)
3.2 脉冲发生器电路的检测·····························································
3.3模拟乒乓球电路的检测······························································4实验结论 ·······················································································5课程设计心得体会以及建议 ·······························································6 Abstract ·························································································7附录(包含元器件清单以及各元器件功能表） ·········································8参考文献 ·······················································································
1．设计任务
本次我们小组选择的设计是乒乓球比赛模拟及计分器设计，主要任务是用数字电路模拟乒乓球比赛并能给比赛计分。电路的期望指标如下：
1．裁判有一个按钮，是系统初始化，比赛开始。
2．一方发球后，球以固定速度向另一方运动（发光二极管依次点亮）；
3．当球达到对方最后一个发光二极管时，对方击球（按下按钮），球将向相反方向运动；
4．在其他时候击球视为犯规，给对方加1分；都犯规，各自加1分；
5．甲、乙各有一个2位数码管计分；一方先到达11分，该局比赛结束。
6．扩展部分（例如：乒乓球速度可改变，设置大比分等）
针对设计要求，我们通过理论计算还有Multisim仿真等途径得出两个方案，虑到电路稳定性以及功能的可拓展性等方面，最终选择了方案一。两个方案的介绍参见下一页的“电路整体设计”部分。
2 电路整体设计
在本次设计中，我们小组经过查找资料和理论分析及讨论，最终得到了两种电路设计方案。现介绍如下：
方案一：利用双向四位移位寄存器74LS194，由发光二极管做光点来模拟乒乓球的轨迹，由双D触发器及逻辑门电路构成，通过此电路来控制并实现相应的灯的左右移动即实现乒乓球的运动。利用555定时器构成多谐振荡器产生脉冲信号驱动74LS194，乒乓球移动速度可以通过改变多谐振荡器的振荡频率来调节。将计数器74LS161与8421转化器相连，将二进制数字转化为8421码，通过译码驱动电路与晶体管相连，将8421码显示在数码晶体管上。计数电路由74LS90与运动员开关的信号共同控制。计数电路由74LS90和74LS161共同构成11进制的计数器，计数脉冲信号由表示轨迹的发光二极管与运动员开关的信号共同控制。
（图1 方案一原理框图）
方案二：其思想框图与方案一相同，不同之处在于电路形式不同，但都能完成既定目标，电路图如下所示，鉴于篇幅有限，此处不再加以阐述其原理。后面的分析也将重点放在方案一。下面是方案二的整体电路图：
（图2 方案二电路原理图）
2.1译码显示电路设计：
由两个2位共阴极显示数码管和译码CD4511以及计数器74LS161，74LS90组成，外加74LS00芯片。电路图如下：
（图3 译码显示电路左部分）
其中74LS161采用反馈置零法，即计数为10时清零当前示数，并提供一个脉冲信号给74LS90.当两管显示为“11”时提供清零信号给乒乓球桌模拟电路，比赛结束，同时下一个脉冲进入74LS161时，显示电路自动清零，准备下一场比赛的计分。
2.2 555定时器组成脉冲发生器：
555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。
它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中】【1。
本设计用555定时器组成多谐振荡器，产生脉冲信号供给模拟球桌电路和译码显示电路工作。其电路图如下：
（图4 555组成多谐振荡器）
在555定时器3端不断地交替输出高电平和低电平，通过理论计算】【2，我们可得高低电平的持续时间分别为：
;2ln )(221C R R t +=高
2ln 22C R t =低；
周期.2ln )2(221C R R n T +=
式子中的n 表示分频倍数，由74LS90的接法决定（例如上面的接法就是n=4时的情形），因此只要调节22C R 以及的参数值，我们就能实现本次设计的扩展功能，即调节球速的大小。
2.3 模拟乒乓球电路设计：
该电路利用双向四位移位寄存器74LS194，由发光二极管做光点来模拟乒乓
球的轨迹。同时双D 触发器及逻辑门电路控制球的左右移动和A 、B 两个玩家的得分条件（即未接到球、犯规时，对方得分）。电路图如下：
（图5 74LS194等组成乒乓球桌面模拟电路）
电路工作原理：如图5所示，真正有效的按钮为A,B,C,V 。其中A ，B 分别为A 玩家和B 玩家的按钮，C,V 为裁判所持按钮。CV=00时比赛未开始，10则表示比赛开始并且由A 玩家先发球，同理01表示B 发球。注意11的情况是不存在的。
考虑A 先发球的情况(CV=10)，当球在1812X X 到运动时，此时若有一方击球则犯规，另一方得分；当球19X 到(未熄灭之前）时，若B 未按下击球键，则A 得分。
B 先发球的情况与A 相同，此处不做过多讨论。
3 电路整体性能的检测
通过对电路各部分的分析，我们可以得出整个设计的电路图如下：
(图6 方案一设计电路图）
3.1 译码显示电路的检测
经过检测，译码显示电路能按要求工作，检测图如下：
（图7 译码显示检测）
需要注意的是，由于使用的是共阴极数码显示管，因此在焊接的时候千万不要把阳极和阴极弄反；数码管接地一端要加一个限流电阻(ΩΩ20050到之间），以免通过数码管的电流过大而毁坏数码管。
3.2 脉冲发生器的检测
本次设计采用555定时器组成多谐振荡器，再经74LS90进行四分频，通过精密秒表检测
3.3 模拟乒乓球电路的检测
经过检测，模拟乒乓球电路能按照设计要求工作，检测图如下：
4 实验结论
通过上述对乒乓球游戏模拟电路原理的阐述以及各部分电路的检测，我们自主设计的方案是可行的，符合设计要求。
5 课程设计心得体会以及建议
