電工電子綜合課程設(shè)計說明書音樂數(shù)字彩燈控制器設(shè)計.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除1設(shè)計意義及要求1.1設(shè)計意義當(dāng)今時代，信息正是一個高速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，而數(shù)字技術(shù)是信息的基礎(chǔ)。同時數(shù)字技術(shù)是目前發(fā)展最快的技術(shù)領(lǐng)域之一。數(shù)字技術(shù)在數(shù)字集成電路及程度越來越高的情況下，開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)的使用方法和用來實現(xiàn)這些方法的工具已經(jīng)發(fā)生了變化，但大規(guī)模集成電路的基本模塊結(jié)構(gòu)仍然需要基本單元電路的有關(guān)概念，因此用基本邏輯電路來組成大規(guī)模的方法仍然需要我們掌握.作為當(dāng)代大學(xué)生，我們不能只是埋頭于書海，而是應(yīng)該了解社會的需求，學(xué)會將理論與實際有效的結(jié)合在一起，在實踐中去鞏固提高自己。社會需要什么樣的技術(shù)，我們就應(yīng)該去接觸，去學(xué)習(xí)，去創(chuàng)新，我們有義務(wù)去提供這樣的技術(shù)支持。本次課程設(shè)計正是為我們大學(xué)生提供了這樣一個學(xué)習(xí)思考的平臺，目的在與讓學(xué)生綜合運用所學(xué)的知識，對各基本器件的運用更加熟練，也更好的鍛煉學(xué)生的設(shè)計思維和動手設(shè)計能力，為將來的學(xué)習(xí)和工作打下堅實的基礎(chǔ)。 另外，這次課程設(shè)計也是對個人動手能力，團隊合作能力的考察。一滴水，只有融入大海，才不會干涸。同樣，只有小組每個成員竭盡全力的探索，然后毫無保留地分享自己的思想成果，反思自己的不足，吸取別人的精華，這樣才能產(chǎn)生思想的火花，才能精益求精。1.2要求1.）數(shù)碼管自動依次顯示數(shù)字隊列0，1，2，3，4，5，6，7，8，9（自然數(shù)列）；1，3，5，7，9（奇數(shù)列）；0，2，4，6，8（偶數(shù)列）；0，1，2，3，4，5，6，7，0，1（音樂數(shù)列）。然后又依次顯示同上數(shù)列，不斷循環(huán)；2.）打開電源開關(guān)，自動清零，即通電后最先顯示出自然數(shù)列的0，再顯示出1，然后按上述規(guī)律變化.3.）每個數(shù)字的一次顯示時間（從數(shù)碼管顯示之時起到消失之時止）基本相等。4.）嚴格按照課程設(shè)計說明書要求撰寫課程設(shè)計說明書。2方案設(shè)計2.1設(shè)計思路 根據(jù)課題設(shè)計要求，該電路要完成四個數(shù)列的顯示：自然數(shù)列0123456789、奇數(shù)列13579、偶數(shù)列02468、音樂數(shù)列01234576701?？傮w而言，整個電路應(yīng)該由脈沖產(chǎn)生電路，計數(shù)電路，顯示電路構(gòu)成。我們知道555芯片構(gòu)成的多諧振蕩器能夠產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)的脈沖信號。因此，這次課程設(shè)計中，我們把多諧振蕩器連接的電路作為脈沖產(chǎn)生電路。計數(shù)電路的設(shè)計技巧性比較強，不同型號的芯片不同的組合可以構(gòu)成多種計數(shù)電路，完成相同的計數(shù)功能，用來控制四個數(shù)列的循環(huán)顯示。而顯示電路可以選用七段顯示數(shù)碼管最直接的顯示。2.2設(shè)計方案2.2.1方案一（自己的方案） 本方案所用到的元件為555芯片，74ls90，74HC154和一些門電路。該方案主要分為四個部分，第一部分是采用555定時器作為脈沖信號源，通過調(diào)整電容電阻參數(shù)使其產(chǎn)生1Hz的脈沖信號。