基于555定时器的LED电子骰子设计

Posted 2023-02-06 通信汪的美好生活

目录

零、前言

一、电路总体原理图 

1.1所用仿真平台及电子元件

1.2整体原理图

二、主要元件及其工作原理介绍

2.1 555定时器

2.2 4017逻辑单元

三、现象展示

四、尾声

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零、前言

      自从研究生开学以来就一直在学各种算法，从来没有碰硬件的东西，今天写完了要做的作业，感觉比较闲了，就突然想用仿真软件设计一个电子骰子。骰子（tóu zi），又称色子（shǎi zi），是中国传统民间娱乐用来投掷的博具，早在战国时期就有，通常作为桌上游戏的小道具，最常见的骰子是六面骰，它是一颗正立方体，上面分别有一到六个孔（或数字），其相对两面之数字和必为七。中国的骰子习惯在一点和四点漆上红色。骰子是容易制作和取得的乱数产生器。电子骰子就是用6个LED代表骰子的6个面，用芯片来让代表六个面的LED随机亮灭，最后那个LED亮就代表要到了那个面，这属于一个很简单的数字逻辑电路设计，其本质就是一个流水灯，对这个设计感兴趣的就继续看吧，有任何问题欢迎私信。

一、电路总体原理图 

1.1所用仿真平台及电子元件

       各个元件的值都是由公式或者物理参数限制确定的，具体见第第二章主要元件工作原理部分。仿真平台：NI Multisim是很常用的模拟电路仿真软件，不知道的我怀疑你是假的通信汪。

仿真平台	NI Multisim14.0
电源	5V直流电源
电阻	2.2k一个、100k两个
电容	1nf一个、0.1uf一个
定时器	NE 555
逻辑单元	4017
LED	6个
按钮	一个

1.2整体原理图

     把元器件找到后拖到绘制原理图窗口，按如下方式进行连接，进行仿真就行了。

整体电路原理图

1.3电路工作流程

      通过设置电容及电阻值的大小，让555定时器芯片的输出端口产生特定的PWM脉冲，再把特定的PWM脉冲作为逻辑单元4017的触发信号，4017就是一个10进制计数器。当我们按下按钮时电路开始工作，产生的PWM脉冲会让4017的输出空依次输出高电平以点亮LED。6个LED分别代表骰子的1到6，6个面，当按起按钮时，4017暂停工作，不在进行脉冲的计数，LED停止变换，此时亮着的LED就代表此次摇骰子的结果。以上就是电路的工作流程。你可以通过减小PWM脉冲的周期来提高这个电子骰子的随机性。

二、主要元件及其工作原理介绍

2.1 555定时器

       555，全称“通用单双极型定时器”（General-purpose Single Bipolar Timer），意思是555的一个芯片中包含一个（单）用三极管做成的（双极型）定时器。它在外接一个电阻和一个电容后，能够精确地实现延时功能。3脚的输出会自动在高低之间变换，而不会稳定地停留在高或低上。这就形成了一个振荡器。这个特性可以用来制作LED的闪烁效果、电子琴等，也可以用于PWM技术控制电动机的转速等。

各个引脚的功能见下表：

555定时器引脚功能

引脚	功能
1、GND	接地。
2、Trigger	输入端Trigger，该脚会判断其电压是否小于1/3 Vcc。
3、Output	输出端Output。
4、Reset	清零端Reset。正常工作时应接高电平。
5 、Cotrol  voltage	控制电压端。一般不使用，应通过一只0.01μF（103）瓷片电容接地，以防引入高频干扰。
6、Threshold	输入端Threshold，该脚会判断其电压是否大于2/3 Vcc。
7、Discharge	放电端Discharge。
8、Vcc	外接电源Vcc，范围为4.5V~16V，一般用5V。

充电时间：T1=0.693（R1+R2）*C

放电时间：T2=0.693*R2*C1

周期:T=T1+T2,f=1/(T1+T2)=1.443/(R1+R2)*C1

占空比：T1/T=(R1+R2)/(R1+2*R2)

改变R1、R2的值就改变了筛子的随机性。以上就是555的工作原理

2.2 4017逻辑单元

      4017芯片是十进制计数器／分频器（带十进制输出），它有十个译码输出的5段约翰逊计数器。它是用高速CMOS技术制造，每个译码器输出通常处于低电平，且在时钟脉冲由低到高的转换过程中依次进入高电平。每个输出在高电平维持10个时钟周期中的1个时钟周期。输出10进入低电平后进位输出由低转换到高。

CD4017有3个输（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1～O9）均为低电平。CP0和～CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CPl端输入。设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。

        由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。刚好可以用来点亮LED。

三、现象展示

具体现象看下面视频，想提高随机性，让LED变化更快一点，改变电阻值就行了，自己可以尝试更改一下：

                  电子骰子

四、尾声

        学了这么长时间的算法，突然感觉算法和硬件电路设计有异曲同工之妙。都是在设计一个又一个小的模块，每一个小的模块都设计好了连接起来就是一个特别优秀的系统。特别是创意也是很重要的，这个设计本质上就是一个流水灯，但是你能把流水灯和骰子想到一起吗？这就是我们要培养的跳跃性思维。