强化训练音乐数字彩灯控制器设计.docx
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强化训练音乐数字彩灯控制器设计
学号:
课程设计
题目
音乐数字彩灯控制器设计
学院
自动化
专业
自动化
班级
100...
姓名
指导教师
林伟邓坚
2012
年
7
月
6
日
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
自动化100...
指导教师:
林伟邓坚工作单位:
自动化学院
题目:
音乐数字彩灯控制器设计
初始条件:
1.运用所学的模拟电路和数字电路等知识;
2.用到的元件:
实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片或微处理器等。
要求完成的主要任务:
1.数码管自动依次显示数字队列0,1,2,3,4,5,6,7,8,9(自然数列);1,3,5,7,9(奇数列);0,2,4,6,8(偶数列);0,1,2,3,4,5,6,7,0,1(音乐数列)。
然后又依次显示同上数列,不断循环;
2.打开电源开关,自动清零,即通电后最先显示出自然数列的0,再显示出1,然后按上述规律变化;
3.每个数字的一次显示时间(从数码管显示之时起到消失之时止)基本相等。
4.严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。
时间安排:
第1天下达课程设计任务书,根据任务书查找资料;
第2~4天进行方案论证,软件模拟仿真并确定设计方案;
第5天提交电路图,经审查后领取元器件;
第6~8天组装电路并调试,检查错误并提出问题;
第9~11天结果分析整理,撰写课程设计报告,验收调试结果;
第12~14天补充完成课程设计报告和答辩。
指导教师签名:
2012年6月25日
系主任(或责任教师)签名:
2012年6月25日
引言
2.2方案设计3
3.1脉冲输出电路....................................6
3.3实现循环序列显示功能的逻辑电路....................10
3.3.1奇数数列显示电路的设计.....................10
3.3.2偶数数列显示的电路设计......................11
3.3.3音乐数列显示电路的设计......................12
3.3.4二分频电路的设计............................13
3.3.5七段显示数码管..............................14
4.2调试与运行结果...................................16
引言
当今社会电子设计发展很快,而通过一学期对数字电子技术的学习,学校安排了这次的数电实习,目的在与让学生综合运用所学的知识,对各基本器件的运用更加熟练,也更好的锻炼学生的设计思维和动手设计能力。
联系实际和运用所学的电子技术知识,设计出一个音乐数字彩灯控制器。
使数码管自动依次显示自然数列,奇数列,偶数列,然后又依次显示同上数列,不断循环。
这次设计中共采用了两种有效方案,思路各不相同。
方案一(个人方案)中采用了两片74LS161,一片74LS153,一片74LS90,一片555定时器构成的多谐振荡器和少许门电路,方案较简单。
方案二(小组方案)主要是由74LS160和74LS161芯片组成的数列计数和显示电路,同时还有诸多门电路组成的循环电路。
1设计意义及要求
1.1设计意义
当今社会电子设计发展很快,而通过一学期对数字电子技术的学习,学校安排了这次的数电实习,目的在与让学生综合运用所学的知识,对各基本器件的运用更加熟练,也更好的锻炼学生的设计思维和动手设计能力。
1.2设计要求
1)数码管自动依次显示数字队列0,1,2,3,4,5,6,7,8,9(自然数列);1,3,5,7,9(奇数列);0,2,4,6,8(偶数列);0,1,2,3,4,5,6,7,0,1(音乐数列)。
