周新淳

（寶雞文理學(xué)院 陜西 寶雞 721016）

電子設(shè)計與仿真是高校工科類教學(xué)中非常重要的知識點，是將理論知識轉(zhuǎn)換為實踐能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文中針對目前數(shù)字電路中綜合性、設(shè)計性的的實驗要求，設(shè)計了拔河游戲模擬器，并利用Multisim軟件進(jìn)行了仿真[1]。

1 設(shè)計要求與任務(wù)分析

1.1 設(shè)計要求

設(shè)計一個拔河游戲模擬裝置，要求：通過兩個按鍵開關(guān)模擬拔河雙方，用LED燈模擬拔河進(jìn)度，用數(shù)碼管顯示比賽結(jié)果。

1.2 任務(wù)分析

根據(jù)任務(wù)要求，由一排LED發(fā)光管模擬拔河進(jìn)度，初始狀態(tài)最中間的LED燈亮，其他為滅狀態(tài)。當(dāng)A按鍵時，燈向A方向依次亮，形成向A端移動的效果，當(dāng)B按鍵時，燈向B方向依次亮，形成向B端移動的效果。當(dāng)移動到一方終點時，本方獲勝，另一方的按鍵將失效，并且在數(shù)碼管端顯示勝利次數(shù)。為了方便起見，兩側(cè)的LED發(fā)光管可以采用不同顏色。另設(shè)一按鍵作為裁判復(fù)位端口，此按鍵按下將使點亮的LED燈重新回到隊列中間，開始新一輪比賽。

1.3 電路原理圖

根據(jù)上述任務(wù)分析與功能描述，確定設(shè)計方案，整個電路由開關(guān)控制電路等4個模塊組成，如圖1所示[2]。

圖1 功能描述Fig.1 Functional description

2 電路設(shè)計與仿真

2.1 開關(guān)控制電路設(shè)計

由圖1所示電路功能，開關(guān)控制電路主要控制四個按鍵的工作狀態(tài)。其中開關(guān)J1中包含兩個開關(guān)，用于模擬參賽雙方，為方便用鍵盤進(jìn)行控制，設(shè)置開關(guān)J1中這兩個開關(guān)的控制鍵為“A”鍵和“B”鍵，即Key=A和Key=B。如此，不論按鍵A還是按鍵B，每按下一次，LED燈向己方移動一次。當(dāng)LED發(fā)光管移動至最左端或者最右端的時候，這時比賽結(jié)束，LED發(fā)光管的狀態(tài)以及數(shù)碼管的顯示狀態(tài)都不能再改變，這里將最左端和最右端的LED正極用異或門接至4-16譯碼器4514的鎖存端EL端口，正常比賽狀態(tài)下，兩邊同為低電平，異或門輸出為低電平。當(dāng)A或者B勝利時，最左端或者最右端一位為高電平，這時異或門輸出為高電平，芯片4514處于鎖存狀態(tài)，按鍵A，B均失效。開關(guān)J2用于控制計數(shù)器和LED隊列的復(fù)位，當(dāng)按鍵J2按下時，計數(shù)器和驅(qū)動LED隊列的譯碼器復(fù)位，從而使亮燈的LED回到隊列中間，等待下一次比賽開始。按鍵J3用于控制數(shù)碼管的復(fù)位，在按鍵J3未按下前，兩個數(shù)碼管分別記錄A、B兩隊的勝利次數(shù)，最大記錄次數(shù)為9。當(dāng)按鍵J3按下時，兩個數(shù)碼管都復(fù)位，顯示為零。數(shù)碼管復(fù)位按鍵與十進(jìn)制計數(shù)器4518的復(fù)位端相連，高電平有效[3-4]。開關(guān)控制電路如圖2所示。

2.2 振蕩電路設(shè)計

CC40193是可逆計數(shù)器，控制加減的CP脈沖分別加至5腳和4腳，此時當(dāng)電路要求進(jìn)行加法計數(shù)時，減法輸入端CPD必須接高電平；進(jìn)行減法計數(shù)時，加法輸入端必須接高電平。若直接由普通按鍵A，B鍵產(chǎn)生的脈沖加到CPU或者CPD，那么有很多時機(jī)在進(jìn)行計數(shù)輸入時另一計數(shù)輸入端為低電平，使計數(shù)器不能計數(shù)，雙方按鍵均失去作用，拔河比賽不能正常進(jìn)行。使用555定時器與RC組成單穩(wěn)態(tài)電路，調(diào)整其參數(shù)，使其產(chǎn)生一個占空比很大的脈沖，這樣就減少了進(jìn)行某一計數(shù)時另一計數(shù)輸入為低電平的可能性，從而使每一次按鍵都有可能進(jìn)行有效的計數(shù)?；?55定時器的時鐘脈沖發(fā)生電路如圖3所示。

