學號:0121111360104課程設計題 目音樂數字彩燈控制器設計學 院 自動化專 業 自動化班 級 1101姓 名 溫志偉指導教師 李彬、林偉2013年7月

課程設計任務書學生姓名： 溫志偉 專業班級： 自動化1101指導教師： 李彬、林偉 工作單位： 武漢理工大學題目：音樂數字彩燈控制器設計初始條件：1） 運用所學的模擬電路和數字電路等知識；2） 用到的元件：實驗板、電源、連接導線、74系列芯片、555芯片或微處工田嘗筮理器等。要求完成的主要任務:1） 數碼管自動依次顯示數字隊列0，1，2，3,4, 5, 6，7, 8, 9（自然數歹0）；1,3,5,7,9（奇數列）；0,2,4,6,8（偶數列）；0,1,2,3,4,5,6,7,0,1（音樂數列）。然后又依次顯示同上數列，不斷循環；2） 打開電源開關，自動清零，即通電后最先顯示出自然數列的0,再顯示出1,然后按上述規律變化；3） 每個數字的一次顯示時間（從數碼管顯示之時起到消失之時止）基本相等。4） 嚴格按照課程設計說明書要求撰寫課程設計說明書。時間安排：第1天下達課程設計任務書，根據任務書查找資料；第2?4天進行方案論證，軟件模擬仿真并確定設計方案；第5天提交電路圖，經審查后領取元器件；第6?8天組裝電路并調試，檢查錯誤并提出問題；第9?11天結果分析整理，撰寫課程設計報告，驗收調試結果；第12?14天補充完成課程設計報告和答辯。指導教師簽名：系主任（或責任教師）簽名:指導教師簽名：系主任（或責任教師）簽名:2013年6月24日2013年6月24日TOC\o"1-5"\h\z引言 1\o"CurrentDocument"1設計意義及要求 2\o"CurrentDocument"1.1設計意義 2\o"CurrentDocument"1.2設計要求 2\o"CurrentDocument"2方案設計 3\o"CurrentDocument"2.1設計思路 3\o"CurrentDocument"2.2設計方案 32.2.1方案一（個人設計方案） 3\o"CurrentDocument"2.2.2方案二（小組設計方案） 4\o"CurrentDocument"2.3方案比較 5\o"CurrentDocument"3部分電路設計 6\o"CurrentDocument"3.1脈沖產生電路 6\o"CurrentDocument"3.2自然數列、奇偶數列、音樂數列產生電路 73.2.1自然數列的產生 7\o"CurrentDocument"3.2.2奇偶數列的產生 8\o"CurrentDocument"3.2.3音樂數列的產生 9\o"CurrentDocument"3.3選通電路的實現 10\o"CurrentDocument"3.4數碼顯示電路 11\o"CurrentDocument"4調試與檢測 13\o"CurrentDocument"4.1調試中故障及解決辦法 13\o"CurrentDocument"4.2調試與運行結果 135仿真操作步驟及使用說明 146體會與總結 15參考文獻 16引言隨著基礎理論課程的結束，課程設計也即將開始。作為當代大學生，我們不能只埋頭于書本，更應加強自身的動手能力，將理論應用于實際生活中去。在設計過程中，我們能運用好所學到的知識，并在過程中熟悉所用到的芯片的功能和使用方法，以及了解其他同類的芯片的功能。音樂數字彩燈則是我們專業理論應用于實際的最為典型的例子之一，現在多功能彩燈在裝飾方面的運用很廣泛能實現彩燈多花樣的電路會更加有利地占據市場。通過這次的課程設計，可以初步了解學習到如何將我們所學習到的基本專業知識運用到實際生活中，如何發現問題并解決問題，如何有效地合作地完成任務。在整個過程中，我們還可以鍛煉到其他方面的能力，例如如何寫好論文，如何將整個過程展現給別人看。通過理論和實踐的結合，我們能體會到學習的樂趣和進一步完善自己學習的方法。1設計意義及要求1.1設計意義電子技術是一門實踐性很強的課程，需要我們親自動手去做，才能真正地掌握。