《電工電子綜合》課程設(shè)計音樂數(shù)字彩燈彩燈控制器

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1、武漢理工大學(xué)《電工電子綜合》課程設(shè)計說明書 引言 這次的課程設(shè)計主要是通過計數(shù)器，譯碼器來實現(xiàn)的，這個音樂數(shù)字彩燈控制電路實質(zhì)上就是循環(huán)發(fā)出一系列的有規(guī)律的數(shù)列，并通過數(shù)碼管顯示出來。這里主要使用的就是計數(shù)器，計數(shù)器在時序電路中應(yīng)用很廣泛，它不僅可以用于對脈沖進(jìn)行計數(shù)，還可以用于定時等其他功能。運(yùn)用計數(shù)器的不同功能和不同接法就可以實現(xiàn)不同的序列輸出。 這次的實驗內(nèi)容需要是數(shù)碼管能夠按照要求依次輸出自然數(shù)序列，計數(shù)序列，偶數(shù)序列還有音樂序列。為了實現(xiàn)這個循環(huán)輸出的功能，經(jīng)過分析可以用2線—4線譯碼器和四進(jìn)制加計數(shù)器來控制四個計數(shù)器來實現(xiàn)對數(shù)列循環(huán)輸出。 脈沖信號可根

2、據(jù)555定時器來設(shè)計一個多諧振蕩器來產(chǎn)生方波，通過方波來驅(qū)動計數(shù)器工作。 由于自然數(shù)序列和音樂序列與計數(shù)序列和偶數(shù)序列的頻率有2倍的關(guān)系，為了使數(shù)字顯示時間基本相等所以需要用JK觸發(fā)器來設(shè)計一個分頻電路。 通過以上的準(zhǔn)備分析，這次的實際的原理電路則可以根據(jù)以上繪出。 音樂數(shù)字彩燈彩燈控制器 1 設(shè)計意義及要求 1.1設(shè)計意義 音樂數(shù)字彩燈控制器在現(xiàn)實生活中有很廣泛的商業(yè)用途，常用于商業(yè)廣告等各個領(lǐng)域，隨著時代的進(jìn)步也對音樂數(shù)字彩燈控制器有了更高的要求。 通過本次音樂數(shù)字彩燈控制器的設(shè)計與制作是自己有機(jī)

3、會將自己所學(xué)的知識應(yīng)用到生活實踐中，增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實踐的能力。進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握組合邏輯電路與時序邏輯電路的設(shè)計、組裝與調(diào)試的方法。熟悉各種重用芯片的功能與使用的技巧。通過本次小組合作，學(xué)會與團(tuán)隊成員相互學(xué)習(xí)，相互幫助的方法。同時鍛煉了自己分析電路以幾查找問題的能力。 1.2 設(shè)計要求 1.2.1 設(shè)計要求 1. 運(yùn)用所學(xué)的模電知識和數(shù)字電路知識； 2. 用到的原件：實驗板、電源、連接導(dǎo)線、74系列芯片、555芯片或微處理器等。 1.2.2 初始條件 1. 數(shù)碼管自動一次顯示數(shù)字列隊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，

4、6，8（偶數(shù)列）；0，1，2，3，4，5，6，7，0，1（音樂數(shù)列）。然后有一次顯示同上數(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)字顯示時間（從數(shù)碼管顯示之時起到消失之時止）基本相等。 2 方案設(shè)計 2.1 設(shè)計思路 此彩燈控制器由555及相關(guān)電阻和電容構(gòu)成振蕩信號發(fā)生電路；由三片74LS191計數(shù)器實現(xiàn)對自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂數(shù)字序列的控制；由一片74HC139和一片74HC390實現(xiàn)對四個數(shù)列控制器清零的控制以實現(xiàn)四個數(shù)列的循環(huán)。本設(shè)計可以實現(xiàn)自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列、音樂數(shù)列的

