《電工電子綜合》課程設計音樂數字彩燈彩燈控制器

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1、武漢理工大學電工電子綜合課程設計說明書引言這次的課程設計主要是通過計數器，譯碼器來實現的，這個音樂數字彩燈控制電路實質上就是循環(huán)發(fā)出一系列的有規(guī)律的數列，并通過數碼管顯示出來。這里主要使用的就是計數器，計數器在時序電路中應用很廣泛，它不僅可以用于對脈沖進行計數，還可以用于定時等其他功能。運用計數器的不同功能和不同接法就可以實現不同的序列輸出。 這次的實驗內容需要是數碼管能夠按照要求依次輸出自然數序列，計數序列，偶數序列還有音樂序列。為了實現這個循環(huán)輸出的功能，經過分析可以用2線4線譯碼器和四進制加計數器來控制四個計數器來實現對數列循環(huán)輸出。 脈沖信號可根據555定時器來設計一個多諧振蕩器來產生

2、方波，通過方波來驅動計數器工作。 由于自然數序列和音樂序列與計數序列和偶數序列的頻率有2倍的關系，為了使數字顯示時間基本相等所以需要用JK觸發(fā)器來設計一個分頻電路。 通過以上的準備分析，這次的實際的原理電路則可以根據以上繪出。音樂數字彩燈彩燈控制器1 設計意義及要求1.1設計意義音樂數字彩燈控制器在現實生活中有很廣泛的商業(yè)用途，常用于商業(yè)廣告等各個領域，隨著時代的進步也對音樂數字彩燈控制器有了更高的要求。通過本次音樂數字彩燈控制器的設計與制作是自己有機會將自己所學的知識應用到生活實踐中，增強學生理論聯系實踐的能力。進一步學習掌握組合邏輯電路與時序邏輯電路的設計、組裝與調試的方法。熟悉各種重用芯

3、片的功能與使用的技巧。通過本次小組合作，學會與團隊成員相互學習，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 設計要求1.2.1 設計要求1. 運用所學的模電知識和數字電路知識；2. 用到的原件：實驗板、電源、連接導線、74系列芯片、555芯片或微處理器等。1.2.2 初始條件1. 數碼管自動一次顯示數字列隊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）。然后有一次顯示同上數列，不斷循環(huán)。2. 打開電源開關，自動清零，即通電后最先顯示自然數列的0再顯示出1然后

4、按上述規(guī)律變化。3. 每個數字顯示時間（從數碼管顯示之時起到消失之時止）基本相等。2 方案設計2.1 設計思路此彩燈控制器由555及相關電阻和電容構成振蕩信號發(fā)生電路；由三片74LS191計數器實現對自然數列、奇數列、偶數列和音樂數字序列的控制；由一片74HC139和一片74HC390實現對四個數列控制器清零的控制以實現四個數列的循環(huán)。本設計可以實現自然數列、奇數列、偶數列、音樂數列的循環(huán)顯示，打開電源開關后自動清零，每個數字的一次顯示時間基本相等。本設計所用到的芯片都是常規(guī)芯片，在市場上容易購到。2.2 方案設計總原理框圖工作開關循環(huán)控制脈沖電路計數電路顯示電路圖1 總原理圖1） 工作開關即

5、是電源開關。2） 脈沖電路可有555以及所需的電阻和電容構成頻率發(fā)生電路。3） 計數電路由4片74LS161芯片分別完成自然數序列、奇數序列、偶數序列、音樂序列的計數。4） 循環(huán)控制由四進制計數器74HC390和二線四線譯碼器74HC139來控制計數器74LS161的清零端來實現的循環(huán)計數。5） 顯示電路通過數碼管來顯示數據。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3

6、K歐姆的電阻、1個0.01uF和1個100uF的電容以及一個數碼管組成。1) 當電源接通時，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)控制電路控制計數器的清零端，使一個計數器工作時其余三個計數器保持清零狀態(tài)。2) 首先U3開始計數，其余三個計數器保持清零狀態(tài)，故數碼管輸出0-1-2-3-4-5-6-7-8-9（自然數），當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器給一個低電平使它們保持清零狀態(tài)。3) U4開始計數，循環(huán)電路保持

7、其余三個計數器的清零狀態(tài)，這是數碼管輸出1-3-5-7-9（奇數），同樣當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器一個低電平使它們保持清零狀態(tài)。4) U5開始計數，循環(huán)電路保持其余三個計數器的清零狀態(tài)，這時數碼管輸出0-2-4-6-8（偶數），同樣循環(huán)電路給U6一個高電平，同時給其余三個計數器一個低電平是它們保持清零狀態(tài)。5) U6開始計數，循環(huán)電路保持其余三個計數器的清零狀態(tài)，這時數碼管輸出0-1-2-3-4-5-6-7-0-1（音樂數列），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)

