游樂場“空中飛椅”控制電路電子課程設(shè)計(jì)

1、電 子 課 程 設(shè) 計(jì) 游樂場“空中飛椅”控制電路 學(xué)院：電子信息工程學(xué)院 專業(yè)、班級(jí)：自動(dòng)化121501班 姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師：任青蓮 2014年12月19目 錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求3二、總體框圖32.1、模塊說明32.2、設(shè)計(jì)思路4三、選擇器件43.1、實(shí)驗(yàn)所需原件43.2、器件說明4四、功能模塊104.1、脈沖模塊104.2、計(jì)時(shí)模塊114.3、水平位移模塊124.4、豎直位移及最后10秒亮燈提示模塊12五、總體設(shè)計(jì)電路圖135.1、總體電路原理圖135.2、Multism仿真結(jié)果145.3、硬件實(shí)驗(yàn)17六、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)18游樂場“空中飛椅”控制電路一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求本設(shè)計(jì)內(nèi)容僅

2、考慮如何實(shí)現(xiàn)對“空中飛椅”的控制，其電動(dòng)裝置不在設(shè)計(jì)之列。綜合要求，設(shè)計(jì)任務(wù)如下： 控制飛椅在空中飛行時(shí)間僅為五分鐘（即300秒）；1. 0100秒飛椅正方向旋轉(zhuǎn)；100200秒，飛椅反方向旋轉(zhuǎn)；200300秒飛椅再次正方向旋轉(zhuǎn)； 在豎直方向上，實(shí)現(xiàn)有縱向位移，即：020秒，無縱向位移；20秒40秒，有縱向位移；40秒60秒，無縱向位移，60秒80秒，有縱向位移，以此類推； 在五分鐘里的最后10秒有燈光提示游客，游戲即將結(jié)束； 游戲結(jié)束，封鎖電路，飛椅停止旋轉(zhuǎn)。二、總體框圖 2.1模塊說明（1）脈沖模塊：脈沖模塊是由定時(shí)器555組成多諧振蕩器而構(gòu)成的，可以產(chǎn)生一定頻率的脈沖。（2）計(jì)時(shí)模塊：計(jì)

3、時(shí)模塊是由三個(gè)74LS160芯片組合而成的三百進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（3）正反方向旋轉(zhuǎn)模塊：此模塊是進(jìn)行水平位移的控制，其核心芯片是74LS138。（4）縱向位移模塊：主要是一個(gè)74LS160芯片組合。（5）10秒倒計(jì)時(shí)模塊：由4個(gè)74LS08芯片和2個(gè)74LS04芯片組成。2.2設(shè)計(jì)思路 計(jì)時(shí)模塊：首先需要設(shè)計(jì)一個(gè)三百進(jìn)制的計(jì)時(shí)電路。該電路在計(jì)數(shù)300時(shí)進(jìn)行封鎖，使電路不再工作。而要使電路重新工作，必須設(shè)置清零端。時(shí)鐘信號(hào)選擇50赫茲，所以此計(jì)時(shí)電路具有異步清零功能。 正反方向旋轉(zhuǎn)控制模塊：該電路主要功能是進(jìn)行選擇，即選擇正向旋轉(zhuǎn)或是反向旋轉(zhuǎn)。所以其核心器件應(yīng)該是74LS138，即三線八線譯碼器。在選

4、擇時(shí)，正向旋轉(zhuǎn)我們用X1表示，反向旋轉(zhuǎn)用燈X2表示，當(dāng)電路不再工作時(shí)，燈X1、X2均處于熄滅狀態(tài)。 縱向位移控制模塊：該部分電路應(yīng)從計(jì)時(shí)部分電路考慮，即20秒就會(huì)出現(xiàn)一次變化，有縱向位移時(shí)，我們用燈X3來表示，每隔20秒，燈X3就會(huì)亮或滅一次，持續(xù)時(shí)間為20秒。 最后10倒計(jì)時(shí)控制模塊：因?yàn)殡娐酚峙c時(shí)間有關(guān)系，所以要看計(jì)時(shí)電路的選擇。提示游客的燈用X4來表示。 脈沖模塊：脈沖模塊是由定時(shí)器555組成多諧振蕩器而構(gòu)成的，產(chǎn)生的頻率由公式：f=1/0.69(R1+2R2)C1計(jì)算而得。三、選擇器件 3.1實(shí)驗(yàn)所需原件表1 實(shí)驗(yàn)所需元器件表器件型號(hào)數(shù)量十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS1603三線八線譯碼器74L