5、循環(huán)顯示，打開電源開關(guān)后自動清零，每個數(shù)字的一次顯示時間基本相等。本設(shè)計所用到的芯片都是常規(guī)芯片，在市場上容易購到。 2.2 方案設(shè)計 總原理框圖 工作開關(guān) 循環(huán)控制 脈沖電路 計數(shù)電路 顯示電路 圖1 總原理圖 1） 工作開關(guān)即是電源開關(guān)。 2） 脈沖電路可有555以及所需的電阻和電容構(gòu)成頻率發(fā)生電路。 3） 計數(shù)電路由4片74LS161芯片分別完成自然數(shù)序列、奇數(shù)序列、偶數(shù)序列、音樂序列的計數(shù)。 4） 循環(huán)控制由四進(jìn)制計數(shù)器74HC390和二線—四線譯碼器74HC139來控制計數(shù)器74LS161的清零端來實現(xiàn)的循環(huán)計數(shù)。 5） 顯示電路通過數(shù)碼管來顯示數(shù)據(jù)

6、。 2.3 實驗方案一（自己的方案） 2.3.1 實驗電路原理圖如下 圖2 實驗電路原理圖 2.3.2 工作原理 本電路由1片74HC113、1片555、1片74HC390、1片74HC139、4片74161、5片4072、4片7408、6片74LS04、1個1.15K歐姆和1個3K歐姆的電阻、1個0.01uF和1個100uF的電容以及一個數(shù)碼管組成。 1) 當(dāng)電源接通時，555開始發(fā)出矩形脈沖送到U4和U5以及74HC113組成的分頻電路，矩形脈沖經(jīng)過分頻后送到U3和U6。由于74HC139和74HC390組成循環(huán)控制電路控制計數(shù)器的清零端，使一個計數(shù)器工作時其余三個計

7、數(shù)器保持清零狀態(tài)。 2) 首先U3開始計數(shù)，其余三個計數(shù)器保持清零狀態(tài)，故數(shù)碼管輸出0-1-2-3-4-5-6-7-8-9（自然數(shù)），當(dāng)U3計到10時通過瞬間的電平變化給74HC390一個瞬間脈沖是循環(huán)電路給U4一個高電平，同時對其余三個計數(shù)器給一個低電平使它們保持清零狀態(tài)。 3) U4開始計數(shù)，循環(huán)電路保持其余三個計數(shù)器的清零狀態(tài)，這是數(shù)碼管輸出1-3-5-7-9（奇數(shù)），同樣當(dāng)U4計到10時通過瞬間的電平變化給循環(huán)電路一個瞬間脈沖，循環(huán)電路接收到脈沖后給U5一個高電平，同時給其余三個計數(shù)器一個低電平使它們保持清零狀態(tài)。 4) U5開始計數(shù)，循環(huán)電路保持其余三個計數(shù)器的清零狀態(tài)，這時數(shù)

8、碼管輸出0-2-4-6-8（偶數(shù)），同樣循環(huán)電路給U6一個高電平，同時給其余三個計數(shù)器一個低電平是它們保持清零狀態(tài)。 5) U6開始計數(shù)，循環(huán)電路保持其余三個計數(shù)器的清零狀態(tài)，這時數(shù)碼管輸出0-1-2-3-4-5-6-7-0-1（音樂數(shù)列），同樣循環(huán)電路給U3一個高電平，同時給其他三個一個低電平使它們保持清零狀態(tài)。 6) 通過循環(huán)電路控制計數(shù)器的清零端實現(xiàn)0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-1-3-5-7-9-0-2-4-6-8-0-1-2-3-4-5-6-7-0-1的數(shù)列循環(huán)。 2.4 實驗方案二（小組方案） 2.4.1 實驗電路原理圖如下 圖3 實驗電路原理圖

9、2.4.2 電路工作原理 這個方案由晶體振蕩器產(chǎn)生特定頻率的脈沖信號，并將信號送給AT89C52單片機(jī)，由于數(shù)碼管的驅(qū)動電壓比較高，故需將單片機(jī)的P0與上拉電阻相連，以提高輸出電壓，這樣才能給數(shù)碼管提供足夠高的電壓使數(shù)碼管顯示出數(shù)字。由于在給單片機(jī)上電的瞬間，單片機(jī)的所有端口均為高電平，若采用七段共陰數(shù)碼管，則會在通電的瞬間顯示F，故應(yīng)選用七段共陽數(shù)碼管。彩燈由單片機(jī)的P1口和P2.0口控制，為使彩燈點(diǎn)亮?xí)r按對稱分布，我們用P2.0口單獨(dú)控制中間的一盞彩燈。為了達(dá)到每個數(shù)字顯示的時間大致一致，我們通過0中斷來實現(xiàn)功能。 2.4.3 流程圖 Y Y N N Y 數(shù)碼管→P0 彩

