基于protues仿真设计一款乒乓球游戏机
一、设计题目
设计一款乒乓球游戏机
基本要求：
- 用 8 个发光二极管表示球；用两个按钮分别表示甲乙两个球员的球拍；
- 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），当球达到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，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；
- 甲、乙各有一数码管计分。
附加功能：
裁判有一个按钮，是系统初始化，每次得分后， 按下一次。
二、设计原理及器件
将乒乓球游戏机电路分成 3 块电路：球台驱动电路、控制电路、计分电路。
- 球台驱动电路主要实现球的左右移动显示功能（利用 74LS194 的双向移位功能）和裁判对系统初始化的功能（利用清零端）。
- 控制电路选用 74LS74，利用其置数端可让输出端置 1 或并行输出来控制 74LS194 的移位控制端 S0S1 让 74LS194 完成左移或右移。
- 计分电路具有两位计分功能（采用两片 74LS160 集成 100 进制计数器），采用 74LS48 和共阴数码管完成分数显示。
电路部分器件及个数
| 电路部分 | 器件 | 个数 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 球台驱动电路 | 74LS194 | 2 | ||||
| 计分电路 | 74LS160 | 4 | ||||
| 74LS48 | 4 | |||||
| 74LS04 | 2 | |||||
| 74LS32 | 16 | |||||
| 74LS08 | 4 | |||||
| 控制电路 | 74LS74 | 2 | ||||
| 74LS00 | 2 | |||||
| 74LS32 | 1 | |||||
| 74LS08 | 2 | |||||
两个七段共阴数码管，五个开关，若干导线。
原理图设计
三、 设计内容
球台电路
球台电路通过两个4位双向移位寄存器 74LS194 接成一个 8 位的移位寄存器。接法为：将第一片的左移串行输入端 SL 接到第二片的 Q0 端，将第二片的右移串行输入端 SR 接到第一片的 Q3 端，然后将第一片的 D0 端和第二片的 D3 端置 1，将剩余的其他几个输入端置 0。其功能表如下表：
| MR | S1 | S0 | 工作状态 |
|---|---|---|---|
| 0 | x | x | 置零 |
| 1 | 0 | 0 | 保持 |
| 1 | 0 | 1 | 左移 |
| 1 | 1 | 0 | 右移 |
| 1 | 1 | 1 | 并行输入 |
- 当 MR = 0，其他输入端均为任意值，寄存器输出 Q0、Q1、Q2、Q3 均为 0。清除后，置 MR = 1。此功能对应于裁判员对系统进行初始化。
- 当 MR = S1 = S0 = 1 时，输入任意的 4 位二进制数，当下一个上升沿到来时，将 Q0、Q1、Q2、Q3 置成相应的状态。
- 当 MR = 1、S1 = 0、S0 = 1 时，通过时钟脉冲 CP 依次右移。此功能对应于乒乓球右移。
- 当 MR = 1、S1 = 1、S0 = 0 时，通过时钟脉冲 CP 依次左移。此功能对应于乒乓球左移。
驱动控制电路
驱动控制电路由两片 74LS74、两个与门 74LS08、两个与非门 74LS00、一个或门 74LS32 构成，74LS74 为上升沿触发的 D 触发器，功能表如下：
| 输入 | 输出 | |||
|---|---|---|---|---|
| S | R | CLK | D | Q(n+1) |
| 0 | 1 | x | x | 1 |
| 1 | 1 | ↑ | 1 | 1 |
| 1 | 1 | ↑ | 0 | 0 |
| 1 | 1 | ↓ | x | Q(n) |
S 为置 1 端（低电平有效），R 为置 0 端（低电平有效）
- 当 SW2 = 0 时，两片 D 触发器输出端均为 1 即 S1 = S0 = 1，通过接入 74LS194，实现并行输入功能。