然后又依次显示同上数列,不断循环;
2)打开电源开关,自动清零,即通电后最先显示出自然数列的0,再显示出1,然后按上述规律变化;
3)每个数字的一次显示时间(从数码管显示之时起到消失之时止)基本相等。
4)严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书
2方案设计
2.1设计思路
利用555定时器产生连续秒脉冲,利用2片74LS90来分别实现一个10进制计数器和一个二分频电路,利用两片74LS153来分别实现选择频率和强制置数端的电平。
2HZ
脉冲信号
图1总体方框图
设计之初,考虑到奇数列的二进制最低位都为1,偶数列的二进制最低位都为0,音乐数列的最高位都为0,所以实验采用了强制置数法。
包括自然数列和音乐数列,总共四组数列,然而奇数列和偶数列分别只有5个数据,其余数列都分别有10个数据,在共用一个10进制计数器的情况下,他们的频率需要有个2倍的关系,即若自然数列和音乐数列采用1HZ频率,奇数列和偶数列须采用2HZ频率。
为了实现上述设想,利用555定时器连成一个2HZ的脉冲信号,通过一个74LS161实现二分频功能,从而产生一个1HZ的信号。
至于频率的选择和强制置数电位的选自则采用了一片74LS153数据选择器和一片74LS161计数器进行选择。
最末的计数器采用的是74LS90构成的10进制计数器,连以七段数码显示管完成最终将数据显示的功能。
每当完成一次十进制计数,第二块74LS90的Q3产生的下降沿触发第一块74LS90的CKB,使之进位,通过连以74LS153,在不同数组时选择不同频率和置数电位。
由于强制置数只需在奇数列偶数列音乐数列时才产生,否则会与10进制计数器产生的电位重叠,使信号紊乱,所以还需要通过门电路与三态门联合使用实现分时传输的功能。
2.2方案设计
在设计此音乐数字彩灯控制器时,总共有二套方案。
二套方案的设计思路不相同,但都是通过芯片与门电路的连接完成任务,这是他们的共同点。
2.2.1方案一
第一套方案原理图如图2所示:
图2
由555定时器产生一个2HZ的脉冲信号,通过一个74LS90实现二分频功能(2进制计数),从而产生一个1HZ的信号,再通过74LS153对不同数组时的频率和强制置数电位加以选择,Q2,Q1分别接两块74LS153的B,A接口。
当B,A为00时,选择频率为1HZ,所有置数无效,实现自然数列显示;当B,A为01时,选择频率为2HZ,第二块74LS90的Q0置数为1,其余置数无效,实现奇数列显示;当B,A为10时,选择频率为2HZ,第二块74LS90的Q0置数为0,其余置数无效,实现偶数列显示;当B,A为11时,选择频率为1HZ,第二块74LS90的Q3置数为0,其余置数无效,实现音乐数列显示。
最终将第二块74LS90的输出接至七段数码显示器,完成功能。
当每一组数列计数结束后,第二块74LS90的Q3产生的低跳变使得第一块74LS90的CKB促发,又因为第一块74LS90为4进制计数器,使得Q2Q1(BA)逐数组由00到11循环,最终使数组循环。
2.2.2方案二(小组方案)
方案二是我们小组的方案,该方案是在经过多次修改的情况下最终决定出来的。
它主要是由74LS161芯片和74LS160芯片构成。
两块74LS161芯片分别控制着基偶数列的显示和自然数列及音乐数列的显示。
图3是仿真图:
图3小组设计仿真图
2.3方案比较
方案二是我们小组设计的方案,主要是由74LS160和74LS161芯片组成的数列计数和显示电路,同时还有诸多门电路组成的循环电路。
该方案是在老师指出不足的情况下经修改得到的,在第一次的基础上明显简化了许多,主要就是电路的设计有点复杂,可以说小组设计的成果我只参与了讨论和修改,这个电路让我自己设计还是有难度的。
方案一是我自己的方案,这个方案相比较方案一在设计思路上就简单许多,原理易懂,电路所需芯片少,路线也蛮简单,这两个方案都是在基本74系列芯片和门电路的基础升完成的,设计思路各有千秋,但总的来说小组设计方案还是要优于我自己的个人方案的,这就明显体现出小组合作的重要性,一个人的力量终究有限,只有小组的组员共同努力,这样才能设计出更加完美的方案。