10、燈→P1，P2.0 設(shè)T0為定時方式1 裝入T0計數(shù)初值 開啟中斷 啟動定時/計數(shù)器 50MS時間到? num加1 num等于20? 數(shù)碼管顯示 彩燈亮 num清零 重裝初值 圖3 流程圖 2.5 方案比較 經(jīng)過仿真，兩個方案均能夠?qū)崿F(xiàn)功能要求。方案一為自己設(shè)計的方案，原理比較簡單，易于理解，但是電路比較復(fù)雜，連接電路比較麻煩，同時也增加了實驗的費(fèi)用，同時也降低了電路的穩(wěn)定性；方案二為小組共同設(shè)計的方案，是通過單片機(jī)來實現(xiàn)功能，電路簡單，減少了連接電路的工作量，同時也提高了電路的穩(wěn)定性。 3 單元電路設(shè)計 3.1脈沖信號發(fā)生電路 通過555以

11、及相應(yīng)的電阻和電容來形成脈沖發(fā)生電路，對整個電路輸出脈沖信號。 555的功能表如下： 表1 555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T 0 0 導(dǎo)通 <(2/3)VCC <(1/3)VCC 1 1 截止 >(2/3)VCC >(1/3)VCC 1 0 導(dǎo)通 <(2/3)VCC >(1/3)VCC 1 不變 不變 圖4 脈沖信號發(fā)生電路原理圖 3.2 分頻電路 表2 JK觸發(fā)器功能表 J K 功能 0 0 保持 0

12、 1 清零 1 0 置1 1 1 翻轉(zhuǎn) 通過JK觸發(fā)器來實現(xiàn)分頻功能，當(dāng)J、K都接高電平時，這時觸發(fā)器的功能是翻轉(zhuǎn)，所以當(dāng)脈沖為下跳沿時發(fā)生翻轉(zhuǎn)1變?yōu)?、0變?yōu)?使故將脈沖信號的頻率變?yōu)樵济}沖的1/2實現(xiàn)分頻。 電路圖如下： 圖5 分頻電路原理圖 3.3 循環(huán)控制電路 在這個部分是為了自然序列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列，音樂序列的循環(huán)顯示。其中四個74LS160計數(shù)器的進(jìn)位端與74HC390的CPA相連，這樣可以通過進(jìn)位端狀態(tài)由0變?yōu)?的瞬間給它一個脈沖觸發(fā)，而另一個脈沖端則是與其輸出端Q0相連，這樣使74HC390實現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)功

13、能。再用輸出端分Q0,Q1分別與譯碼器74HC139相連，用譯碼器控制計數(shù)器的清零。 實現(xiàn)的功能用表格表示如下： 表3 循環(huán)電路功能比表 Q0 Q1 Y0 Y1 Y2 Y3 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 Y0,Y1,Y2,Y3分別連接7404后與計數(shù)器的清零端相連來控制清零實現(xiàn)循環(huán)。 74HCT139的功能表如下： 表4 74HC139功能表 74HCT139的管腳圖如下: 圖6 74HC139管腳圖 74HC3

14、90的功能表如下： 表5 74390功能表 COUNT OUTPUT QA QD QC QB 0 L L L L 1 L L L H 2 L L H L 3 L L H H 4 L H L L 5 H L L L 6 H L L H 7 H L H L 8 H L H H 9 H H L L 74HC390的管腳圖如下： 圖7 74HC390管腳圖 電路圖如下： 圖8 循環(huán)電路原理圖 3.4 自然數(shù)計數(shù)電路 74LS161為4位二進(jìn)制加計數(shù)器，清零方式為異步清零

15、。將Q3與Q1通過7400與清零端相連實現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)。 74161的功能表如下： 表6 74161功能表 清零 預(yù)置 使能 時鐘 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 數(shù)據(jù)輸出 RD LD EP ET CP D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 H L L L L L H D C B A D C B A L L L 保持 L L L 保持 L L H H 計數(shù) 74161的管腳圖如下：