555定時器具有原理簡單，設(shè)計方便等優(yōu)點，將其作為脈沖信號源能夠穩(wěn)定地產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號。第二部分為選擇工作電路，由74ls90，三態(tài)門，非門，或門等門電路構(gòu)成，可以在不同時間段內(nèi)使不同的循環(huán)電路工作。第三部分為三個循環(huán)電路部分：自然數(shù)列，奇偶數(shù)列，音樂數(shù)列。對于這三個循環(huán)部分，我們很容易想到用十進制計數(shù)器來設(shè)計一個三十進制的計數(shù)器來實現(xiàn)循環(huán)。很顯然，如果是單獨去實現(xiàn)三個循環(huán)功能是很簡單的，我們這里利用由74LS90，三態(tài)門，非門，或門等門電路構(gòu)成的選通電路，在第一個10循環(huán)使脈沖信號作用于自然數(shù)列，第二個10循環(huán)使脈沖信號作用于奇偶數(shù)列，第三個10循環(huán)使脈沖信號作用于音樂數(shù)列。第四部分為顯示電路，由三態(tài)門選擇電路與七段數(shù)碼管組成。 譯 碼 顯 示自 然 循 環(huán) 數(shù) 列系統(tǒng)框圖如圖1選擇工作電路脈沖產(chǎn)生電路奇 偶 循 環(huán) 數(shù) 列音 樂 循 環(huán) 數(shù) 列 圖1 自己方案系統(tǒng)框圖2.2.2方案二（小組的方案） 因為奇數(shù)列的二進制最低位都為1，偶數(shù)列的二進制最低位都為0，音樂數(shù)列的最高位都為0，所以實驗采用了強制置數(shù)法。包括自然數(shù)列和音樂數(shù)列，總共四組數(shù)列，然而奇數(shù)列和偶數(shù)列分別只有5個數(shù)據(jù)，其余數(shù)列都分別有10個數(shù)據(jù)，在共用一個10進制計數(shù)器的情況下，他們的頻率需要有個2倍的關(guān)系，即若自然數(shù)列和音樂數(shù)列采用1HZ頻率，奇數(shù)列和偶數(shù)列須采用2HZ頻率。為了實現(xiàn)上述設(shè)想，利用555定時器連成一個2HZ的脈沖信號，通過一個74LS161實現(xiàn)二分頻功能，從而產(chǎn)生一個1HZ的信號。至于頻率的選擇和強制置數(shù)電位的選自則采用了一片74LS153數(shù)據(jù)選擇器和一片74LS161計數(shù)器進行選擇。最末的計數(shù)器采用的是74LS90構(gòu)成的10進制計數(shù)器，連以七段數(shù)碼顯示管完成最終將數(shù)據(jù)顯示的功能。每當(dāng)完成一次十進制計數(shù)，74LS90的Q3產(chǎn)生的下降沿觸發(fā)第二塊74LS161的CLK，使之進位，通過連以74LS153，在不同數(shù)組時選擇不同頻率和置數(shù)電位。由于強制置數(shù)只需在奇數(shù)列偶數(shù)列音樂數(shù)列時才產(chǎn)生，否則會與10進制計數(shù)器產(chǎn)生的電位重疊，使信號紊亂，所以還需要通過門電路實現(xiàn)分時傳輸?shù)墓δ?。系統(tǒng)框圖如圖22HZ脈沖信號譯碼顯示10進制計數(shù)選擇頻率選擇置數(shù)電位1HZ脈沖信號 圖2 小組方案系統(tǒng)框圖2.3方案比較 方案一是自己的方案，思路簡單，很容易理解電路的工作原理，也不需要分頻，僅涉及數(shù)電知識。但是，它使用的數(shù)字芯片數(shù)量較多，對于實物制作和調(diào)試將會帶來比較大的麻煩。方案二是我們小組設(shè)計的方案，主要是由74LS90，74LS153和74LS161芯片組成的數(shù)列計數(shù)和顯示電路，同時還有諸多門電路組成的循環(huán)電路。該方案是在考慮到第一個方案實物制作很難的情況下，查閱資料，討論修改得到的。在第一次的基礎(chǔ)上明顯簡化了許多，主要就是電路的設(shè)計有點復(fù)雜，還需要分頻。電路設(shè)計思路是比較難想到的。