石头剪刀布游戏设计

沈阳工程学院

课程设计任务书

课程设计题目：剪刀石头布游戏模拟器

系别自动控制工程系班级电子本101 学生姓名李明杰学号 2010311107 指导教师田景贺职称讲师

课程设计进行地点：实训F215 任务下达时间： 2012 年 9 月 3 日

起止日期： 2012年9月3日起——至 2013年1月11日止教研室主任田景贺 2012年 9月 3日批准

1.设计题目：剪刀石头布模拟游戏设计

1.1设计目的：（1）能独立查阅、整理、分析有关资料

（2）能用数字集成电路完成设计任务

（3）掌握脉冲产生、整形与分频电路

（4）掌握计数、译码与显示电路

1.2基本要求：

（1）由按键模拟游戏动作，5局三胜。

（2） 2位数码管显示游戏比分

（3）胜负指示

（4）系统外电源为AC 220V。

1.3有能力的同学可以利用课余时间进行电路焊接及调试。

2.设计过程的基本要求：

2.1 基本部分必须完成，学有余力的同学可以根据自己的能力自行确定发挥部分

并完成。

2.2 符合设计要求的报告一份。

设计报告内容要求：

1. 写出你考虑该问题的基本思路，画出一个实现电路功能的大致框图。

2. 设计出框图中各部分逻辑电路，可用中、小规模集成电路，也可用中规模集成

电路连接而成。对各部分电路的工作原理应作出说明。最后，画出整个设计电

路的原理电路图，并说明电路工作原理。

3. 进行设计的仿真验证。

4. 要求用A4纸打印，不允许复印。装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见

表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。

5. 2012年9月14日前提交一份总体设计性报告（主要为总体设计，系统框图，

功能解析及系统设计的目标），设计报告提交的截止时间为2012年12月31

日。

沈阳工程学院

数字电子课程设计成绩评定表

系（部）：自动控制工程系班级：电子本101班学生姓名：李明杰

摘要

本次课程设计的题目是剪刀石头布模拟游戏设计，其主要功能为：甲乙分别有A、B、C三个按键，分别代表石头、剪刀、布。两人同时按下一个按键，依据石头剪刀布的游戏规则判定胜、负、平，采取五局三胜制，胜利局数由七段式数字显示器显示，且可以手动清零。该功能电路由四大部分组成：1.脉冲产生；

2.整形电路；

3.计数电路；

4. 译码显示电路；第一部分是脉冲产生，每当按下一次按键时会给相应的555定时器构成的单稳态触发器输入一个低电平，触发单稳态触发器输出一个高电平。根据单稳态触发器的特性，让输出的高电平延时0.2s，从而解决两人不可能同时按下按键的问题。第二部分是整形电路。根据石头剪刀布的游戏规则列出胜负真值表，画出卡诺图，化简逻辑表达式，设计出逻辑电路。胜的一方会给相应的计数器输入一个高电平。第三部分是计数电路。逻辑电路每判定出一次胜负时，胜的一方的逻辑电路输出端则会给计数电路输入一个高电平，使74LS161计数器记录相应的胜利局数。当比赛完结时则可以对74LS161手动清零。第四部分是译码和显示电路。该部分采用七段显示译码器。译码器74HC4511与计数器74LS161相连，对计数器输出的二进制数进行译码，然后由七段数字式显示器显示胜利局数。

关键词脉冲产生，整形电路，计数电路，译码显示电路

目录

摘要.........................................................................I 电路设计. (3)

1.1石头剪刀布游戏设计的整体方案 (3)

2.脉冲产生 (3)

2.2.1脉冲产生——按键部分 (3)

2.2.2 脉冲产生——单稳态触发器部分 (4)

3 整形电路 (5)

4 计数电路 (7)

4.1 74LS161芯片功能简介 (7)

4.2 74Ls161计数器在本设计中的应用 (8)

5 译码显示电路 (9)

5.1 74HC4511七段显示译码器功能简介 (9)

5.2 本设计中的译码显示电路 (10)

6. +5V电压源设计 (11)

7.总电路图 (12)

个人总结 (13)

参考文献 (14)