8、 通過循環(huán)電路控制計數器的清零端實現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2.4.2 電路工作原理這個方案由晶體振蕩器產生特定頻率的脈沖信號，并將信號送給AT89C52單片機，由于數碼管的驅動電壓比較高，故需將單片機的P0與上拉電阻相連，以提高輸出電壓，這樣才能給數碼管提供足夠高的電壓使數碼管顯示出數字。由于在給單片機上電的瞬間，單片機的所有端口均為高電平，若采用七段共陰數碼管，則會在通電的瞬間顯示F，故應選用七段共陽數碼管

9、。彩燈由單片機的P1口和P2.0口控制，為使彩燈點亮時按對稱分布，我們用P2.0口單獨控制中間的一盞彩燈。為了達到每個數字顯示的時間大致一致，我們通過0中斷來實現功能。2.4.3 流程圖YYNNY數碼管P0彩燈P1，P2.0設T0為定時方式1裝入T0計數初值開啟中斷啟動定時/計數器50MS時間到?num加1num等于20?數碼管顯示彩燈亮num清零重裝初值圖3 流程圖2.5 方案比較 經過仿真，兩個方案均能夠實現功能要求。方案一為自己設計的方案，原理比較簡單，易于理解，但是電路比較復雜，連接電路比較麻煩，同時也增加了實驗的費用，同時也降低了電路的穩(wěn)定性；方案二為小組共同設計的方案，是通過單片機

10、來實現功能，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 單元電路設計3.1脈沖信號發(fā)生電路 通過555以及相應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）復位（RD）輸出（VO）放電管T00導通(2/3)VCC(2/3)VCC(1/3)VCC10導通(1/3)VCC1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JK功能00保持01清零10置111翻轉通過JK觸發(fā)器來實現分頻功能，當J、K都接高電平時，這時觸發(fā)器的功能是翻轉，所以當脈沖為下跳沿時發(fā)生翻轉1

11、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，奇數序列，偶數序列，音樂序列的循環(huán)顯示。其中四個74LS160計數器的進位端與74HC390的CPA相連，這樣可以通過進位端狀態(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實現十進制計數功能。再用輸出端分Q0,Q1分別與譯碼器74HC139相連，用譯碼器控制計數器的清零。實現的功能用表格表示如下：表3 循環(huán)電路功能比表Q0Q1Y0Y1Y2Y3000111011011101101111110Y0,Y1,

12、Y2,Y3分別連接7404后與計數器的清零端相連來控制清零實現循環(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 74HC390的功能表如下：表5 74390功能表COUNTOUTPUTQAQDQCQB0LLLL1LLLH2LLHL3LLHH4LHLL5HLLL6HLLH7HLHL8HLHH9HHLL74HC390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 自然數計數電路74LS161為4位二進制加計數器，清零方式為異步清零。將Q3與Q1通過7400與清零端相連實現十進制計數。74161的功

13、能表如下：表6 74161功能表清零預置使能時鐘預置數據輸入數據輸出RDLDEPETCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0HLLLLLH DCBADCBALLL保持LLL保持LLHH 計數74161的管腳圖如下：圖9 74161管腳圖電路圖如下：圖10 自然數計數顯示電路3.5 奇數計數電路為了實現奇數計數，可以將數碼管低位直接置高電平，這樣無論高位怎么變化數碼管都顯示奇數循環(huán)，同樣將Q3和Q1通過7400與清零端相連實現十進制計數。電路圖如下:圖11 奇數計數顯示電路3.6 偶數計數電路為了實現偶數計數，可以將數碼管低位直接置低電平，這樣無論高位怎么變化數碼管都顯示偶數循環(huán)，同樣將Q3和Q1通

14、過7400與清零端相連實現十進制計數。電路圖如下：圖12 偶數計數顯示電路3.7 音樂序列計數電路由于音樂序列為0-1-2-3-4-5-6-7-0-1，觀察發(fā)現只要將數碼管高位置為低電平，再將Q3和Q1通過7400與清零端相連實現十進制，這樣就會循環(huán)顯示音樂序列。電路圖如下：圖13 音樂序列技術顯示電路4 調試與檢測 4.1 調試 由于電路連接過程中會受到很多因素的影響，加上電路比較復雜難免會出現一些問題，所以調試是必須的，電路經過調試以后才能達到理想的效果。 4.2 調試中出現的故障及解決的辦法1) 沒能實現循環(huán)清零功能。調試方法：循環(huán)電路的原理是通過移動高電平來實現循環(huán)，但是74161的清