5、S1381二輸入與門74LS084非門74LS046與非門74LS002信號(hào)發(fā)生器XFG11單刀雙擲開關(guān)13.2器件說明（1） 74LS160的邏輯符號(hào) 圖1 74LS160的邏輯符號(hào)表2 74LS160邏輯功能表清零預(yù)置使能時(shí)鐘預(yù)置數(shù)據(jù)輸入輸出工作模式CLRLOADENP ENTCPD3 D2 D1 D0Q3 Q2 Q1 Q00×× ××× × × ×0 0 0 0異步清零10× × d3 d2 d1 d0d3 d2 d1 d0同步清零110 ××× ×

6、 × ×保 持?jǐn)?shù)據(jù)保持11× 0×× × × ×保 持?jǐn)?shù)據(jù)保持111 1× × × ×保 持加法計(jì)數(shù)160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，內(nèi)部原理圖如圖2所示。 圖2 160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，內(nèi)部原理74LS160邏輯功能描述如下： 同步可預(yù)置數(shù)4位十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160具有異步清零端，它具有數(shù)據(jù)輸入端A、B、C和D，同步置數(shù)端，異步清除端和計(jì)數(shù)控制端ENT和ENP，為方便級(jí)聯(lián)，設(shè)置了進(jìn)位輸出端RCO。當(dāng)異步清零端=0時(shí)異步清零，當(dāng)置數(shù)端=0，=1，CP脈沖上升沿時(shí)預(yù)置數(shù)。當(dāng)=ENT=

7、ENP=1時(shí)，電路工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為9時(shí)，進(jìn)位端RCO輸出一個(gè)與端高電平部分相同寬度的高電平。詳細(xì)功能如表2所示。（2） 74LS138邏輯符號(hào) 圖3 74LS138邏輯符號(hào) 表3 74LS138功能表74LS138內(nèi)部原理圖如圖4所示。圖4 74LS138內(nèi)部原理74LS138邏輯功能描述如下： 當(dāng)一個(gè)選通端（G1）為高電平，另兩個(gè)選通端（/(G2A)和/(G2B)）為低電平時(shí)，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個(gè)對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。 利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 24 線譯碼器；若外接一個(gè)反相器還可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 32 線譯碼器。 若將選通端中的

8、一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器用與非門組成的3線-8線譯碼器74LS138。（3）二輸入與門74LS08D最簡單的與門可以用二極管和電阻組成。74LS08是四組二輸入端的與門。其內(nèi)部原理圖如圖5所示。 74LS08D邏輯輯符號(hào)如圖5所示。 圖5 74LS08D邏輯輯符號(hào) 圖6 74LS08內(nèi)部原理 74LS08D邏輯功能表如表4所示。 表3 邏輯功能表 1A1B1Y2A2B2Y3A3B3Y4A4B4Y00000000000001001001001010010010010011111111111174LS08D邏輯功能描述如下： 當(dāng)兩個(gè)輸入端A=0，B=0時(shí)，輸出端Y為低電

9、平0，即Y=0； 當(dāng)兩個(gè)輸入端A=0，B=1時(shí)，輸出端Y為低電平0，即Y=0； 當(dāng)兩個(gè)輸入端A=1，B=0時(shí)，輸出端Y為低電平0，即Y=0； 當(dāng)兩個(gè)輸入端A=1，B=1時(shí)，輸出端Y為低電平1，即Y=1；1、即只要兩個(gè)輸入端A、B的輸入電平有一個(gè)是低電平0，輸出端Y即為低電平0；只有A、B的輸入電平全為1，輸出端Y才為高電平1。（4）非門74LS04非門74LS04功能表如表5所示。 非門74LS04邏輯符號(hào)如圖7所示。 圖7 74LS04邏輯符號(hào)表4 非門功能表 邏輯函數(shù)式Y(jié)=A（5）與非門74LS00非門74LS00邏輯符號(hào) 圖 8 非門74LS00邏輯符號(hào)74LS00是四2輸入與非門，其邏