电路设计

1.石头剪刀布游戏设计的整体方案

该模拟游戏电路主要由四大部分组成，如图1.1所示。每回合两人同时按下一个按键，产生两个脉冲，整形电路对两人产生的脉冲进行胜负关系的判断，胜者输出一个脉冲（平局无脉冲输出），由计数电路对两人的胜局数进行计数，并将计数结果通过译码显示电路显示出来，当任何一个人的胜局数达到三之后进行手动清零并重新开始游戏。其中脉冲产生电路中的由555定时器构成的单稳态触发器解决了两人几乎不可能同时按下按键，从而造成按键产生的电平无法同时到达逻辑电路的“与门”，导致逻辑电路无效的问题。

图1.1剪刀石头布模拟游戏电路基本方框图

2.脉冲产生

对于脉冲电路，必须要解决两人几乎不可能同时按下按键的问题，因此按键产生的电平几乎不可能使用逻辑电路的“与门”

，从而导致整形电路无效。所以，我们采取使用由

555定时器构成的单稳态触发器的方法，使脉冲产生电路输出的高电平具有较短时间的延时（既脉宽），这样只要两人按下按键的时间差在脉宽范围内就可以视为“同时按下”。

要触发555定时器构成的单稳态触发器，就要为其输入一个低电平。因此，要求按键部分每按下一次就要为单稳态触发器输入一个低电平。

2.1脉冲产生——按键部分

两人一共控制六个按键，设定由甲控制A 、B 、C 三个按键，分别代表石头、剪刀、布；由乙控制D 、E 、F 三个按键，分别代表石头、剪刀、布。

如图2.1是按键部分的局部示意图。当按键未按下时电源与地之间为断路，电阻不起作用，5v 的电源电压输入到555定时器构成的单稳态触发器中。5v 电压视为高电平，因此对于单稳态触发器不起作用。当按键按下时，电阻一端接5v 电源，另一端接地。由电阻的接地端作为按键部分的输出端，从而使每按下一次按键就会对单稳态触发器输入一个低电平。

图2.1 脉冲形成电路

2.2 脉冲产生——单稳态触发器部分

图2.2.2（a）为由555定时器构成的单稳态触发器的示意图。2脚为触发输入端，3脚为输出端。当没有触发信号时，输入信号v i 处于高电平，电路只有一种稳定状态，即3脚输出信号v0 =0；若触发输入端施加触发信号，电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，555定时器内的放电三极管截止。此后电容C充电，当C充电至Vc=2Vcc/3时，电路的输出电压V o由高电平翻转为低电平，同时555定时器内的三极管导通，于是电容C放电，电路返回到稳定状态。电路的工作波形如图2.2.2（b）所示。忽略555定时器内部三极管的饱和压降，则Vcc从零电平上升到2Vcc/3的时间，即为输出电压V o的脉宽

Tw=RCln3≈1.1RC-------------------------(2.2.1)该电路中设定脉宽为0.2s，根据公式2.2.1，选取电阻R=200Ω，C=1000uF

图2.2.2（b）工作波形

图2.2.2（a）555定时器构成的单稳态触发器

3. 整形电路

令X=1表示甲胜，Y=1表示乙胜。根据组合逻辑电路的设计方法，先列出真值表，画出卡诺图，再由卡诺图写出逻辑表达式，最后根据逻辑表达式设计出组合逻辑电路。需要说明的是：A、B、C、和D、E、F都分别只能有一个按键按下，所以当选定某一个按键时，其他按键必然是“非”，这样可以对逻辑电路进行化简。

整形电路设计步骤如下：

⑴列出真值表

⑵根据真值表画出卡诺图

表3.1.2卡诺图

⑶根据卡诺图写出逻辑表达式

X=AB_C_D_E_F+A_BC_DE_F_+A_B_CD_EF_--------------------------------------------------（3.1）Y=AB_C_D_EF_+A_BC_D_E_F+A_B_CDE_F_--------------------------------------------------（3.2）⑷根据逻辑表达式设计组合逻辑电路