15、零端是地電平有效，故應該在循環(huán)電路與清零端加上非門才能實現清零循環(huán)。2) 奇數和偶數顯示時數碼管顯示較快。調試方法：在分別在奇數計數器和偶數計數器的信號輸入端接一個非門，將信號翻轉一下，實現延遲。3) 脈沖頻率較低不易于觀察。調試方法：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，用電源開關來實現整個電路是否工作。 打開電源開關，電路開始工作，脈沖電路產生脈沖信號送入計數器74161，從而是計數器開始計數，數碼管顯示數字，循環(huán)電路同時控制清零循環(huán)，從而實現數碼管的

16、循環(huán)顯示要求。 關閉電源開關，電路停止工作，數碼管不工作。總結與體會經過這些天的課程設計，總算是完成了基本的課程設計要求，但是自己設計的電路過于復雜，然而小組的單片機方案更加簡單。從性能上說，自己設計的電路達到了實驗要求，但是由于電路過于復雜，從而實用價值并不高，同時增加了電路出現故障的幾率，然而小組的單片機方案相比更加簡單，實用價值更高，性能也會更加可靠。自己設計的電路原理簡單，只是用到了基本的數字電路和模擬電路的基礎知識，從而導致了用到的芯片很多，電路比較復雜，同時降低了電路的可靠性，增加了電路的設計費用。在設計的過程中，要理順思路，明確實驗的目的是什么，要實現一個什么樣的功能，將所學芯片

17、的知識與功能相搭配。設計電路的時候要一步一步的從基礎的電路開始設計，將幾個基礎的電路一步一步的組在一起并調試，最終完成一個復雜的電路。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，重新設計一個全新的電路或更多，然后找出不同的電路的優(yōu)點，看能不能將各個電路的優(yōu)點集中在一個電路上，就像本次小組設計的電路，是通過單片機這個全新的角度去實現實驗的要求，大大降低了實驗電路的復雜性。通過這次課程設計使我明白了學會課堂上的東西每個人都會，但要將所學的東西運用到現實生活和生產中就不是那么簡單的事情。如何將理論與實踐相結合，如何把自己學到的知識運用到實踐中，這是我們必須解決的問題。并不是簡簡單

18、單就能把一個電路設計出來的，我們必須要學會理論與實踐相結合，不能空讀書，不能渡死書，要學會運用自己所學的知識，這樣才算是真正的學到了知識，同時要學會檢查實驗電路，也要學會相互學習和相互合作，要知道團結就是力量。在以后的生活中，我們要記住在課程設計中體會到的。要多觀察，多動腦，和自己的合作伙伴相互分享自己的經驗，團結就是力量，自己孤軍奮戰(zhàn)很難會有很優(yōu)秀的方案。參考文獻1. 康華光，鄒壽彬.電子技術基礎-數字部分（第五版）.高等教育出版社.2. 祁存榮（編），吳友宇（審）.電子技術基礎實驗（數字電子計數部分）.武漢理工大學教材中心.3. 伍時和（主編）.吳友宇（副主編）.凌玲（副主編）.數字電子計

19、數基礎.清華大學出版社.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 單片機程序#include#include #include#define uchar unsigned char #define uint unsigned intsbit P2_0=P20;uint num,i,j,k;uchar code tab10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;void timer() interrupt 1TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;nu

20、m+;void main()uchar code LED10=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=tab0; i=1; for(j=9;j0;j-) while(num!=20);num=0;if(i%2)!=0) P2_0=1; else P2_0=0; P0=tabi;if(i!=9) P1=LEDi; else

21、P1=LED9; i+;while(num!=20); i=1; P1=LED1; for(j=5;j0;j-) while(num!=20); num=0; P0=tabi; P1=LEDi; if(i%2)!=0) P2_0=1; else P2_0=0; i=i+2; while(num!=20); i=0; P1=LED0; for(j=5;j0;j-) while(num!=20); num=0; P0=tabi; P1=LEDi; if(i%2)!=0) P2_0=1; else P2_0=0; i=i+2; while(num!=20); i=0; P1=LED0; for(j=

22、8;j0;j-) while(num!=20);num=0;P0=tabi;P1=LEDi;if(i%2)!=0) P2_0=1; else P2_0=0;i+;while(num!=20);i=0;P1=LED0; for(j=2;j0;j-) while(num!=20);num=0;P0=tabi;P1=LEDi;if(i%2)!=0) P2_0=1; else P2_0=0;i+;while(num!=20);num=0; 本科生課程設計成績評定表姓 名肖均洋性 別男專業(yè)、班級自動化0801課程設計題目：音樂數字彩燈控制器設計課程設計答辯或質疑記錄：成績評定依據：設計方案與內容（30分）制作與調試（20分）說明書內容與規(guī)范程度（30分）答 辯（10分）學習態(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）指導教師簽字： 2010年 7月 12日26