乒乓球游戲控制電路的設(shè)計(jì)與仿真

高美蓉

(寶雞文理學(xué)院 物理與光電技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721016)

0 引 言

在信息社會(huì)高速發(fā)展的今天，數(shù)字電路芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高度集成化，并逐步滲透到各個(gè)領(lǐng)域，智能化的娛樂產(chǎn)品也走進(jìn)了我們的生活[1-2]。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字芯片，以multisim 12.0軟件為平臺(tái)進(jìn)行仿真，完成對(duì)乒乓球游戲電路的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)為甲、乙雙方參賽，裁判參與的乒乓球比賽游戲電路。裁判有一個(gè)按鈕，是系統(tǒng)初始化，比賽開始。用八只排成長(zhǎng)串的指示燈(發(fā)光二極管)用來代表球的軌跡，其中一個(gè)亮的指示燈用來顯示球的當(dāng)前位置，用一個(gè)時(shí)鐘脈沖源使點(diǎn)亮的指示燈依次從左向右，或從右向左移動(dòng)，其速度應(yīng)能調(diào)節(jié)，一般為1 s轉(zhuǎn)換一次。用兩個(gè)按鈕開關(guān)作為球拍，表示甲乙兩人參加比賽。當(dāng)球到達(dá)甲方時(shí)，應(yīng)立即按動(dòng)開關(guān)(電路應(yīng)只能響應(yīng)按鈕信號(hào)的前沿，若重復(fù)按動(dòng)或持續(xù)按下去，將不起作用)，表示回球，球到達(dá)乙時(shí)，同樣也應(yīng)立即按動(dòng)乙方的開關(guān)，將球回?fù)舻綄?duì)方去。若擊中，則乒乓球向相反方向移動(dòng)，若未擊中，則對(duì)方得一分。在其他時(shí)候擊球視為犯規(guī)，給對(duì)方加1分；都犯規(guī)，各自加1分；設(shè)置自動(dòng)計(jì)分電路，甲、乙各有一個(gè)2位數(shù)碼管計(jì)分；一方先到達(dá)11分，指示燈亮，電路自動(dòng)響鈴3 s，該局比賽結(jié)束?？傮w設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖

2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述任務(wù)分析

與功能描述，確定設(shè)計(jì)方案[3-5]，整個(gè)電路由控制電路系統(tǒng)、球臺(tái)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)、乒乓球的運(yùn)動(dòng)電路系統(tǒng)、記分顯示響鈴電路系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 乒乓球游戲控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2.1 控制電路系統(tǒng)

由3個(gè)按鍵分別代表裁判員、甲方和乙方，如圖3所示，S4代表裁判員所持按鈕，S5代表甲方所持按鈕，S6代表乙方所持按鈕。S4接D觸發(fā)器的直接置位端PR(低電平有效),當(dāng)開關(guān)S4接高電平時(shí)裁判表示比賽開始并且由甲方或者乙方玩家先發(fā)球。開關(guān)S5接高電平表示甲方發(fā)球，開關(guān)S6接高電平表示乙方發(fā)球。

圖3 球臺(tái)驅(qū)動(dòng)和控制電路系統(tǒng)

2.2 球臺(tái)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)

該電路由2片D觸發(fā)器、與門、與非門和或門組成，如圖3所示。D觸發(fā)器為上升沿觸發(fā)[6]，2片D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)與或門的輸出相連。當(dāng)開關(guān)S4接高電平時(shí)裁判表示比賽開始，考慮甲先發(fā)球的情況:S5=1，QA=1，D1=0，S6=0， D1=0，D2=1，即S1=0，S0=1，CLK有上升沿，球右移。當(dāng)球到達(dá)最右邊時(shí)，QD=1，這時(shí)將開關(guān)S6接高電平，S1=0，S0=0，CLK有上升沿，球左移。當(dāng)球在運(yùn)動(dòng)時(shí)，還沒有到達(dá)最右邊或者最左邊，此時(shí)若有一方擊球則犯規(guī)，另一方得分；當(dāng)球最右邊時(shí)(未熄滅之前)時(shí)，若S6未按下?lián)羟蜴I，則甲方得分。乙先發(fā)球的情況與甲相同，此處不作過多討論。