而音樂數字彩燈又是實用性很強的一門技術，在社會中應用廣泛，與我們的專業密切相關。通過音樂數字彩燈控制器的設計與制作，我們既可以鞏固我們所學習到的理論知識，又可以鍛煉我們自身的動手能力，還可以為以后的畢業設計打下基礎，一舉多得。1.2設計要求1） 數碼管自動依次顯示數字隊列0，1，2,3,4,5,6,7,8,9（自然數列）;1，3,5,7,9（奇數列）；0,2,4,6,8（偶數列）；0,1,2,3,4,5,6,7,0,1（音樂數列）。然后又依次顯示同上數列，不斷循環；2） 打開電源開關，自動清零，即通電后最先顯示出自然數列的0，再顯示出1,然后按上述規律變化；3） 每個數字的一次顯示時間（從數碼管顯示之時起到消失之時止）基本相等。4） 嚴格按照課程設計說明書要求撰寫課程設計說明書。2方案設計2.1設計思路時鐘信號發生器用555芯片以及合適的電容、電阻構成1Hz信號源。主體部分是四個數列的循環顯示，設計分為三個部分：自然數列、奇偶數列、音樂數列。通過三個十進制計數器再加上三個四線十線譯碼器并配合使用相應的門電路就可以完成此功能了。顯示部分選用七段顯示管，將前一部分的輸出經過門電路在接到數碼管的輸入就可以實現循環顯示了。電源控制開關通過控制信號源來實現，以實現控制功能。2.2設計方案2.2.1方案一（個人設計方案）本方案所用的元件為74LS90、555芯片、74LS139、74HC42以及一些門電路。方案一方案圖如圖2-1所示，電路仿真圖見附錄圖1。自然數列時鐘信號I 奇偶數列箱顯示時鐘信號I 奇偶數列箱顯示音樂數心、、,^'J圖2-1方案一 本方案主要有三個部分構成，第一部分是信號發生器由555構成1Hz脈沖信號源。555定時器可以通過選定一定參數的電容和電阻來產生一定頻率的脈沖來實現實驗所需的一定頻率的信號。555定時器具有原理簡單，設計方便等優點，用來作為脈沖信號源，能夠穩定的產生連續的脈沖信號。第二部分是三個數列的循環電路，這一部分主要由74LS139及由74LS90構成的30進制計數器組成的選通電路。選通電路的功能是在第一個10秒將信號送給自然數列，在第二個10秒將信號送給奇偶數列，在第三個10秒將信號送給音樂數列。而這三個分開的部分是分別由十進制和譯碼器構成的數列，在選通電路的控制下就可以實現設計要求的電路。三個獨立的部分各自在不同的時間段獨立的完成相應數列的顯示。第三部分是顯示電路，由七段數碼管組成。前面一級的輸出信號作為顯像管的輸入信號，實現信號的顯示。2.2.2方案二（小組設計方案）利用555定時器產生連續秒脈沖，利用一片74LS90和一片74LS161來分別實現一個10進制計數器和一個二分頻電路，利用一片74LS153和一片74LS161來分別實現選擇頻率和強制置數端的電平。方案二原理圖如圖2-2所示，仿真圖見附錄圖2。圖2-2方案二原理圖由555定時器產生一個2HZ的脈沖信號，通過一個74LS161實現二分頻功能(2進制計數)，從而產生一個1HZ的信號，再通過74LS153對不同數組時的頻率和強制置數電位加以選擇，Q1，Q0分別接兩塊74LS153的B，A接口。當B，A為01時，選擇頻率為1HZ，所有置數無效，實現自然數列顯示；當B，A為10時，選擇頻率為2HZ，74LS153的1C2置數為1，其余置數無效，實現奇數列顯示；當B，A為11時，選擇頻率為2HZ，74LS153的1C3置數為0，其余置數無效，實現偶數列顯示；當B，A為00時，選擇頻率為1HZ，74LS153的2C0置數為0，其余置數無效，實現音樂數列顯示。最終將第二塊74LS90的Q2,Q1和74LS153的2Y和1Y輸出接至七段數碼顯示器，完成功能。當每一組數列計數結束后，第二塊74LS90的Q3產生的低跳變使得第一塊74LS90的CKB促發，又因為第二塊74LS161為4進制計數器，使得Q2Q1(BA)逐數組由01到00循環，最終使數組循環。2.3方案比較方案一是我自己的設計方案，實驗原理簡單，易于想到，看電路圖也較為容易理解。但所用芯片較多，在制作實物時較為復雜，實用性較差。