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课程设计说明书




课程设计名称： 数字电路

课程设计题目： 投弹游戏机

学 院 名 称：

专业： 班级：

学号： 姓名：

评分： 教师：

20 年 月 日

数字电路 课程设计任务书
20 －20 学年 第 学期 第 周－ 周

题目
内容及要求
〖基本要求〗
10个LED顺序点亮（移动速度可变） ，如果能够在点亮的同时将小球投中目标，
则发出1000Hz庆贺声
系统由无稳态多谐振荡器、十进制计数器、RS触发电路、音频振荡器，喇叭驱
动电路
〖主要参考元器件〗555，CD4017，CD4001
投弹游戏机



进度安排
1. 仿真、画PCB线路板图、领元器件：2天；
2. 制作、焊接：1天
3．调试：2天
4. 验收：0.5天
5. 提交报告：2011-2012学年第一学期3～7周

学生姓名：
指导时间：
任务下达
考核方式
指导教师
20 年 月 日 任务完成
指导地点：
20 年 月 日

1.评阅 □√ 2.答辩 □√ 3.实际操作□√ 4.其它□
系（部）主任

投 弹 游 戏 机

摘 要

本次数字电路设计的课题是投弹游戏机。该游戏机的设计以由555电路构成的多谐振
荡电路、移位计时 芯片和延时控制电路为主要研究对象，对实现电路进行分步设计，将实
现电路分成几个功能模块，再将模 块整合，以实现设计所要求的功能，达成投弹延时蜂鸣
的效果。除此之外还可借参数可调的优势，以达到 自由控制闪灯频率的特殊功能。


















1

投 弹 游 戏 机

目 录
前 言 ................................................ .................................................. ...................................... 1
第一章 设计内容及设计要求 ........................................ .................................................. ............ 2
第二章 系统设计方案及选择 ................ .................................................. .................................... 3
2.1 方案一
.......................................... .................................................. .................................................. . 3
2.2 方案二
............................. .................................................. .................................................. .............. 3
第三章 系统组成及工作原理 .............. .................................................. ...................................... 5
3.1 脉冲发生器部分
...................................... .................................................. ..................................... 5
3.2 计时器及LED显示部分
.................................. .................................................. ......................... 6
3.3 电容延时部分
.. .................................................. .................................................. ........................... 7
3.4 音频振荡部分
.................................................. .................................................. ............................. 7
3.5 系统总图及整体工作原理
.................................. .................................................. ....................... 8
3.5.1 系统原理图
.... .................................................. .................................................. .................... 8
3.5.2 系统工作过程及原理
.. .................................................. .................................................. . 9
第四章 作品调试及结果分析 ........................... .................................................. ....................... 11
4.1 作品调试
..... .................................................. .................................................. ................................ 11
4.2 结果分析
......................................... .................................................. .............................................. 11
4.3 制作过程中的结果分析
.......................... .................................................. ................................. 11
第五章 实验结论 .................................................. .................................................. .................... 12
参考文献 ................. .................................................. .................................................. ................... 13
附录一 ................... .................................................. .................................................. ..................... 14
附录二 ................. .................................................. .................................................. ....................... 15
附录三 ............... .................................................. .................................................. ......................... 16




2

前 言

数字电子技术是当前发展 最快的学科之一，数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电
路发展到目前的中、大规模集成电路及超大 规模集成电。相应地，数字逻辑电路的设计方
法在不断地演变和发展，由原来的单一的硬件逻辑设计发展 成三个分支，即硬件逻辑设计、
软件逻辑设计及兼有二者优点的专用集成电路设计。
本次 课程设计内容是设计并制作一个投弹游戏机。游戏投弹机是一种新型数字游戏，
该投弹机系统组成有：由 555构成的无稳态多谐振荡器，十进制计数器（CD4017），R-S触
发器电路（CD4001） ，音频震荡器（CD4001），喇叭驱动电路。投弹游戏机是采用模块设计，
分模块安装方法设计而成 。利用NE555构成矩形脉冲发生器（频率和占空比可调）电路；
CD4017（分频器）对由NE5 55产生的脉冲进行编码、译码和分配工作，使其输出信号控制
LED的顺序轮流点亮；最后利用CD4 001因投弹产生的信号而产生延时，并驱动蜂鸣器，
发出一定频率的祝贺声。
通过本次制作 后的调试，得到了简单的“老虎机”（即投弹游戏机）的工作原理，电源
开关闭合后可发现555产生了 占空比可变的脉冲，十个LED灯顺序循环点亮，在某一个灯
亮的时间内如果闭合相应的开关，则该灯会 多亮若干秒，同时蜂鸣器发出声音。这说明此
次的设计是成功的。