10、輯功能表如表5所示。表5 74LS00邏輯功能表ABY001011101110 74LS00內(nèi)部原理圖如圖8所示。74LS00管腳圖如圖9所示。 圖9 74L00管腳 _ _ 74LS00的邏輯功能表達(dá)式： Y=A B四、功能模塊 （1）脈沖模塊，如圖10所示 圖10 脈沖模塊 脈沖模塊是由定時(shí)器555組成多諧振蕩器而構(gòu)成的，產(chǎn)生的頻率由公式：f=1/0.69(R1+2R2)C1計(jì)算而得。當(dāng)R1=3K，R2=5K，C1=1uF時(shí)，f=111HZ。（2）計(jì)時(shí)模塊，如圖11所示 圖11 計(jì)時(shí)模塊 圖示計(jì)時(shí)器是由三個(gè)74LS160芯片組合而成，置數(shù)端均接接高電平，輸入均接地，呈低電平。第一個(gè)74LS

11、160芯片的進(jìn)位輸出端接第二個(gè)芯片的時(shí)鐘端，第二個(gè)芯片的僅為輸出端接第三芯片的時(shí)鐘端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)，因?yàn)闀r(shí)間設(shè)計(jì)為300秒，所以在計(jì)數(shù)299秒時(shí)，要進(jìn)行信號(hào)封鎖，使游戲結(jié)束。在第三個(gè)芯片的輸出端QA QB 剛好為高電平時(shí)，及時(shí)要封鎖信號(hào)，所以引出信號(hào)到74LS00與非門，這樣信號(hào)為0，呈低電平。降低電平信號(hào)輸?shù)礁鱾€(gè)74LS160芯片的EXT EXP使能端，進(jìn)行信號(hào)封鎖。 為了使計(jì)時(shí)器能夠進(jìn)行第二次的工作計(jì)數(shù)，必須設(shè)置異步清零端，即單刀雙擲開關(guān)J2，當(dāng)開關(guān)搬向下時(shí)，電路清零端為高電平，可以正常計(jì)時(shí)，當(dāng)開關(guān)搬向上時(shí)，進(jìn)行清零，使計(jì)時(shí)裝置回到初始狀態(tài)。（3）水平位移模塊，如圖12所示。

12、 圖12 水平位移模塊 此模塊是進(jìn)行水平位移的控制。其核心芯片是74LS138。因?yàn)樗轿ㄒ坏目刂茷檎倏刂疲詫?4LS138的輸入端A、 B接計(jì)時(shí)器百位的相應(yīng)輸出。用74LS138來選擇輸出，因?yàn)檩敵鍪堑碗娖剑孕枰由戏情T變?yōu)楦唠娖?。?）豎直位移及最后10秒亮燈提示模塊圖13 豎直位移及最后10秒亮燈模塊在豎直方向上有位移且動(dòng)作時(shí)間為20秒，我們只需要從第二個(gè)74LS160芯片QB輸出端接出引線即可。對于最后10秒亮燈電路，當(dāng)?shù)诙€(gè)芯片出現(xiàn)1001時(shí)，并且第三個(gè)芯片出現(xiàn)0010，這時(shí)燈才會(huì)亮，持續(xù)時(shí)間為10秒。所以我們需要用與門和非門進(jìn)行連接，具體連接如上圖。五、總體設(shè)計(jì)電路圖5.

13、1總體電路原理圖 圖14 總體電路原理 整個(gè)電路由脈沖模塊、計(jì)時(shí)模塊、正反方向旋轉(zhuǎn)控制模塊、縱向位移控制模塊、最后10倒計(jì)時(shí)控制模塊等五個(gè)模塊組成，由脈沖模塊產(chǎn)生100HZ至200HZ左右的脈沖。脈沖信號(hào)持續(xù)不斷地給了個(gè)位計(jì)數(shù)器（第一塊74LS160芯片）后，個(gè)位計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)。當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到9時(shí)，RCO輸出端會(huì)輸出一個(gè)高電平給十位計(jì)數(shù)器，當(dāng)下一個(gè)脈沖來時(shí)，個(gè)位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為0，而十位計(jì)數(shù)器則收到一個(gè)上升沿脈沖所以開始計(jì)數(shù)為1。百位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)原理同理。當(dāng)計(jì)數(shù)到前100秒時(shí)，第三個(gè)74LS160芯片的QA和QB輸出端都輸出0，將這個(gè)信息通過74LS00、74LS138和74LS04后，把信號(hào)

