基于Multisim的拔河游戏机设计与仿真

周新淳

（宝鸡文理学院 陕西 宝鸡 721016）

电子设计与仿真是高校工科类教学中非常重要的知识点，是将理论知识转换为实践能力的关键环节。文中针对目前数字电路中综合性、设计性的的实验要求，设计了拔河游戏模拟器，并利用Multisim软件进行了仿真[1]。

1 设计要求与任务分析

1.1 设计要求

设计一个拔河游戏模拟装置，要求：通过两个按键开关模拟拔河双方，用LED灯模拟拔河进度，用数码管显示比赛结果。

1.2 任务分析

根据任务要求，由一排LED发光管模拟拔河进度，初始状态最中间的LED灯亮，其他为灭状态。当A按键时，灯向A方向依次亮，形成向A端移动的效果，当B按键时，灯向B方向依次亮，形成向B端移动的效果。当移动到一方终点时，本方获胜，另一方的按键将失效，并且在数码管端显示胜利次数。为了方便起见，两侧的LED发光管可以采用不同颜色。另设一按键作为裁判复位端口，此按键按下将使点亮的LED灯重新回到队列中间，开始新一轮比赛。

1.3 电路原理图

根据上述任务分析与功能描述，确定设计方案，整个电路由开关控制电路等4个模块组成，如图1所示[2]。

图1 功能描述Fig.1 Functional description

2 电路设计与仿真

2.1 开关控制电路设计

由图1所示电路功能，开关控制电路主要控制四个按键的工作状态。其中开关J1中包含两个开关，用于模拟参赛双方，为方便用键盘进行控制，设置开关J1中这两个开关的控制键为“A”键和“B”键，即Key=A和Key=B。如此，不论按键A还是按键B，每按下一次，LED灯向己方移动一次。当LED发光管移动至最左端或者最右端的时候，这时比赛结束，LED发光管的状态以及数码管的显示状态都不能再改变，这里将最左端和最右端的LED正极用异或门接至4-16译码器4514的锁存端EL端口，正常比赛状态下，两边同为低电平，异或门输出为低电平。当A或者B胜利时，最左端或者最右端一位为高电平，这时异或门输出为高电平，芯片4514处于锁存状态，按键A，B均失效。开关J2用于控制计数器和LED队列的复位，当按键J2按下时，计数器和驱动LED队列的译码器复位，从而使亮灯的LED回到队列中间，等待下一次比赛开始。按键J3用于控制数码管的复位，在按键J3未按下前，两个数码管分别记录A、B两队的胜利次数，最大记录次数为9。当按键J3按下时，两个数码管都复位，显示为零。数码管复位按键与十进制计数器4518的复位端相连，高电平有效[3-4]。开关控制电路如图2所示。

2.2 振荡电路设计

CC40193是可逆计数器，控制加减的CP脉冲分别加至5脚和4脚，此时当电路要求进行加法计数时，减法输入端CPD必须接高电平；进行减法计数时，加法输入端必须接高电平。若直接由普通按键A，B键产生的脉冲加到CPU或者CPD，那么有很多时机在进行计数输入时另一计数输入端为低电平，使计数器不能计数，双方按键均失去作用，拔河比赛不能正常进行。使用555定时器与RC组成单稳态电路，调整其参数，使其产生一个占空比很大的脉冲，这样就减少了进行某一计数时另一计数输入为低电平的可能性，从而使每一次按键都有可能进行有效的计数。基于555定时器的时钟脉冲发生电路如图3所示。

图3 时钟脉冲发生器Fig.3 Clock pulse generator

2.3 计数器电路设计

假设初始值为0,A键按下计数器加1，B键按下计数器减1，用加法和减法的思想来控制LED发光管的左移和右移。基于需要加减同时使用的情况，选用集成加减计数器40193。A键接40193的CPU端口，按下时，向40193发送加法脉冲，执行加法操作；B键接40193的CPD接口，向40193发送减法脉冲，执行减法操作[5]。计数电路如图4所示。

图4 计数电路Fig.4 Counting circuit

2.4 译码显示电路设计

40193加减计数器输出为四位，接LED发光管效果不明显，所以用4-16译码器4514将其输出扩展为16位，其中选中其15位或者7位（选取奇数个是为了使起始点居中）接15个或者7个LED发光管正极，LED发光管负极接地。接LED管时要注意，4-16译码器的输出第一位Y0应该是计数零点，即拔河标志位起点，故应该置于LED队列最中间，LED向左方向为计数加的方向，所以输出第二位Y1应该与LED队列中间靠左边一位相连，以此类推；最后一位输出Y15应该是初始状态下减1后的最大值，LED显示减法应该向右移动，所以Y15应该与LED队列中间靠右边一位相连，以此类推。LED发光电路如图5所示。

当LED移至最左端或者最右端时，一方获胜，此时数码管上应该显示胜利次数。具体连线为，从两边LED发光管的正极引出一条线，接至十进制计数器4518的CP端口，4518的输出接七段码译码器4511，4511接共阴极LED数码管。4518的CP端口上升沿有效，平时为低电平，当LED发光管移动至两边时，CP端为高电平，从而出现一次上升沿，计数器加1，数码管显示加1。译码显示电路图如图6所示。

当LED发光管移动至最左端或者最右端的时候，这时比赛结束，LED发光管的状态以及数码管的显示状态都不能再改变，这里将最左端和最右端的LED正极用异或门接至4-16译码器4514的锁存端EL端口，正常比赛状态下，两边同为低电平，异或门输出为低电平。当A或者B胜利时，最左端或者最右端一位为高电平，这时异或门输出为高电平，芯片4514处于锁存状态，按键A，B均失效[6]。

2.5 总体电路设计与仿真

图5 LED电路Fig.5 LED circuit

图6 译码显示电路Fig.6 Decoder and display circuit

在Multisim主界面内，将上述各单元电路组合起来，按各自对应的关系相互连接构成电子拔河仿真电路。为使总体电路布线清晰、简单明了，采用层次电路设计方法，仿真结果良好，能直观正确的体现拔河游戏的全过程。

3 结束语

本文设计的电子拔河游戏器，能通过按键模拟拔河过程，游戏过程可直观显示，结构简单，原理清晰，易于实现。在电路设计仿真完成之后，再构建实际电路，从而降低了成本，大大提高了电路设计的效率。

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