3部分電路設(shè)計3.1脈沖產(chǎn)生電路用555定時器組成的多諧振蕩器如下圖圖3 圖3 多諧振蕩電路接通電源后，電容C被充電，當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時，使Vo為低電平，同時放電三極管T導(dǎo)通，此時電容C通過R2和T放電，Vc下降到Vcc/3時，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需時間為當(dāng)放電結(jié)束時，T截止，Vcc將通過R1R2向電容器C充電，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的時間為當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振諧頻率為。555定時器功能表如表1 表1 555定時器功能表輸入輸出閾值輸入（V11）觸發(fā)值（V12）復(fù)位（RD）輸出（VO）放電管T00導(dǎo)通(2/3)VCC(2/3)VCC(1/3)VCC10導(dǎo)通(1/3)VCC1不變不變 555定時器引腳圖如圖4， 圖4 555定時器引腳圖3.2三十進制循環(huán)電路電路圖如圖5 圖5 三十進制計數(shù)電路由題目要求可知總體大循環(huán)是一個三十進制的循環(huán)，因此電路使用兩個74LS90構(gòu)成，其中個位的計數(shù)器采用十進制，只需將其Q0與CKB連接起來，CKA與脈沖信號連接即構(gòu)成十進制計數(shù)器，并將其Q3輸出與十位計數(shù)器的CKA相連，當(dāng)個位計數(shù)器輸出由1001變?yōu)?000時產(chǎn)生進位信號。而其十位的計數(shù)器應(yīng)為三進制，此時采用將十進制轉(zhuǎn)化為三進制，即將輸出Q0,Q1通過與門后與清零端R0相連，當(dāng)十位循環(huán)由10變?yōu)?1時，計數(shù)器清零，從而組成三十進位計數(shù)器。74ls90功能表如表2 表2 74ls90的功能表 輸 入 輸 出R01R02R91R92Q3Q2Q1Q01100000110000011100100 計 數(shù) 狀 態(tài)000000 通過不同的連接方式，74LS90可以實現(xiàn)四種不同的邏輯功能；而且還可借助R0(1)、R0(2)對計數(shù)器清零，借助R9(1)、R9(2)將計數(shù)器置9。其具體功能詳述如下：(1)計數(shù)脈沖從CKA輸入，Q1作為輸出端，為二進制計數(shù)器。(2)計數(shù)脈沖從CKB輸入，Q4Q3Q2作為輸出端，為異步五進制加法計數(shù)器。(3)若將CKB和Q1相連，計數(shù)脈沖由CKA輸入，Q4、Q3、Q2、Q1作為輸出端，則構(gòu)成異步8421碼十進制加法計數(shù)器。(4)若將CKA與Q4相連，計數(shù)脈沖由CKB輸入，Q1、Q2、Q3、Q4作為輸出端，則構(gòu)成異步5421碼十進制加法計數(shù)器。(5)清零、置9功能。a) 異步清零 當(dāng)R0(1)、R0(2)均為“1”；R9(1)、R9(2)中有“0”時，實現(xiàn)異步清零功能，即Q4Q3Q2Q10000。 b）置9功能當(dāng)R9(1)、R9(2)均為“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”時，實現(xiàn)置9功能，即Q4Q3Q2Q11001。74ls90引腳圖如圖6 圖6 74ls90引腳圖3.3選擇工作電路選擇工作電路如圖7 圖7 選擇工作電路圖 選通電路由74ls90，或門，非門，與門組成。我們可以觀察到，在30個脈沖期間，三十進制計數(shù)器高位輸出變化為00,01,10。當(dāng)三十進制計數(shù)器輸出第一個十循環(huán)時，即計數(shù)器十位輸出為00時，Q0,Q1連接一個二輸入或門后再接反相器，得高電平，即可實現(xiàn)控制自然數(shù)列單元電路的脈沖信號的送入，保證自然數(shù)列電路能工作。