16、 圖9 74161管腳圖 電路圖如下： 圖10 自然數(shù)計數(shù)顯示電路 3.5 奇數(shù)計數(shù)電路 為了實現(xiàn)奇數(shù)計數(shù)，可以將數(shù)碼管低位直接置高電平，這樣無論高位怎么變化數(shù)碼管都顯示奇數(shù)循環(huán)，同樣將Q3和Q1通過7400與清零端相連實現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)。 電路圖如下: 圖11 奇數(shù)計數(shù)顯示電路 3.6 偶數(shù)計數(shù)電路 為了實現(xiàn)偶數(shù)計數(shù)，可以將數(shù)碼管低位直接置低電平，這樣無論高位怎么變化數(shù)碼管都顯示偶數(shù)循環(huán)，同樣將Q3和Q1通過7400與清零端相連實現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)。 電路圖如下： 圖12 偶數(shù)計數(shù)顯示電路 3.7 音樂序列計數(shù)電路 由于音樂序列為0-1-2-3-4-5-6-7-0-

17、1，觀察發(fā)現(xiàn)只要將數(shù)碼管高位置為低電平，再將Q3和Q1通過7400與清零端相連實現(xiàn)十進(jìn)制，這樣就會循環(huán)顯示音樂序列。 電路圖如下： 圖13 音樂序列技術(shù)顯示電路 4 調(diào)試與檢測 4.1 調(diào)試 由于電路連接過程中會受到很多因素的影響，加上電路比較復(fù)雜難免會出現(xiàn)一些問題，所以調(diào)試是必須的，電路經(jīng)過調(diào)試以后才能達(dá)到理想的效果。 4.2 調(diào)試中出現(xiàn)的故障及解決的辦法 1) 沒能實現(xiàn)循環(huán)清零功能。 調(diào)試方法：循環(huán)電路的原理是通過移動高電平來實現(xiàn)循環(huán)，但是74161的清零端是地電平有效，故應(yīng)該在循環(huán)電路與清零端加上非門才能實現(xiàn)清零

18、循環(huán)。 2) 奇數(shù)和偶數(shù)顯示時數(shù)碼管顯示較快。 調(diào)試方法：在分別在奇數(shù)計數(shù)器和偶數(shù)計數(shù)器的信號輸入端接一個非門，將信號翻轉(zhuǎn)一下，實現(xiàn)延遲。 3) 脈沖頻率較低不易于觀察。 調(diào)試方法：將脈沖電路的電阻和電容的值分別定為3.1K歐、2K歐以及100uF、0.01Uf. 5 仿真操作步驟及使用方法 由于電路連接完成后，電路的工作有電源控制，故電路只需要一個電源開關(guān)，用電源開關(guān)來實現(xiàn)整個電路是否工作。 打開電源開關(guān)，電路開始工作，脈沖電路產(chǎn)生脈沖信號送入計數(shù)器74161，從而是計數(shù)器開始計數(shù)，數(shù)碼管顯示

19、數(shù)字，循環(huán)電路同時控制清零循環(huán)，從而實現(xiàn)數(shù)碼管的循環(huán)顯示要求。 關(guān)閉電源開關(guān)，電路停止工作，數(shù)碼管不工作。 總結(jié)與體會 經(jīng)過這些天的課程設(shè)計，總算是完成了基本的課程設(shè)計要求，但是自己設(shè)計的電路過于復(fù)雜，然而小組的單片機(jī)方案更加簡單。從性能上說，自己設(shè)計的電路達(dá)到了實驗要求，但是由于電路過于復(fù)雜，從而實用價值并不高，同時增加了電路出現(xiàn)故障的幾率，然而小組的單片機(jī)方案相比更加簡單，實用價值更高，性能也會更加可靠。自己設(shè)計的電路原理簡單，只是用到了基本的數(shù)字

20、電路和模擬電路的基礎(chǔ)知識，從而導(dǎo)致了用到的芯片很多，電路比較復(fù)雜，同時降低了電路的可靠性，增加了電路的設(shè)計費(fèi)用。 在設(shè)計的過程中，要理順?biāo)悸?，明確實驗的目的是什么，要實現(xiàn)一個什么樣的功能，將所學(xué)芯片的知識與功能相搭配。設(shè)計電路的時候要一步一步的從基礎(chǔ)的電路開始設(shè)計，將幾個基礎(chǔ)的電路一步一步的組在一起并調(diào)試，最終完成一個復(fù)雜的電路。在完成自己的電路后不能自我感覺良好，要換另外一種思維方式試一試，重新設(shè)計一個全新的電路或更多，然后找出不同的電路的優(yōu)點(diǎn)，看能不能將各個電路的優(yōu)點(diǎn)集中在一個電路上，就像本次小組設(shè)計的電路，是通過單片機(jī)這個全新的角度去實現(xiàn)實驗的要求，大大降低了實驗電路的復(fù)雜性。 通過