方案二是我們小組的設計方案，該方案結構簡單，易于操作，在做實物時較為簡單，實用性較強。但難以想到，也較難理解。3部分電路設計3.1脈沖產生電路脈沖產生電路可以由555定時器構成的多諧振蕩器通過調節R1、R2和C1的大小來調節振蕩頻率以達到1Hz的脈沖連續信號。通過555定時器的工作原理我們知道T=0.7C(R1+2R2)，有這個公式，在確定了C1的情況下可以由所需的脈沖的頻率來決定所需的電阻的大小。由555定時器構成的多諧振蕩器可以很穩定的連續。由555構成的多諧振蕩電路圖如圖3-1所示TOC\o"1-5"\h\zSW1 JL?■ 平-II■- ISW-SPSTmmU9-L-C2-O-.Olu■[-rp L>U9-L-C2-O-.Olu■[-rp L>DCCVaTRc5TH375R1.4k??■TMXT*48k?...=■55.5uTE}10u<TEXT>'圖3-1多諧振蕩電路圖根據555定時器的功能表可知道由555定時器構成的多諧振蕩器接通電源后電容C被充電當Vc上升到2/3Vcc時，觸發器被復位同時發電BJTT導通，此時Vo為低電壓電容C通過R2和T放電，使Vc下降。當Vc下降到1/3Vcc時，觸發器又被置位，Vo翻轉為高電平。電容C放電所需的時間為：tPL=R2CLln2可近似看成tPL=0.7R2C當C放電結束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容C充電VC由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的時間為：tPH=(R1+R2)Cln2可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C而當Vc上升到2/3Vcc時，觸發器又周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波其頻率為：f=1/(tPL+tPH)可近似看成f=1.43/(R1C+2R2C555定時器引腳圖如下圖3-2所示，555定時器功能表如表3-1所示。■ CJ 卜7 4 n圖3-2555定時器引腳圖表3-1555定時器功能表罪1叫閩川輔凡1Vi.JV仰&>較出tV(>>放屯松TX0D導城11>H/3FVrr10i 導嵯1不變3.2自然數列、奇偶數列、音樂數列產生電路3.2.1自然數列的產生自然數列的產生需要將74LS90設計成一個十進制計數器，而且具有清零功能，如圖3-2-1為74LS90引腳圖，表2為其功能表。由于十進制是從0000計數到1001，所以只需要將Qa和CP2連接起來，CP1和脈沖信號接起來就構成了十進制計數器，如圖3-2-2自然數列電路圖。74LS90在計數過程中數列的順序恰

好和自然序列吻合，都是從0計數到9,這樣就不需要在經過譯碼器進行譯碼了，這樣就可以減少芯片使用量，簡化了電路，也就降低了電路的成本。最后將74LS90的輸出端接到數碼顯示管的輸入端，打開電源就能實現從0到9的自然數列的循環計數功能。圖3-2-174LS90圖3-2-174LS90引腳圖圖3-2-2自然數列電路圖艮27490i|時器的功能志aKi?aN位輸入IIJ神而I:Ru:i】Ku■■Ryi￡1\FLj<■>hCPQaQbQCQrFlFl1XXi.1i1.FlFlX1Xi.1i1.XXE[IIX111[.IILX[.X0到1）數LXXL。到1汁數X1.LX■J到1汁數X1.XLu到I3.2.2奇偶數列的產生為了簡化電路，將奇偶數列放到一起，在一個循環中實現奇偶數列的顯示。奇偶共十個數，所以也需要用到74LS90來制成十進制計數器。與自然數列不同