14、轉(zhuǎn)換成為高電平使右上角的小燈亮，即代表前100秒內(nèi)飛椅正方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)計(jì)數(shù)到200秒到300秒之間時(shí)，同理，右上角的小燈亮?xí)掷m(xù)亮100秒代表飛椅正方向旋轉(zhuǎn)。第二個(gè)74LS160芯片的QB輸出端連著左下角的小燈，而第二個(gè)160芯片是十位計(jì)數(shù)器，QB端輸出高低電平的規(guī)律就是前20秒為低電平，20到40秒輸出高電平，40到60秒又輸出低電平以此類推。所以左下角的小燈就是前20秒不亮，后20秒亮以此類推。最后右下角的小燈是在最后10秒的時(shí)候開始亮10秒，即從290秒亮到300秒。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能即第二個(gè)160芯片的輸出為1001而第三個(gè)160芯片的輸出為0010時(shí)即可實(shí)現(xiàn)，所以將第二個(gè)和第三個(gè)160芯片的

15、這兩個(gè)信號(hào)通過4個(gè)與門和2個(gè)非門就可以使右下角的小燈從290秒開始亮到300秒。最后到300時(shí)，即第三個(gè)160芯片輸出為0011時(shí)，通過一個(gè)與非門把這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電平信號(hào)同時(shí)輸入到三個(gè)160芯片的ENP和ENT端，時(shí)三個(gè)160芯片都處在保持的功能，即整個(gè)計(jì)時(shí)模塊停止計(jì)時(shí)。之后通過左上角的開關(guān)使三個(gè)160芯片的CLK端接地使三個(gè)芯片異步清零，即計(jì)數(shù)器清零。5.2Multism的仿真結(jié)果 （1）前100秒內(nèi)，飛椅正方向旋轉(zhuǎn)，即右上方的紅色小燈持續(xù)亮100秒。且0到20秒內(nèi)沒有豎直方向的縱向位移，即0到20秒內(nèi)左下角的小燈不亮。圖15 仿真結(jié)果1（2） 前100秒內(nèi)，飛椅正方向旋轉(zhuǎn)，即右上方的紅色

16、小燈持續(xù)亮100秒，但20到40秒內(nèi)有豎直方向的縱向位移，即20到40秒內(nèi)左下角的小燈持續(xù)亮20秒。圖16 仿真結(jié)果2（3）100秒到200秒內(nèi)，飛椅反方向旋轉(zhuǎn)，即右上方的藍(lán)色小燈持續(xù)亮100秒。且100秒到120秒內(nèi)沒有豎直方向的縱向位移，即100到120秒內(nèi)左下角的小燈不亮。圖17 仿真結(jié)果3（4）100秒到200秒內(nèi)，飛椅又正方向旋轉(zhuǎn)，即右上方的紅色小燈持續(xù)亮100秒。但120秒到140秒內(nèi)有豎直方向的縱向位移，即120到140秒內(nèi)左下角的小燈持續(xù)亮20秒。圖18 仿真結(jié)果4（5）200秒到300秒內(nèi)的情況和前100秒內(nèi)的情況相同，即飛椅正方向旋轉(zhuǎn)，且右上方的紅色小燈持續(xù)亮100秒。在豎

17、直方向上，020秒，飛椅無縱向位移；20秒40秒，有縱向位移；40秒60秒，無縱向位移，60秒80秒，有縱向位移，以此類推。但最后的10秒鐘，即290秒到300秒時(shí)有燈光提示游客，游戲即將結(jié)束，即右下角的紅色小燈持續(xù)亮10秒。圖19 仿真結(jié)果55.3硬件實(shí)驗(yàn)，如圖20 圖20 硬件的實(shí)驗(yàn)我計(jì)劃所做的是實(shí)現(xiàn)300秒內(nèi)用三個(gè)小燈表示飛椅正方向旋轉(zhuǎn)、反向旋轉(zhuǎn)和有縱向位移的功能，所以我拿了3個(gè)74LS160，1個(gè)74LS138，1個(gè)74LS08，1個(gè)74LS04，和1個(gè)74LS00。硬件連線圖中，實(shí)現(xiàn)了個(gè)位和十位的顯示還有555脈沖的發(fā)出。一開始連好所有的芯片和導(dǎo)線后，能正常顯示個(gè)位、十位和百位的顯示，但是用與非門的功能沒有實(shí)現(xiàn)，即計(jì)時(shí)并不是在300秒以內(nèi)及時(shí)，而是1000秒以內(nèi)及時(shí)，檢查了幾遍后無法實(shí)現(xiàn)就決定重新試一次。第二次做時(shí)，剛把十位的計(jì)數(shù)器檢驗(yàn)完后就馬上要到12點(diǎn)了，所以就只拍下了最后的這張照片。六、課程設(shè)計(jì)心得