2.3 乒乓球運(yùn)動(dòng)電路系統(tǒng)

8個(gè)二極管代表乒乓球的位置，兩片4位雙向移位寄存器74LS194級(jí)連，連接方式如圖4所示：兩片74LS194的S0和S1并聯(lián)，S0和S1分別接兩個(gè)D觸發(fā)器Q端。時(shí)鐘信號(hào)CLK相并聯(lián)接1秒時(shí)鐘信號(hào)。CLR清零端接高電平，表示無效。S0=0，S1=0，保持；S0=0，S1=1，左移；S0=1，S1=0，右移；S0=1，S1=1，并行輸入;SR為右移串引輸入端；SL為左移串引輸入端.第一個(gè)片子的QD與第二個(gè)片子的SR(右移)相連接,第二個(gè)片子的QA與第一片的SL(左移)相連接, 將兩片4位雙向移位寄存器74LS194級(jí)連，構(gòu)成一個(gè)8位雙向移位寄存器，驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED燈表示乒乓球的移動(dòng)。

2.4 記分顯示響鈴電路系統(tǒng)

該系統(tǒng)由2片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160、2片LED數(shù)碼管和門電路構(gòu)成，如圖5所示。時(shí)鐘信號(hào)CLK相并聯(lián)接1秒時(shí)鐘信號(hào)。由2片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160級(jí)聯(lián)構(gòu)成11進(jìn)制計(jì)數(shù)器，甲、乙各有一個(gè)2位數(shù)碼管計(jì)分。74LS160的使能端ENP和ENT接在一起，高電平有效[7-8]，當(dāng)球到達(dá)甲方時(shí)：QA=1時(shí)，如果甲方接球S5=1，則EPN=EPT=0，乙方不得分；QA=1時(shí)，如果甲方接球提前或推后即S5=0，則EPN=EPT=1，乙方得分。當(dāng)球到達(dá)乙方時(shí)類似。甲乙雙方任意一方得分累計(jì)到達(dá)11分，指示燈亮，電路自動(dòng)響鈴3 s，該局比賽結(jié)束，得分清零。

圖5 記分顯示響鈴電路系統(tǒng)

3 總體電路的設(shè)計(jì)與仿真

各單元電路的設(shè)計(jì)與仿真完成后,最后連接各單元電路,實(shí)現(xiàn)整個(gè)乒乓球游戲電路系統(tǒng)。將控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路送入到移位寄存器74ls194中，如圖6所示,驅(qū)動(dòng)LED燈，表示乒乓球當(dāng)前的位置。兩個(gè)記分顯示響鈴電路是由兩片74ls160構(gòu)成的十一進(jìn)制計(jì)數(shù)器，分別記錄甲方的得分和乙方的得分。甲方失球或犯規(guī)，乙方得分，同理乙方失球或犯規(guī)，甲方得分。如圖7所示，甲乙雙方任意一方得分累計(jì)到達(dá)11分，該方電路自動(dòng)響鈴3 s，指示燈亮，雙方得分清零，該局比賽結(jié)束。達(dá)到了乒乓球游戲電路的設(shè)計(jì)要求。

圖6 乒乓球移動(dòng)仿真圖

圖7 對(duì)打比分圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的乒乓球游戲控制電路，以數(shù)字芯片為核心，通過按鍵的控制，模擬了乒乓球游戲過程中的裁判控制、選手擊球；led燈模擬了球的左右移動(dòng)過程和提醒功能；數(shù)碼管顯示了比分情況。游戲過程可直觀顯示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理清晰，易于實(shí)現(xiàn)。在后期還要不斷地對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，增加發(fā)球顯示和發(fā)球記錄信號(hào)，只有通過不斷完善，才能完成一個(gè)最佳最實(shí)用的電路[9]。