圖3 時鐘脈沖發(fā)生器Fig.3 Clock pulse generator

2.3 計數(shù)器電路設(shè)計

假設(shè)初始值為0,A鍵按下計數(shù)器加1，B鍵按下計數(shù)器減1，用加法和減法的思想來控制LED發(fā)光管的左移和右移。基于需要加減同時使用的情況，選用集成加減計數(shù)器40193。A鍵接40193的CPU端口，按下時，向40193發(fā)送加法脈沖，執(zhí)行加法操作；B鍵接40193的CPD接口，向40193發(fā)送減法脈沖，執(zhí)行減法操作[5]。計數(shù)電路如圖4所示。

圖4 計數(shù)電路Fig.4 Counting circuit

2.4 譯碼顯示電路設(shè)計

40193加減計數(shù)器輸出為四位，接LED發(fā)光管效果不明顯，所以用4-16譯碼器4514將其輸出擴(kuò)展為16位，其中選中其15位或者7位（選取奇數(shù)個是為了使起始點居中）接15個或者7個LED發(fā)光管正極，LED發(fā)光管負(fù)極接地。接LED管時要注意，4-16譯碼器的輸出第一位Y0應(yīng)該是計數(shù)零點，即拔河標(biāo)志位起點，故應(yīng)該置于LED隊列最中間，LED向左方向為計數(shù)加的方向，所以輸出第二位Y1應(yīng)該與LED隊列中間靠左邊一位相連，以此類推；最后一位輸出Y15應(yīng)該是初始狀態(tài)下減1后的最大值，LED顯示減法應(yīng)該向右移動，所以Y15應(yīng)該與LED隊列中間靠右邊一位相連，以此類推。LED發(fā)光電路如圖5所示。

當(dāng)LED移至最左端或者最右端時，一方獲勝，此時數(shù)碼管上應(yīng)該顯示勝利次數(shù)。具體連線為，從兩邊LED發(fā)光管的正極引出一條線，接至十進(jìn)制計數(shù)器4518的CP端口，4518的輸出接七段碼譯碼器4511，4511接共陰極LED數(shù)碼管。4518的CP端口上升沿有效，平時為低電平，當(dāng)LED發(fā)光管移動至兩邊時，CP端為高電平，從而出現(xiàn)一次上升沿，計數(shù)器加1，數(shù)碼管顯示加1。譯碼顯示電路圖如圖6所示。

當(dāng)LED發(fā)光管移動至最左端或者最右端的時候，這時比賽結(jié)束，LED發(fā)光管的狀態(tài)以及數(shù)碼管的顯示狀態(tài)都不能再改變，這里將最左端和最右端的LED正極用異或門接至4-16譯碼器4514的鎖存端EL端口，正常比賽狀態(tài)下，兩邊同為低電平，異或門輸出為低電平。當(dāng)A或者B勝利時，最左端或者最右端一位為高電平，這時異或門輸出為高電平，芯片4514處于鎖存狀態(tài)，按鍵A，B均失效[6]。

2.5 總體電路設(shè)計與仿真

圖5 LED電路Fig.5 LED circuit

圖6 譯碼顯示電路Fig.6 Decoder and display circuit

在Multisim主界面內(nèi)，將上述各單元電路組合起來，按各自對應(yīng)的關(guān)系相互連接構(gòu)成電子拔河仿真電路。為使總體電路布線清晰、簡單明了，采用層次電路設(shè)計方法，仿真結(jié)果良好，能直觀正確的體現(xiàn)拔河游戲的全過程。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的電子拔河游戲器，能通過按鍵模擬拔河過程，游戲過程可直觀顯示，結(jié)構(gòu)簡單，原理清晰，易于實現(xiàn)。在電路設(shè)計仿真完成之后，再構(gòu)建實際電路，從而降低了成本，大大提高了電路設(shè)計的效率。

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