3部分电路设计
3.1脉冲输出电路
应用由555定时器构成的多谐振荡器设计时钟脉冲通过调节R1,R2和C1的大小来调节振荡频率以达到2Hz的连续脉冲由555构成的多谐振荡电路图如图5所示:
图5由555定时器构成的多谐振荡电路图
根据555定时器的功能表(下面表1)可知到由555定时器构成的多谐振荡器如图5接通电源后,电容C被充电,当VC上升到2/3VCC时,触发器被复位,同时发电BJTT导通,此时VO为低电压,电容C通过R2和T放电,使VC下降。
当VC下降到(1/3)VCC时,触发器又被置位,VO翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为:
tPL=R2Cln2可近似看成tPL=0.7R2C
当C放电结束时,T截止,VCC将通过R1、R2向电容器C充电,VC由(1/3)VCC上升到(2/3)VCC所需的时间为:
tPH=(R1+R2)Cln2可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C
而当VC上升到(2/3)VCC时,触发器又周而复始,在输出端就得到一个周期性的方波,其频率为:
f=1/(tPL+tPH)可近似看成f=1.43/[(R1+2R2)C
555定时器引脚图如图6所示,555定时器功能表如表1所示:
图6555定时器
表1555定时器功能表
输入
输出
阈值输入(V11)
触发值(V12)
复位(RD)
输出(VO)
放电管T
×
×
0
0
导通
<(2/3)VCC
<(1/3)VCC
1
1
截止
>(2/3)VCC
>(1/3)VCC
1
0
导通
<(2/3)VCC
>(1/3)VCC
1
不变
不变
3.2实现计数功能的逻辑电路
应用74LS90计数器来实现2进制,4进制和10进制计数功能。
1)R0
(1),R0
(2).R9
(1)R9
(2)接低电平,脉冲信号接CKA,使74LS90处于计数状态由于Q0只能取0,1,所以为二进制计数,完成2分频功能。
2)
实现2进制计数电路图如图7所示:
图72进制计数器电路图
2)R9
(1)R9
(2)接低电平,脉冲信号接CKB,Q3接R0
(1),R0
(2),当Q3变为1时,计数器实现清零,且Q3Q2Q1为100时是暂稳态,稳态只有000,001,010,011四个状态,所以为四进制计数器,该四进制计数器的CKB由另一块74LS90的Q3触发,每组数列显示完成触发一次,4进制计数器完成四组数列循环计数的功能。
实现4进制计数电路图如图8所示:
图84进制计数器
3)R0
(1),R0
(2).R9
(1)R9
(2)接低电平,脉冲信号接CKA,Q0接CKB,Q0共0.1两个状态,Q3Q2Q1共000,001,010,011,100,101五个状态,于是构成了2x5进制,即10进制,完成计数功能,与七段数码显示器相连,实现数列的显示功能。
实现10进制计数电路图如图9所示:
图910进制计数器
74LS90计时器的引脚图如图9所示,功能表如表3所示:
图1074LS90计时器引脚图
表274LS90计时器的功能表
复位输入
置位输入
时钟
输出
R0
(1)
R0
(2)
R9
(1)
R9
(2)
CP
QA
QB
QC
QD
H
H
L
×
×
L
L
L
L
H
H
×
L
×
L
L
L
L
×
×
H
H
×
H
L
L
H
L
×
L
×
0到1
计数
L
×
×
L
0到1
计数
×
L
L
×
0到1
计数
×
L
×
L
0到1
计数
74LS153数据选择器的引脚图如图11所示,功能表如表3所示。
Vcc2SA2D32D22D12D02Y
1SBA11D31D21D11D0GND
图1174LS153数据选择器引脚图
表374LS153数据选择器功能表
编码选择
数据输入
取反数据输出
数据输出
B
A
C0
C1
C2
C3
S
Y
×
×
×
×
×
×
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