1

第一章 设计内容及设计要求

投弹游戏机

基本要求：10个LED灯顺序点亮（移动速度可变），如果能够在 点亮的同时将小球投
中目标，则发出1000HZ庆贺声；
参考原理：系统由无稳态多谐振荡 器、十进制计数器、RS触发器、音频振荡器、喇叭
驱动电路构成；
主要参考器件：555、CD4017、CD4001。

2

第二章 系统设计方案及选择
2.1 方案一
第一部分：利用NE555构成占空比及频率可调的脉冲发生电路（多谐振荡电路）；
第二部 分：由CD4017计数器对由NE555产生的脉冲进行编码、译码和分配工作，其
输出信号用于控制 LED的点亮；
第三部分：利用CD4001因投弹产生的信号进行延时控制LED灯亮时长，并由C D4001
中的或非门构成的音频振荡器驱动蜂鸣器，发出一定频率的祝贺声。
其工作的原理框图如图2.1所示









蜂鸣器
图2.1 方案一原理框图
无稳音频振荡电路
按钮
延时电路
555脉冲形成电路 十进制移位计数器 LED显示
1）555脉冲形成电路：由555芯片、电阻和电位器构成占空比可 调的无稳态多谐振荡
器，产生时钟脉冲；
2）十进制移位计数器：使10个LED顺次循环点亮；
3）LED显示；
4）按钮：其开关模拟投掷小球，投中则产生一脉冲信号；
5）延时电路：产生的脉冲信号，经延时电路延时5秒左右，以驱动音频振荡器；
6）无稳音频振荡器：振荡产生1000Hz左右的音频信号，传输至蜂鸣器；
7）蜂鸣器：小球投中时产生“祝贺”的声响。
2.2 方案二
第一部分：利用NE555构成占空比及频率可调的脉冲发生电路（多谐振荡电路）；
第二部 分：由CD4017计数器对由NE555产生的脉冲进行编码、译码和分配工作，其
输出信号用于控制 LED的点亮；
第三部分：传感器接收小球投中的信号，并将该信号传输给下一级；
3

投 弹 游 戏 机

第四部分：信号经由或非门构成的延时电路产生延时；
第五部分：用555构成的音频振荡受信号控制产生振荡，以驱动蜂鸣器工作。
其工作的原理框图如图2.2所示







555脉冲形成电路 十进制移位计数器 LED显示
传感器 延时电路
蜂鸣器 555 音频振荡器
图2.2 方案二原理框图

1）555 脉冲形成电路：由555芯片、电阻和电位器够成占空比可调的无稳态多谐振荡
器，产生时钟脉冲；
2）十进制移位计数器：使10个LED顺次循环点亮；
3）LED显示；
4）传感器：接收小球投中的信号，并传给下一级电路；
5）延时电路：产生的脉冲信号，经延时电路延时5秒左右，以驱动音频振荡器；
6）555音频振荡器：由555芯片产生一1000Hz左右的音频信号；
7）蜂鸣器：小球投中时产生“祝贺”的声响。
方案一结构简单，易于实际制作及功能的实现，但精度低；
方案二电路结构复杂，成本高，精度也高。
在满足设计要求的前提条件下，应尽量简化电路， 降低成本，并综合考虑实际制作方
面的因素，在此选择方案一。

4

第三章 系统组成及工作原理

3.1 脉冲发生器部分
矩形脉冲发生器的设计电路如图3.1所示：

图3.1 多谐振荡脉冲发生器
当直流电源接通后，电源通过R3、R2和D1对电容C2进行单向充电，当电容 C1充
电到电源电压的23 VCC时，电容C2开始经D2、R1对管脚7进行对地放电。当电容C2
放电到电源电压的13 VC C时，7脚内部断开，电源又开始对电容充电。如此重复该充放电
过程，从而产生脉冲并从3脚输出。
该电路的充放电时间及输出脉冲的占空比和周期如下：
充电时间：T
1
=R11*C2*ln2 式（3.1-1）
其中R11为图3.1-1中的R3及R2的上半部分；
放电时间：T2=R22*C2*ln2 式（3.1-2）
其中R22为图3.1-1中的R1的下半部分；
占空比：q=R11(R11+R22) 式（3.1-3）
当R11=R22时，q=50%，即输出方波；
周期：T=T1+T2=(R11+R22)*C2*ln2 式（3.1-4）
使用电位器是实现占空比及周期的可调功能，从而控制LED灯的时长及循环的速度；
使用两个二极管的目的是使充放电这两个过程独立，实现了对占空比及周期的单独控
制；
5