當(dāng)三十進制計數(shù)器輸出第二個十循環(huán)時，即計數(shù)器十位輸出為01時，Q0直接與CP脈沖通過一個與門即可實現(xiàn)控制奇偶數(shù)列單元電路脈沖信號的送入。當(dāng)三十進制計數(shù)器輸出第三個十循環(huán)時，即計數(shù)器十位輸出為10時，Q1直接與CP脈沖通過一個與門即可實現(xiàn)控制音樂數(shù)列單元電路脈沖信號的送入。另外有一點要說明的是，當(dāng)相應(yīng)的循環(huán)電路可以接收脈沖信號時，我們應(yīng)該保證相應(yīng)的三態(tài)門接收低電平，使其可以正常工作。 3.4循環(huán)電路1自然數(shù)列循環(huán)，電路圖如圖8 圖8 自然數(shù)列循環(huán)電路自然數(shù)列循環(huán)電路即普通十進制循環(huán)電路,此時我們利用74LS90實現(xiàn):將其Q0與CKB連接起來，CKA與脈沖信號連接即構(gòu)成十進制計數(shù)器。2奇偶循環(huán)電路電路圖如圖9 圖9 奇偶循環(huán)電路我們假設(shè)四個與非門由上至下依次為ABCD,根據(jù)我們設(shè)計要求，對應(yīng)的可以畫出真值表，如表3 表3 奇偶循環(huán)電路真值表 Q0Q1Q2Q3DCBA00000001000100110010010100110111010010010101000001100010011101001000011010011000 由真值表可以寫出：A=m0+m1+m2+m3+m4 B=m1+m3+m6+m8 C=m2+m3+m7+m8 D=m4+m974154這種單片4 線16 線譯碼器非常適合用于 高性能存儲器的譯碼器。當(dāng)兩個選通輸入G1 和G2 為低時, 它可將4 個二進制編碼的輸入譯成16 個互相獨立的輸出之一。 74HC154引腳圖如圖10 圖10 74HC154引腳圖邏輯功能如表4 表4 74HC154邏輯功能INPUTS 輸入SELECTED OUTPUT 選定輸出(L)G1G2DCBALLLLLLY0LLLLLHY1LLLLHLY2LLLLHHY3LLLHLLY4LLLHLHY5LLLHHLY6LLLHHHY7LLHLLLY8LLHLLHY9LLHLHLY10LLHLHHY11LLHHLLY12LLHHLHY13LLHHHLY14LLHHHHY15XHXXXXNONEHXXXXXNONE 3. 音樂數(shù)字循環(huán)電路4. 循環(huán)電路圖如圖11 圖11 音樂循環(huán)電路音樂數(shù)列循環(huán)即輸出為0,1,2,3,4,5,6,7,0,1，本方案中采用將十進制計數(shù)器轉(zhuǎn)化為八進制計數(shù)器，進行07的循環(huán)，再將輸出的Q3與74LS139的第三個輸出連接置零端，即完成7之后變回0，接著再0，1完成音樂數(shù)列的循環(huán)。另外要注意的是，在完成第一次0123456701循環(huán)之后，74ls90輸出還為0001，所以一定要進行清零，可以將30循環(huán)計數(shù)器的十位輸出Q0Q1接與門后再連接到音樂循環(huán)電路的清零端。3.5顯示電路：顯示電路是通過運用三態(tài)門對輸出有效循環(huán)進行選擇，然后在七段數(shù)碼管上輸出顯示。其中三態(tài)門的使能端通過譯碼器74LS139的輸出狀態(tài)來進行控制。4調(diào)試與檢測4.1 調(diào)試中故障及解決方法紙上畫好電路圖后，在Proteus上連接電路，點擊仿真按鈕后觀察現(xiàn)象（1）循環(huán)時奇偶電路沒有按1357902468變化，而是胡亂跳動，其余兩個循環(huán)電路正常工作，這說明只有奇偶電路出現(xiàn)問題，我們只需檢查奇偶電路即可，大大地縮小了我們檢查的范圍。原來是畫圖時疲倦，一時大意，將四輸入與非門當(dāng)做四輸入與門連入電路，修改回來后奇偶電路恢復(fù)正常。（2）第一次音樂數(shù)列循環(huán)時電路正常顯示，而到了第二次循環(huán)時，當(dāng)數(shù)列由奇偶數(shù)列轉(zhuǎn)化為音樂數(shù)列時不是從0開始，而是從2開始，接著再345670123，這說明音樂數(shù)列循環(huán)在第二次循環(huán)時發(fā)生錯誤。