×
×
×
0
0
1
×
×
×
0
1
×
0
×
×
0
1
×
1
×
×
1
0
×
×
0
×
1
0
×
×
1
×
1
1
×
×
×
0
1
1
×
×
×
1
3.3实现循环序列显示功能的逻辑电
3.3.1奇数数列显示电路的设计
将十进制奇数1、3、5、7、9用8421BCD码表示出来,分别为:
“0001”、“0011”、“0101”、“0111”、“1001”,可以发现最后位数都为“1”,故可通过74LS153数据选择器对Q0强制置1,这样就可以实现奇数数列的显示。
其工作原理是:
数码管的最低位与电源相接,即可保证最低位是高电平,且计数器工作在计数状态,加入2HZ脉冲信号,计数器开始计数,由于数码管的最低位已经和电源相连,保证了高电平,经过计数,输出通过七段数码显示器显示出奇数列。
此单元电路原理图如图12所示:
图12奇数数列显示电路图
3.3.2偶数数列显示的电路设计
将十进制数0、2、4、6、8用8421BCD码表示出来,分别为“0000”、“0010”、“0100”、“1000”,可以发现最后位数都是0,,这样在十进制电路的基础上,将数码管的最低位接低电平,这样就可以实现偶数数列的显示。
其工作原理是:
数码管的最低位与地相接,即可保证最低位是低电平,且计数器工作在计数状态,加入2HZ脉冲信号,计数器开始计数,由于数码管的最低位已经与地相连,保证了低电平状态,经过计数,输出通过七段数码显示器显示出偶数列。
此单元电路原理图如图13所示:
图13偶数数列显示电路图
3.3.3音乐数列显示电路的设计
由于音乐序列是从0到7再到0,1循环,即序列最后从7直接跳变到0,用8421BCD码表示出来即是序列从“0000”——“0111”再直接跳变回“0000”,因而只要将输出的最高位接地就可实现。
其工作原理是:
数码管的最高位与地相连,即保证最高位为低电平,且计数器工作在计数状态,加入1HZ脉冲信号,计数器开始计数,由于数码管最高位已经接地,保证了低电平状态,经过计数,输出通过七段数码显示器显示出音乐数列。
此单元电路原理图如图14所示:
图14音乐数列显示电路图
3.3.4二分频电路的设计
74LS90需要一个时钟脉冲去激励而使计数器进行计数功能,按要求需要让每个数字显示的时间间隔相等且可调,因为只用一个时钟信号作为激励信号,又由于奇数数列和偶数数列的显示数字的时间间隔是自然数列和和音乐数列的两倍,因此在自然数列和音乐数列的时钟脉冲前加一个分频器(74LS90构成),使它的时钟脉冲的频率降低一半,这样就可使输出的数字的时间间隔相等,同时也只需改变输入时钟脉冲的频率就可以调节输出数字的时间间隔。
此单元电路原理图和波形如图15所示:
图15二分频电路图
图16原脉冲波形和二分频波形
3.3.5七段显示数码管
本设计电路采用共阴极数码管,其管脚图如图17:
图17七段显示数码管
为了使数码管能显示十进制数,必须将十进制数的代码经译码器译出,然后经驱动器点亮对应的段。
常用的共阴极集成七段显示译码器是74HC4511,其管脚图和功能表如图18所示:
图1874HC4511管脚图
表474HC4511功能表
4调试与检测
4.1调试中故障及解决办法
在PROTEUS仿真时,应先将电路图在纸上大致连好,仿真连线时应该步步为营,稳扎稳打,连好每一条线和元件,否则当调试失败时,将很难检测。
调试后发现显示奇数于偶数数列的时间间隔明显短于自然数列和音乐数列的时间间隔,初步没有检查出大的问题,然后被确定不合格,于是仔细对电路进行了思考,发现只是由于一根线连错了位置,连错了位置会导致时间间隔约为原来的一半,很妙。
4.2调试与运行结果
经调试后,电路正常工作。
打开电源开关,电路开始计数并显示,数码管显示从0
开始,依次显示至9,然后开始显示奇数列1至9,接着显示偶数列0至8,最后显示音乐数列1至7。
运行结果与实验所要求的目的一样。
在整个调试过程中我学到很多东西。
分析问题时一定要冷静,不能因一点小问题就急躁不安,就算一次两次没能解决问题也不要慌张,只要总体思路没有错,那么问题肯定就是局部的小问题,此时需要有极大的耐心和细心程度。