投 弹 游 戏 机

瓷片电容C1的功能是滤波去杂。

3.2 计时器及LED显示部分
由 于要使LED依次移动，故选择十进制计数器CD4017，CD4017是由计数器和译码器
两部分电 路组成。
CD4017有3个输入端：复位端R，时钟端CP（上升沿输入端）和时钟端CPE（也叫
EN
，
下降沿输入端）；有十个译码输出端：Q0～Q9。在复位状态时，只有Q0
表现为高电平“1”
状态，其它端均为低电平“0”状态。另外还有进位输出端OC，用 于级联以构成多位计数
器。
在选择上升沿作用后，该器件的10个译码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；
第10个输出进入低电平后，进位输出端OC由低电平转换到高电平，并能与时钟允许端连
接成n级，以构成多位计数器，实现更广的计数功能。
CD4017又称时序脉冲分配器。它的功能 是在时钟脉冲的作用下，实现顺序脉冲产生功
能，整个输出时序是Q0～Q1～Q2…Q9…依次出现与 时钟同步的高电平，宽度等于时钟周
期。这种计数器的两个时钟输入端CP和
EN
。当
EN
端接低电平时，计数脉冲由另一输入端
CP输入，在脉冲上升沿时触发计数；当C P端接低电平时，计数脉冲由
EN
端输入，在脉冲
下降沿触发计数。另外，该计数器有 复位清零功能，CD4017的复位端是高电平有效，当清
零端R接高电平时，输出端Q0输出高电平， 将输出初始化，而Q1～Q9输出低电平。
CD4017计数器的时序波形图如图3.2所示：
6

投 弹 游 戏 机


图 3.2
时序波形图


LED显示部分由十个LED灯和十个按键开关组成，一个按 键控制一个LED灯，以模
拟投弹系统。
3.3 电容延时部分
电容延时电路由或非门CD4001构成。（其资料见附录二）
电容延时电路如图3.3所示：

图3.3电容延时电路
输入信号由上图 U1A的悬空端输入，当该端接收到一个脉冲信号时，输出端OUT（即
U1A的输出端）输出低电平， R-S触发器另一输出端（U1B的输出端）由低电平变为高电
平，并通过R给C充电，延时约5秒，R -S触发器OUT端由低电平变为高电平，使R- S触
发器翻转，OUT端由低电平变为高电平，完成延时过程。
3.4 音频振荡部分
音频振荡电路同样由或非门CD4001组成，其电路如图3.4所示：

7

投 弹 游 戏 机


图3.4 音频振荡电路
该电路通过C和R的反馈和反复充放电过程来实现触发器连续不断地翻转，从而使
OUT（即图中的U1C的输出端）产生振荡信号，进而驱动下面的蜂鸣器部分电路。
3.5 系统总图及整体工作原理
3.5.1 系统原理图
将3.1～3.4的各部分电路进行整合 修改，就可以得到如下图3.5所示的投弹游戏机的工
作原理图：
8

投 弹 游 戏 机

5V
VDD
VDD
K1
11
R1
10kΩ
LED11
1
RP1
100kΩ
50%
Key=A
4
C2
100nF
3
R4
20kΩ
4
8
VCC
R2
1kΩ
OUT3
RP2
100kΩ
50%
Key=B
7
RST
DIS
THR
TRI
CON
GND
5
0
137
6
2
14
CP0
~CP1
15
MR
IC1
LED12
6
9
D2
D1
2
5
IC 2
8
8
C3
10nF
VDD
O0
O1
O2
O3
O4
O5
O6
O7
O8
O9
163
2
4
7
10
1
5
6
9
11
15
10
12
13
16
14
17
1819
20
1
1N4148
LM555CM
R3
1kΩ< br>VSS~O5-9
12
4017BP_10V
1N4148
C1
100uF
D3
1N4148
0
R5
10kΩ
0V
VSS
VSS
26
24
V
S
S
4
B4
A
3
B
3
A
2
B
2
A1
B
1
A
LED1
R6
100kΩ
LED13
C4
33uF
25
R8
1Ω
0
R9
100 kΩ
K2
0
R7
1kΩ
LED2LED3LED4LED5LED6 LED7LED8LED9LED10
2822
21
27
C5
10n F
30
R10
47kΩ
23
R11
10kΩ
29< br>5V
VDD
VDD
1
Y
V
D
D
4< br>Y
3
Y
2
Y
IC3
4001BP_5V
K3 K4K5
K6K7K8K9K10K11
32
31
R12
100Ω< br>XLV1
VDD
VDD
5V
VT1
33
Input< br>
图3.5 投弹游戏机工作原理
3.5.2 系统工作过程及原理
如 图3.5所示，当开关K1闭合后，NE555芯片开始工作，产生一定频率及占空比的矩
形波，其频率 由R1、RP1、RP2、C1，实现功能后可调节电位器RP1和RP2来改变矩形波
的频率和占空比 ，其中LED11和LED12分别用来显示输出脉冲的高低电平，当输出脉冲处
9