的是，奇偶數列要對數列進行編碼，把十進制數轉化成相應的二進制代碼。因此需要列真值表進行簡化。真值表如表3所示，圖3-2-3為奇偶數列電路圖。&3荷偶數列產生電路編E值表QaQhQcQ|：1ARcD0000000100u]001100]0uI0100]]1.)I11010010010101000001]00010U1]]0I00L0000I10L0]1000由真誼表可知 A=m.i+m!jB^rni+rnj+m^+myC=mi+mj+rnb+m^D=mj+m圖3-2-3奇偶數列電路圖3.2.3音樂數列的產生音樂數列和奇偶數列的產生方式基本相同，都要有計數器和譯碼器共同作用來實現。而不同之處是，音樂數列的前七個數和自然數列是相同的。這對于編碼的工作量就大大減少，但還是要經過編碼這一環節，所以譯碼器還是一個必不可

少的元件。經過編碼，其真值表如表4,圖3-2-4為音樂數列電路圖。表4音樂散音電路摒國QaQbQcQpABcD000u000000u]u00100](]Q0100011001101000100011010101]u0I1001]]1)I11100(]Q00010010001由真fl'l表i]J知A-0 B=mj^nh+ni^^ni7D=f[]]+m3+m5+tti?+tti^圖3-2-4音樂數列電路圖3.3選通電路的實現選通電路的功能是在第一個10秒將信號送給自然數列，在第二個10秒將信號送給奇偶數列，在第三個10秒將信號送給音樂數列。將74HC139的輸入端A、B端接到三十進制的后一片74LS90的Qa、Qb端。由于這個三十進制計數器是有10*3來實現的，所以后一片的輸出端和74HC139的輸入端吻合。這樣通過這個譯碼器就可以將信號分別來自不同的時間段分配到不同的電路實現總的顯示。圖3-3-1為74LS139引腳圖，表5為74LS139功能表，圖3-3-2為選通電路。J—am圖3-3-174HC139表574HC139功能表圖3-3-2選通電路圖3.4數碼顯示電路數碼顯示電路的主要組成部分是七段數碼管，如圖3-4。按發光二級管單元連接方式分為共陽極數碼管和共陰極數碼管。共陽極數碼管是指將所有發光二極管的陽極接到一起形成公共陽極（COM）的數碼管。共陽數碼管在應用時應將公共級COM接到+5V，當某一字段發光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。共陰數碼管是指將所有發光二極管的陰極接到一起形成公共陰極（COM）的數碼管。共陰數碼管在應用時將公共級COM接到地線GND上，當某一字段發光二極管的陽極高電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。圖3-4七段數碼管4調試與檢測4.1調試中故障及解決辦法在音樂數列產生上，一開始使用74LS161及相應的門電路來實現音樂數列，但當音樂數列結束時又返回為0，與后面的自然數列產生沖突，繼而出現錯誤。思考很多方法后都沒能解決該故障，只好更換為現在的方法，即用編碼的方法來實現音樂數列。在控制方面，要實現自然數列、奇偶數列和音樂數列這三部分循環顯示，而二線四線譯碼器卻又四個輸出，要保證這三部分的循環，就要使其中兩個都接奇偶數列，但最后由于時間問題出現錯誤。最后改為當顯示最后一個輸出時清零，即實際上只有三個輸出。4.2調試與運行結果經過調試后，電路能夠正常進行工作，即正常的實現自然數列、奇偶數列和音樂數列的循環。5仿真操作步驟及使用說明仿真所用到的開關器件有電源鍵、復位/清零健。電源鍵是通過控制脈沖信號的電源來實現的。在脈沖信號的電源端加上一個開關就可以實現控制電源的通斷從而控制信號的有無。復位/清零健是通過將各個清零信號同時清零來實現電路的總體清零。當開關打到接地端時，由于各清零信號均不工作所以計數開始，電路正常工作。當打到高電平時各清零信號同時清零，實現電路的總體清零。6體會與總結通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，從實踐中找到答案，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發現了自己的很多不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，如proteus軟件的不靈活應用，甚至