5仿真操作步骤及使用说明
仿真所要用到的开关器件主要有电源键、暂停键、复位/清零键。
1)电源键是通过控制脉冲信号的电源来实现的。
在脉冲信号的电源端加上一个单刀双掷开关,就可以实现通过控制电源的通断从而控制信号的有无。
2)暂停键和电源键为同位键,虽然名字不一样,但它们的作用或者控制效果都是一样的。
暂停键也是通过控制电源来实现控制脉冲信号的有无。
从而实现脉冲信号的连续与终端。
当把开关打到电源上时,电路正常工作,当把开关打到接地端时,电路因没有信号而暂停工作。
3)复位/清零键是通过将各个清零信号同时清零从而实现电路的整体清零的。
当开关打到接地端时,由于各个清零信号均不工作,所以电路开始计数,电路正常工作。
当打到高电平时,各个清零信号同时清零,实现电路的整体清零。
6体会和总结
通过这次为期两个星期的数电课程设计,我收获颇多:
这次的音乐数字彩灯控制器设计,综合运用到了这学期课本上所学到的各主要器件,芯片。
通过此次设计,将课本上的知识可以应用于实际,使理论与实际很好的结合,加深自己对课本知识的理解。
此次实习也段练了我个人的自主学习能力。
在实验中,我们运用到了新的软件——PROTEUS仿真软件,对于这种不熟悉的软件,我们能够充分利用图书馆以及计算机网络去查阅和学习相关资料,增加了许多课本以外的知识,也对PROTEUS仿真软件能够基本操作了。
此次实习充分锻炼了我的思维能力。
在设计电路原理图时,个人方案就是通过写真值表一步一步想出来的,初步的设计在仿真时出现的问题,经过思考后做了些修改也得到了很好的收效。
在小组方案中对方案的讨论同样锻炼了我的思维,让我受益匪浅。
作为整个学习体系的有机组成部分,课程设计虽然安排在两周进行,但并不具有绝对独立的意义。
它的一个重要功能,在于运用学习成果,检验学习成果。
运用学习成果,把课堂上学到的系统化的理论知识,尝试性地应用于实际设计工作,并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。
检验学习成果,看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离,并通过综合分析,找出学习中存在的不足,以便为完善学习计划,改变学习内容与方法提供实践依据。
对我们自动化专业的本科生来说,实际能力的培养至关重要,而这种实际能力的培养单靠课堂教学是远远不够的,必须从课堂走向实践。
这也是一次预演和准备毕业设计工作。
通过课程设计,让我们找出自身状况与实际需要的差距,并在以后的学习期间及时补充相关知识,为求职与正式工作做好充分的知识、能力准备,从而缩短从校园走向社会的心理转型期。
两个星期的课程设计,进一步激发了我们对专业知识的兴趣,并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。
参考文献
[1]周新民编,《工程实践与训练教程(电工电子部分)》,武汉理工大学出版社,2009.8
[2]伍时和编,《数字电子技术基础》,清华大学出版社,2009.4
[3]康华光主编.《电子技术基础-数字部分(第五版)》,高等教育出版社,2006.1
附录电路图
附图1
个人设计电路图
附图2
小组设计电路图
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
男
专业、班级
自动化专业自动化100...班
课程设计题目:
音乐数字彩灯控制器设计
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
设计方案
与内容
(30分)
制作与调试
(20分)
说明书内容与规范程度
(30分)
答辩
(10分)
学习态度
与考勤
(10分)
总分
(100分)
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
2012年7月9日
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