通过此次课程设计，我们了解了模拟电路基本设计方法,对Multisim仿真软件有了更深的了解和认识，使用仿真软件，可以让我们在虚拟的环境中进行实验，不需要真实电路环境的介入，不必顾及仪器设备的短缺与时间环境的限制，能够极大地提高设计的进程。
这次数电课程设计,虽然只有两周时间，但是让我得到多方面的提高：
1、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的进步。加深了我们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见逻辑器件的了解。另外，我们还更加充分的认识到数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性。
2、培养独立思考的能力非常重要。我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多地还是独立思考解决问题。
3、相互讨论、共同研究也是很重要的。比如电路设计中的控制器的设计、乒乓球游戏机怎样计分等，我们都综合了每个人的意见，做出了最佳的方案。我还懂得了理论与实际相结合是很重要的，理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。第一次做综合设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时我们在设计的过程中也发现了自己的不足之处，例如对以前所学过的知识理解得不
够深刻，掌握得不够牢固。
对于这次的课程设计，我有几个建议想和大家分享一下：
1、关于焊电路遇到的问题：如果焊出的电路在调试时出现问题，首先要检查线路问题，如果线路没问题，则需要检查芯片是否有问题。若线路和芯片都没问题，就要考虑设计可行性的问题了。
2、电路布局问题：我建议在焊电路之前要先利用DXP软件对电路进行排版画线，毕竟一块PCB板的空间是有限的，因此元器件的分布以及走线都要在焊电路之前搞清楚，才能游刃有余。
3、参与很重要：本次小组设计中，成员的积极性是很重要的。设计的完成离不开每位成员的贡献。因此，我建议大家能通过这次的设计一种培养团队合作意识，你的每一步都有可能是团队成功的关键。要记住你不只是一个人在工作！
6 Abstract
Table tennis simulation game design and scoring Today，with the rapid development of the information society , digital circuit chip has a high degree of integration, and gradually penetrated into all areas of medicine, computers , etc. 。It has a profound impact on human life. In this paper, the basic structures of the chip and the gates to Multisim 12.0 simulation platform had successfully realized the tennis tournament scoring device simulation and design.
Key words：two-way four shift registers 555 circuit
decoding circuit counter system
7 附录（包含元器件清单以及各元器件功能表）
7.1 元器件清单：
元器件名称规格数量备注
74LS90 5 14脚
CD4511 4 16脚
2位共阴数码管 2 IC座24脚，IC座40脚
74LS00 5 14脚
74LS08（2输入端四与门） 2 14脚
74LS32 3 14脚
CD4013（D触发器） 2 14脚
74194 3 16脚
IC座14脚15
IC座16脚9
IC座24脚 6 插数码管2位
可调电容30-50P 2
555定时器 1
电阻 2
（图9 元器件清单）
实验箱内已提供：万能板1块；导线；纤维海绵；2位5V电源连接线，电烙铁2把，烙铁架1个；焊锡1卷；松香1盒；吸锡器1个；十字批1把，小一字批1把；镊子1把；起拔器1把；剪线钳1把；尖嘴钳1把；（少了161芯片，16脚，共2个）
【3
7.2 各元器件功能表】
7.2.1 74LS164
（1）引脚图：
（图10 74LS164管脚图）
（2）功能表：
（图11 74LS161功能表） 7.2.2 CD4511
（1）引脚图：
（图12 CD4511引脚图）（2）功能表：
（图13 CD4511功能表）
CD4511是一个用于驱动共阴极LED （数码管）显示器的BCD 码—七段码译码器，特点如下：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。其中：
BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。
CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
7.2.3 74LS90
（1）引脚图：
（图14 74LS90引脚图）（2）功能表：
（图15 74LS90功能表） 7.2.4 74194
（1）引脚图：
（图16 74194引脚图）
74194是一个双向移位寄存器，并且可以并行输入，其引脚图如图16所示。其中A-D为并行输入端，CLOCK为时钟输入端，CLEAR为异步清零端；SHIFT RIGHT SERIAL INPUT为串行右移输入端，同理SHIFT LEFT SERIAL INPUT为串行左移输入端；S0和S1为工作模式控制端，通过设置S0和S1，可以使其工作在保持状态（SO=S1=0）、串行左移状态（S0=0，S1=1）、串行右移状态（S0=1，S1=0）
【4。其功能表如图17所示。
或并行输入输出状态（S0=S1=1)】
（2）功能表：
（图17 74164功能图）
7.2.5 74LS161
（1）引脚图：
（图18 74LS161引脚图）
（2）功能表：
（图19 74LS161功能图）
9 参考文献
【1】康华光、陈大钦、张林《电子技术基础数字部分》第五版 P414 【4】康华光、陈大钦、张林《电子技术基础数字部分》第五版 P285