投 弹 游 戏 机

于高电平时LED12点亮，处于低 电平时LED11点亮，因此，可以通过观察这二盏灯是否循
环点亮和它们两个的点亮时长来判断第一部 分电路是否正常工作及输出脉冲的占空比；
555输出的矩形波由管脚3输出到CD4017的CP输 入端（上升沿触发），此时CD4017
开始工作计时，该芯片的复位清零端（15脚）在由C2和R4 构成的微分电路上电后立即变
成低电平，不再工作于复位状态，即计数器正常计数，当输入端接收第一个 脉冲上升沿时，
Q0输出端立即跳变为低电平，与此同时，Q1输出端跳变为高电平以驱动发光二极管L ED2，
当输入端再接收一个上升沿脉冲时，Q1则变成低电平，其对应的二极管熄灭，同时Q2变为高电平，LED3点亮„„如此循环，实现了十个LED灯的顺序循环点亮；
当在某个灯亮期间 闭合与该灯对应的开关时，联系CD4001的桥梁即连通了，使得由
计数器对应的高电平使CD400 1中的电容延时电路开始工作，不断地进行电平翻转和R6和
C4充放电，实现延时功能，从而使被投中 的那个灯延长点亮时间；再由Y2输出端触发音
频振荡电路工作，使之驱动蜂鸣器发出一定频率的声响， 从而使电路的功能更加完善，其
中LED13用来显示延长时间及蜂鸣时长。



10

第四章 作品调试及结果分析

4.1 作品调试
调试过程中用到了直流电压源和数字示波器和调节电位器的起子。
通过对电路进行的模块设计及调试可以很清楚地知道出错部分，从而对检查错误提供
了方便。
4.2 结果分析
当给整个电路加上5V的直流电压时，闭合开关后可以发现555输出部 分的LED11和
LED12循环点亮，而且，用起子调节电位器RP1和RP2可以发现二灯的灯亮时 长可以出现
很明显的改变，这说明了第一部分电路是成功的。
同时，第二部分的十个LED灯也可以循环顺序点亮，说明第二部分电路工作正常。
闭合某个 开关模拟小球投中后，可以观察到LED13点亮的同时蜂鸣器发出声音，同时
被投中的那个灯延长了相 应的时间，这说明第三部分电路工作正常。
4.3 制作过程中的结果分析
此次制作分模 块进行，第一部分完成后接上示波器观察555输出，发现输出是尖脉冲，
而LED11和LED12的 显示表明了产生的波形占空比可调，撇开波形，只要得到上升沿和下
降沿即可完成第二部分的工作。 < br>第二部分在制作完成后调试发现十个LED灯未实现循环顺序点亮，经多次检查后发现
按键开关不 是对角接，从而出现部分LED灯相互短接的情况，经修改后可以正常点亮了，
这其中还要注意Q0～Q 9对应的管脚，可控制灯亮的顺序。
第三部分则是投弹部分，主要看LED13和蜂鸣器是否正常工作，调试中均有预期效果。