- 当 SW2 = 1，SW1 = 1 时,通过各门电路将 1D 置为 0，将两片 74LS74 的 CLK 信号置 1，则 D 触发器输出端 Qn 为 0 即 S1 = 0，S0 = 1。
- 当 SW2 = 1，SW3 = 1 时,通过各门电路将 2D 置为 1，则 D 触发器输出端 Qn 为 1 即 S1 = 1，S0 = 0。
通过此电路来控制球台灯的左右移位即实现乒乓球的运动。
计分电路
计分电路主要由一面举例：两片 74LS160、两片 74LS48、两片共阴数码管、一个 74LS04 非门、74LS08 与门构成。同步十进制计数器 74LS160 的功能表如下:
| 输入 | 工作模式 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| MR（非） | LOAD（非） | ENT | ENP | CLK | |
| 0 | x | x | x | x | 清零 |
| 1 | 0 | x | x | ↑ | 置数 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | ↑ | 计数 |
| 1 | 1 | 0 | x | x | 保持 |
| 1 | 1 | x | 0 | x | 保持 |
74LS160 为同步十进制计数器，两片正好集成 100 进制计数器，连接方法：将第一片的 RCO(进位端) 连接第二片的 ENT 和 ENP，D1 D2 D3 D4 置 0，置数端和清零端置 1，即可构成 100 进制计数器。将 74LS48 和共阴数码管按顺序接入即可。甲乙击中球加分真值表为：
| Q1(1) | SW1 | Q3(2) | SW3 | 甲 | 乙 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
选用 ENP、ENT 作为 74LS160 的计数控制端，当 ENT = ENP = 1 时计数，当 ENT ＝ ENP ＝ 0 时计分电路处于保持状态。
裁判按钮初始化，利用 74LS194 的 MR 低电平清零功能完成初始化。
甲乙未击中球与甲乙击中球同理利用与门和或门的关系，即可完成甲乙未击中球给对方加分的电路，同样选用 ENP、ENT 作为 74LS160 的计数控制端。
总体电路设计图
四、电路操作与结果分析
图中一共有 4 个开关分别为 SW1 甲选手、SW2 游戏开始键、SW3 乙选手、SW4 裁判初始化按钮、SW5 计数清零按钮。
- 开始时 SW4 和 SW5 置1，其余全置 0。
- 先打开 SW2，再打开先出球的一方假设打开 SW1，球开始往右滚，再打开 SW3，等待击球，若击中球则己方加一分，否则甲方加一分。
- 得分后将 SW4 置 0，游戏初始化，需将全部按钮调至 1，重新开始。
该电路达到了题目中的全部要求：
- 8 个发光二极管表示球，以固定速度向另一方运动。
- 当球达到最后一个发光二极管时，对方击球，球将向相反方向运动。
- 在其他时候击球视为犯规，给对方加 1 分。
- 用两个按钮分别表示甲乙两个球员的球拍和甲、乙各有一数码管计分。
- 裁判有一个按钮，是系统初始化。
五、 注意事项与缺陷
注意
- 该电路规矩严明，不像生活中的乒乓球那般自由，所以一定要按照步骤顺序来，错一步就要重来。
- 因为电路存在反馈计数并且是以时钟激励，所以在步骤 2 时打开 SW3 要在一个时钟脉冲以内。
- 同样因为时钟脉冲的关系在击打球时即关闭开关时，要等灯已经亮的时候再关闭开关，才能击打成功。同样未击打中也是同理。
- 在击打球的时候是连按两下，即关闭开关再打开开关，如同打乒乓球时挥出的胳膊和收回的胳膊。
缺陷：
- 题目中并未给出计数清零，电路会一直运转，无法重复使用。我在电路中加了一个计数清零 SW5，配合 SW4，可以重置整个游戏。
- 目前该电路只能一个鼠标控制多个开关，过于繁琐。要是有如题目般的三个人，电路运行的会更好。
六、工程文件
链接：https://pan.baidu.com/s/1wuFq5SZ9GgAsvxGQ97qimw
提取码：cyqy
Multisim参考文章
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