图3.3 石头剪刀布模拟游戏设计组合逻辑电路部分

4. 计数电路

本设计中，设计要求是5局3胜制，每个人最多计数三次，因此计数电路采用的是74LS161计数器。

4.1 74LS161芯片功能简介

如图4.1.1所示为74LS161芯片的示意图，其引脚功能如下：

⑴P0～P3为四个数据输入端

⑵CP为时钟脉冲输入端

⑶MR为清零端

⑷CEP和CET为使能端

⑸PE为置数端

⑹Q0～Q3为数据输出端

⑺TC为进位端

图4.1.1 74LS161芯片示意图

74LS161芯片功能表如表4.1.2所示： 1.异步清零功能最优先 2.CP 上升沿有效 3.同步并行置数

表4.1.2 74LS161计数器功能表

4.2 74Ls161计数器在本设计中的应用

如图4.2.1所示，整形电路的输出端与74LS161计数器的时钟脉冲CP 端相连，由于74LS161计数器对上升沿有效，因此每当整形电路的输出端输出一个高电平，则计数器加1，通过Q0和Q1输出。由于本次设计采取五局三胜制，即计数器只需要输出1～3即可，所以只需要Q0和Q1输出。

74LS161计数器的置零端CR 对于低电平有效。把CR 端接在电阻的接地端，当开关未按下时，电阻不起作用，CR 端与电源相连，置零端不工作；当开关按下时，CR 端与地相连，置零端工作，使计数器清零，这样即可以对计数器进行手动清零。所以每一轮游戏结束后，只要按下清零开关就可以对胜利局数清零， 图4.2.1 74LS161计数器在剪刀石头布模拟游戏中的应用

5 译码显示电路

本设计中采用74HC4511七段显示译码器芯片和数码管构成译码显示电路。

5.1 74HC4511七段显示译码器功能简介

七段显示译码器和数码管的整体示意图如图2.5.1所示，74HC4511七段显示译码器功能表如表2.5.1所示。当输入8421BCD码时，输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。当输入为1010～1111六个状态时，输出全为低电平，显示器无效。该集成显示译码器设有三个辅助控制端LE、BL、LT以增强器件的功能，现分别简要说明如下：

⑴灯测试输入LT

当LT=1时，无论其他输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1，显示字8,该输入端常用于检查译码器本身及显示器各段的好坏。

⑵灭灯输入BL

当BL=1，并且LT=0时，无论其他输入端是什么电平，所有各段输出a～g均为0，所以字形熄灭。该输入端用于将不必要显示的零熄灭。

⑶锁存使能输入LE

在BL=LT=0的条件下，当LE=0时，锁存器不工作，译码器的输出随输入码的变化而变化；当LE由0跳变为1时，输入码被锁存，输出只取决于锁存器的内容，不再随输入的变化而变化。

图5.1 74HC4511七段显示译码器及数码管整体示意图

V14

5Vdc

表5.2 74HC4511七段显示译码器功能表

5.2 本设计中的译码显示电路

译码显示电路如图 5.3所示，74LS161计数器的输出端Q0和Q1分别与74HC4511七段显示译码器的输入端D0和D1相连，从而通过数码管将计数器中的8421BCD 码表示出来。电路中的七个电阻均为限流电阻，用以防止数码管被烧坏。

图5.3 译码显示电路

6. AC220V变+5V直流电压源设计

此设计采用的是LM7805稳压管以及桥式整流电路，从而使输出电压达到+5V，电路图如下图6.1

图6.1 +5V直流电压源原理图

图6.2 LM7805管脚功能

电路基本原理：AC220V电压经±9V变压器变压之后再由桥式整流电路进行整流，整流后的电压由LM7805的输入端进入，经过稳压后由输出端输出稳定的+5V电压。电路图中电容起稳压作用以及去交流作用，RL为负载。

7.总电路图

个人总结

通过此次课程设计，使我了解到了数字电路在实际生活中的具体及广泛的应用，使我对数字电路的学习星期更加浓厚。我终于明白了学习数字电路不能只停留在理论知识上面，要结合实际操作才能更好的学好数字电路。在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。

过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！

参考文献

1.《电子技术试验与课程设计》, 毕满清主编,北京：电子工业出版社: 1997

2.《电子技术基础（模拟部分第五版）》, 康华光主编,北京电力出版社:1999

3.《电子数字基础》数字部分第五版康华光主编高等教育出版社

4. 《模拟电子技术基础实验与课程设计》, 李万臣主编,（第一版）西安电子出版社: 2003