11

第五章 实验结论

通过一周的设计及制作还有调试，可以得到关于设计制作投弹游戏机的一些结论：
1）投弹游戏机的基本组成部分由：脉冲发生、脉冲分配、脉冲显示、信号延时、音频
振荡；
2）脉冲发生部分是产生有高低电平（即有上升沿和下降沿）的波，这里是指矩形波，
以驱动计 数器计数，此部分电路可由函数信号发生器代替工作；
3）计数器的选择可以不是十进制的，只要可以驱动多个LED灯顺序循环点亮即可；
4）此 设计中的CD4001是本设计的精华部分，可实现多个特色功能，如延时等，这样
就可以清楚地观察到 被投中的灯是哪一盏；
5）投弹游戏机中有效利用LED灯显示相关功能，以帮助制作者检查错误；
6）投弹游戏机是一个简易的“老虎机”的制作，该制作较清晰地呈现了其工作模块
及相应的原 理。





12

参考文献

【1】 康华光主编. 电子技术基础. 华中理工大学电子学教研室.
【2】 康华光主编. 电子技术基础. 华中理工大学电子学教研室
【3】 王琉银主编. 数字电路逻辑设计. 高等教育出版社
【4】 毕满清主编. 电子技术试验与课程设计. 机械工业出版社
【5】 宋春荣主编. 通用集成电路速查手册. 山东科学技术出版社
【6】 付子仪主编. 电子技术课程设计指导书. 河南理工大学
【7】 王震江，张常年主编. 综合电子设计与实践.清华大学出版社，2004
【8】 刘修文主编. 新编电子控制电路. 机械工业出版社，2006
【9】 陈有卿主编. 时基集成电路原理与应用. 机械工业出版社，2006
【10】阎石主编.数字电子技术基础.高等教育出版社

13

附录一
A．元件清单

元件类别
芯片
元件名称
555芯片
CD4017
CD4001
电阻
100
1K
10K
20K
47K
100K
电位器
电容
100K
0.1u
0.01u
100u 电解电容
33u 电解电容
二极管 发光二极管
（LED）
硅二极管IN4148 3个
三极管
其他
9013
蜂鸣器
1个
1个
所需数量
1块
1块
1块
1个
3个
3个
1个
1个
3个
2个
1个
2个
1个
1个
13个
B. 调试过程中所需的仪器设备：
仪器名称
双踪示波器
万用表
起子
所需数量
1台
1台
1把
稳压直流电源 1台

14

附录二

A． CD4017的管脚图及真值表







CP
0
*
1
1
1
*
*
CPE
*
1
0
1
*
1
*
R
0
0
0
0
0
0
1
输出QN
N
N
N+1
N+1
N
N
Q0
附图2.1 CD4017管脚图 附表2.1 CD4017真值表
B． CD4001或非门管脚图及真值表








附图2.2 CD4001管脚图

输入端
I1
0
0
1
1
I2
0
1
0
1
输出端
O1
1
0
0
0

附表2.2 CD4001真值表





15

附录三
A． multisim仿真原理图 5V
VDD
VDD
K1
11
R1
10kΩ
LE D11
1
RP1
100kΩ
50%
Key=A
4
C 2
100nF
3
R4
20kΩ
4
8
VCC
R2
1kΩ
OUT
3
RP2
100kΩ
50%
Ke y=B
7
RST
DIS
THR
TRI
CON
GND
5
0
13
7
6
2
14
CP0
~C P1
15
MR
IC1
LED12
6
9
D2
D1
2
5
IC2
8
8
C3
10nF
VDD
O0
O1
O2
O3
O4
O5
O6
O7O8
O9
16
3
2
4
7
10
1
5
6
9
11
15
10
12
13
1614
17
18
19
20
1
1N4148
LM5 55CM
R3
1kΩ
VSS~O5-9
12
4017BP_10V< br>1N4148
C1
100uF
D3
1N4148
0
R 5
10kΩ
0V
VSS
VSS
26
24
V
S
S
4
B
4
A
3
B
3
A
2
B
2
A
1
B
1
A
LED1
R6
100kΩ
LED13
C4
33uF
25
R8
1Ω
0
R9
100kΩ
K2
0
R7
1kΩ
LE D2LED3LED4LED5LED6LED7LED8LED9LED10
2822
21< br>27
C5
10nF
30
R10
47kΩ
23
R11
10kΩ
29
5V
VDD
VDD
1
Y
V
D
D
4
Y
3
Y
2
Y
IC3< br>4001BP_5V
K3K4K5
K6K7K8K9K10K11
32
31
R12
100Ω
XLV1
VDD
VDD
5V
V T1
33
Input

附图3.1 multisim仿真原理图



16

投 弹 游 戏 机

B． protel原理图

附图3.2 protel原理图

17

投 弹 游 戏 机


图

附图3.3 PCB图
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