一、設計題目

??設計一款乒乓球游戲機

基本要求：

用 8 個發光二極管表示球；用兩個按鈕分別表示甲乙兩個球員的球拍；

一方發球后，球以固定速度向另一方運動（發光二極管依次點亮），當球達到最后一個發光二極管時，對方擊球（按下按鈕）球將向相反方向運動，在其他時候擊球視為犯規，給對方加 1 分；都犯規，各自加 1 分；

甲、乙各有一數碼管計分。

附加功能：

??裁判有一個按鈕，是系統初始化，每次得分后， 按下一次。

二、設計原理及器件

??將乒乓球游戲機電路分成 3 塊電路：球臺驅動電路、控制電路、計分電路。

球臺驅動電路主要實現球的左右移動顯示功能（利用 74LS194 的雙向移位功能）和裁判對系統初始化的功能（利用清零端）。

控制電路選用 74LS74，利用其置數端可讓輸出端置 1 或并行輸出來控制 74LS194 的移位控制端 S0S1 讓 74LS194 完成左移或右移。

計分電路具有兩位計分功能（采用兩片 74LS160 集成 100 進制計數器），采用 74LS48 和共陰數碼管完成分數顯示。

電路部分器件及個數

電路部分器件個數

球臺驅動電路	74LS194			2
計分電路	74LS160			4
	74LS48			4
	74LS04			2
	74LS32			16
	74LS08			4
控制電路	74LS74			2
	74LS00			2
	74LS32			1
	74LS08			2

??兩個七段共陰數碼管，五個開關，若干導線。

原理圖設計

三、 設計內容

球臺電路

??球臺電路通過兩個4位雙向移位寄存器 74LS194 接成一個 8 位的移位寄存器。接法為：將第一片的左移串行輸入端 SL 接到第二片的 Q₀ 端，將第二片的右移串行輸入端 SR 接到第一片的 Q₃ 端，然后將第一片的 D₀ 端和第二片的 D₃ 端置 1，將剩余的其他幾個輸入端置 0。其功能表如下表：

MRS1S0工作狀態

0	x	x	置零
1	0	0	保持
1	0	1	左移
1	1	0	右移
1	1	1	并行輸入

當 MR = 0，其他輸入端均為任意值，寄存器輸出 Q₀、Q₁、Q₂、Q₃ 均為 0。清除后，置 MR = 1。此功能對應于裁判員對系統進行初始化。

當 MR = S₁ = S₀ = 1 時，輸入任意的 4 位二進制數，當下一個上升沿到來時，將 Q₀、Q₁、Q₂、Q₃ 置成相應的狀態。

當 MR = 1、S₁ = 0、S₀ = 1 時，通過時鐘脈沖 CP 依次右移。此功能對應于乒乓球右移。

當 MR = 1、S₁ = 1、S₀ = 0 時，通過時鐘脈沖 CP 依次左移。此功能對應于乒乓球左移。

驅動控制電路

??驅動控制電路由兩片 74LS74、兩個與門 74LS08、兩個與非門 74LS00、一個或門 74LS32 構成，74LS74 為上升沿觸發的 D 觸發器，功能表如下：

輸入輸出

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 為置 1 端（低電平有效），R 為置 0 端（低電平有效）

當 SW2 = 0 時，兩片 D 觸發器輸出端均為 1 即 S₁ = S₀ = 1，通過接入 74LS194，實現并行輸入功能。

當 SW2 = 1，SW1 = 1 時,通過各門電路將 1D 置為 0，將兩片 74LS74 的 CLK 信號置 1，則 D 觸發器輸出端 Qⁿ 為 0 即 S₁ = 0，S₀ = 1。

當 SW2 = 1，SW3 = 1 時,通過各門電路將 2D 置為 1，則 D 觸發器輸出端 Qⁿ 為 1 即 S₁ = 1，S₀ = 0。

??通過此電路來控制球臺燈的左右移位即實現乒乓球的運動。

計分電路

??計分電路主要由一面舉例：兩片 74LS160、兩片 74LS48、兩片共陰數碼管、一個 74LS04 非門、74LS08 與門構成。同步十進制計數器 74LS160 的功能表如下:

輸入工作模式

MR（非）	LOAD（非）	ENT	ENP	CLK
0	x	x	x	x	清零
1	0	x	x	↑	置數
1	1	1	1	↑	計數
1	1	0	x	x	保持
1	1	x	0	x	保持

??74LS160 為同步十進制計數器，兩片正好集成 100 進制計數器，連接方法：將第一片的 RCO(進位端) 連接第二片的 ENT 和 ENP，D₁ D₂ D₃ D₄ 置 0，置數端和清零端置 1，即可構成 100 進制計數器。將 74LS48 和共陰數碼管按順序接入即可。甲乙擊中球加分真值表為：

Q₁(1)SW1Q₃(2)SW3甲乙

1	1	0	0	1	0
0	0	1	1	0	1

??選用 ENP、ENT 作為 74LS160 的計數控制端，當 ENT = ENP = 1 時計數，當 ENT ＝ ENP ＝ 0 時計分電路處于保持狀態。

??裁判按鈕初始化，利用 74LS194 的 MR 低電平清零功能完成初始化。

??甲乙未擊中球與甲乙擊中球同理利用與門和或門的關系，即可完成甲乙未擊中球給對方加分的電路，同樣選用 ENP、ENT 作為 74LS160 的計數控制端。

總體電路設計圖

四、電路操作與結果分析

??圖中一共有 4 個開關分別為 SW1 甲選手、SW2 游戲開始鍵、SW3 乙選手、SW4 裁判初始化按鈕、SW5 計數清零按鈕。

開始時 SW4 和 SW5 置1，其余全置 0。

先打開 SW2，再打開先出球的一方假設打開 SW1，球開始往右滾，再打開 SW3，等待擊球，若擊中球則己方加一分，否則甲方加一分。

得分后將 SW4 置 0，游戲初始化，需將全部按鈕調至 1，重新開始。

??該電路達到了題目中的全部要求：

• 8 個發光二極管表示球，以固定速度向另一方運動。
• 當球達到最后一個發光二極管時，對方擊球，球將向相反方向運動。
• 在其他時候擊球視為犯規，給對方加 1 分。
• 用兩個按鈕分別表示甲乙兩個球員的球拍和甲、乙各有一數碼管計分。
• 裁判有一個按鈕，是系統初始化。

五、 注意事項與缺陷

注意

該電路規矩嚴明，不像生活中的乒乓球那般自由，所以一定要按照步驟順序來，錯一步就要重來。

因為電路存在反饋計數并且是以時鐘激勵，所以在步驟 2 時打開 SW3 要在一個時鐘脈沖以內。

同樣因為時鐘脈沖的關系在擊打球時即關閉開關時，要等燈已經亮的時候再關閉開關，才能擊打成功。同樣未擊打中也是同理。

在擊打球的時候是連按兩下，即關閉開關再打開開關，如同打乒乓球時揮出的胳膊和收回的胳膊。

缺陷：

題目中并未給出計數清零，電路會一直運轉，無法重復使用。我在電路中加了一個計數清零 SW5，配合 SW4，可以重置整個游戲。

目前該電路只能一個鼠標控制多個開關，過于繁瑣。要是有如題目般的三個人，電路運行的會更好。

六、工程文件

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1wuFq5SZ9GgAsvxGQ97qimw
提取碼：cyqy

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Multisim參考文章

總結

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