剛開始覺得非常不可思議，為什么第一次循環(huán)時可以正常顯示，而第二次循環(huán)卻出現(xiàn)問題。我根據(jù)運行時各點電平高低（紅為高電平，綠為低電平）來檢查電路，發(fā)現(xiàn)在音樂數(shù)列循環(huán)電路中，計數(shù)器74LS90的清零端只與自身的Q3相連，只能完成八進制計數(shù)，而無法保證完成0123456701之后清零，也就是說，當(dāng)?shù)谝淮窝h(huán)之后，計數(shù)保持在二進制數(shù)1，所以第二次音樂數(shù)列接收到第一個脈沖時，是在1的基礎(chǔ)上開始計數(shù)，即變?yōu)?。解決方法是將三十進制電路中十位的74ls90的Q0Q1連接到兩輸入與門之后再連接到音樂循環(huán)電路74ls90的清零端。這樣完成一個30進制循環(huán)后，音樂數(shù)列電路也可以清零。4.2 調(diào)試與運行結(jié)果 在解決上面幾個問題之后，電路即可按設(shè)計要求工作：先顯示自然數(shù)列0123456789，隨后數(shù)碼管輸出顯示1,3,5,7,9,0,2,4,6,8的奇偶數(shù)列，最后數(shù)碼管輸出顯示0,1,2,3,4,5,6,7,0,1的音樂數(shù)列，并按上述規(guī)律不斷循環(huán)。5 仿真操作步驟及使用說明5.1 各部件說明U22為555定時器構(gòu)成的頻率為1.6Hz的時鐘脈沖信號。U11、U12構(gòu)成三十進制計數(shù)器，U13：A為2線-4線譯碼器；U11、U12、U13：A構(gòu)成選通電路。U1為十進制計數(shù)器，構(gòu)成自然數(shù)列的循環(huán)電路；U2為十進制計數(shù)器，U3為4線-16線譯碼器，它們構(gòu)成奇偶數(shù)列的循環(huán)電路；U6構(gòu)成八進制計數(shù)器，其通過合理連線構(gòu)成音樂數(shù)列的循環(huán)電路。5.2 操作說明點擊仿真按鍵，電路開始工作，首先數(shù)碼管輸出顯示0,1,2,3,4,5,6,7,8,9的自然數(shù)列，隨后數(shù)碼管輸出顯示1,3,5,7,9,0,2,4,6,8的奇偶數(shù)列，最后數(shù)碼管輸出顯示0,1,2,3,4,5,6,7,0,1的音樂數(shù)列，并按上述規(guī)律不斷循環(huán)。6結(jié)束語通過這次為期十天左右的電工電子課程設(shè)計，我收獲頗多：首先，在設(shè)計過程中確確實實的感受到將理論運用到實踐中的樂趣，雖然沒有做實物，但是仿真的直觀感覺也讓人有趣，能讓數(shù)碼管按照要求來顯示還是一件很有成就感的事。在十二個課題中，我們一致覺得最簡單的是那個籃球比賽24秒計時器設(shè)計 ，思路簡單，而且剛好前不久我們數(shù)電實驗做過一個電子鐘的設(shè)計，其中就有24進制。但是如果選擇它，我們就沒有提高，沒有創(chuàng)新，那么我們這次的課程設(shè)計也就失去了意義。綜合考慮，我們選擇了音樂數(shù)字彩燈控制器設(shè)計。確定題目之后，小組成員都是埋頭苦干，查資料，畫草稿，學(xué)習(xí)使用仿真軟件，遺憾的是前期我們沒有很好的交流，最后匯總的時候發(fā)現(xiàn)雷同現(xiàn)象有點嚴重。于是，我們討論一番之后，修改了各自的方案，最后雖然總的思路是一樣的，但元器件的使用，門電路的使用還是有很大的不同。以我個人為例，最初我的選通電路是利用一個74ls139加上多個反相器構(gòu)成的。考慮到選通電路就是為了在三十進制電路的高位輸出為00,01,10三個不同狀態(tài)時，選擇不同循環(huán)電路工作，我直接從高位的Q0Q1接線，再加上門電路，這樣就減少了74ls139這種芯片。奇偶循環(huán)電路中，我最初選擇的是74ls42，也就是4線10線十進制譯碼器，查閱資料可知，74ls154是4線16線譯碼器，在本次設(shè)計中也可以運用，多余管腳可以不用考慮，于是為了避免雷同現(xiàn)象，我用74ls154代替了74ls42。不過我