21、這次課程設(shè)計使我明白了學(xué)會課堂上的東西每個人都會，但要將所學(xué)的東西運(yùn)用到現(xiàn)實生活和生產(chǎn)中就不是那么簡單的事情。如何將理論與實踐相結(jié)合，如何把自己學(xué)到的知識運(yùn)用到實踐中，這是我們必須解決的問題。并不是簡簡單單就能把一個電路設(shè)計出來的，我們必須要學(xué)會理論與實踐相結(jié)合，不能空讀書，不能渡死書，要學(xué)會運(yùn)用自己所學(xué)的知識，這樣才算是真正的學(xué)到了知識，同時要學(xué)會檢查實驗電路，也要學(xué)會相互學(xué)習(xí)和相互合作，要知道團(tuán)結(jié)就是力量。 在以后的生活中，我們要記住在課程設(shè)計中體會到的。要多觀察，多動腦，和自己的合作伙伴相互分享自己的經(jīng)驗，團(tuán)結(jié)就是力量，自己孤軍奮戰(zhàn)很難會有很優(yōu)秀的方案。

22、 參考文獻(xiàn) 1. 康華光，鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字部分（第五版）.高等教育出版社. 2. 祁存榮（編），吳友宇（審）.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗（數(shù)字電子計數(shù)部分）.武漢理工大學(xué)教材中心. 3. 伍時和（主編）.吳友宇（副主編）.凌玲（副主編）.數(shù)字電子計數(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社. 附錄 1 方案一電路圖 圖14 電路原理圖 2 方案二電路圖 圖15 方案二電路圖 3 單片機(jī)程序 #include #include #include

23、h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit P2_0=P2^0; uint num,i,j,k; uchar code tab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; void timer() interrupt 1 { TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; num++; } void main() { uchar code LED[10]={

24、0X00,0X00,0X18,0X18,0X3C,0X3C,0X7E,0X7E,0XFF,0XFF}; TMOD=0x01; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; P0=0xff; EA=1; ET0=1; TR0=1; while(1) { P1=0x00; P2_0=0; P0=tab[0]; i=1; for(j=9;j>0;j--) { while(num!=20);

25、 num=0; if((i%2)!=0) P2_0=1; else P2_0=0; P0=tab[i]; if(i!=9) P1=LED[i]; else P1=LED[9]; i++; } while(num!=20); i=1; P1=LED[1]; for(j=5;j>0;j--) { while(num!=20); num=0;

26、P0=tab[i]; P1=LED[i]; if((i%2)!=0) P2_0=1; else P2_0=0; i=i+2; }while(num!=20); i=0; P1=LED[0]; for(j=5;j>0;j--) { while(num!=20); num=0; P0=tab[i]; P1=LED[i]; if((i%2)!=0) P2

27、_0=1; else P2_0=0; i=i+2; }while(num!=20); i=0; P1=LED[0]; for(j=8;j>0;j--) { while(num!=20); num=0; P0=tab[i]; P1=LED[i]; if((i%2)!=0) P2_0=1; else P2_0=0; i++; }while(num!

28、=20); i=0; P1=LED[0]; for(j=2;j>0;j--) { while(num!=20); num=0; P0=tab[i]; P1=LED[i]; if((i%2)!=0) P2_0=1; else P2_0=0; i++; } while(num!=20);num=0; } } 本科生課程設(shè)計成績評定表 姓 名 肖

29、均洋 性 別 男 專業(yè)、班級 自動化0801 課程設(shè)計題目：音樂數(shù)字彩燈控制器設(shè)計 課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄： 成績評定依據(jù)： 設(shè)計方案 與內(nèi)容 （30分） 制作與調(diào)試 （20分） 說明書內(nèi)容與規(guī)范程度 （30分） 答 辯 （10分） 學(xué)習(xí)態(tài)度 與考勤 （10分） 總 分 （100分） 最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定） 指導(dǎo)教師簽字： 2010年 7月 12日 26