音乐彩灯控制器课程设计说明书.doc

学 号： 0121111360104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1101姓 名温志伟指导教师李彬、林伟2013年7月5日课程设计任务书学生姓名： 温志伟 专业班级： 自动化1101 指导教师： 李彬、林伟 工作单位： 武汉理工大学 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24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68天 组装电路并调试，检查错误并提出问题；第911天 结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；第1214天 补充完成课程设计报告和答辩。指导教师签名： 2013年 6月24日系主任（或责任教师）签名： 2013年 6月24日目 录引言11设计意义及要求21.1设计意义21.2设计要求22方案设计32.1设计思路32.2设计方案32.2.1方案一（个人设计方案）32.2.2方案二（小组设计方案）42.3方案比较53部分电路设计63.1脉冲产生电路63.2自然数列、奇偶数列、音乐数列产生电路73.2.1自然数列的产生73.2.2奇偶数列的产生8 3.2.3音乐数列的产生93.3选通电路的实现103.4数码显示电路124调试与检测134.1调试中故障及解决办法134.2调试与运行结果135仿真操作步骤及使用说明146体会与总结15参考文献16武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书引言 随着基础理论课程的结束，课程设计也即将开始。作为当代大学生，我们不能只埋头于书本，更应加强自身的动手能力，将理论应用于实际生活中去。在设计过程中，我们能运用好所学到的知识，并在过程中熟悉所用到的芯片的功能和使用方法，以及了解其他同类的芯片的功能。音乐数字彩灯则是我们专业理论应用于实际的最为典型的例子之一，现在多功能彩灯在装饰方面的运用很广泛能实现彩灯多花样的电路会更加有利地占据市场。通过这次的课程设计，可以初步了解学习到如何将我们所学习到的基本专业知识运用到实际生活中，如何发现问题并解决问题，如何有效地合作地完成任务。在整个过程中，我们还可以锻炼到其他方面的能力，例如如何写好论文，如何将整个过程展现给别人看。通过理论和实践的结合，我们能体会到学习的乐趣和进一步完善自己学习的方法。1设计意义及要求1.1设计意义电子技术是一门实践性很强的课程，需要我们亲自动手去做，才能真正地掌握。而音乐数字彩灯又是实用性很强的一门技术，在社会中应用广泛，与我们的专业密切相关。通过音乐数字彩灯控制器的设计与制作，我们既可以巩固我们所学习到的理论知识，又可以锻炼我们自身的动手能力，还可以为以后的毕业设计打下基础，一举多得。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设计思路时钟信号发生器用555芯片以及合适的电容、电阻构成1Hz信号源。主体部分是四个数列的循环显示，设计分为三个部分：自然数列、奇偶数列、音乐数列。通过三个十进制计数器再加上三个四线十线译码器并配合使用相应的门电路就可以完成此功能了。显示部分选用七段显示管，将前一部分的输出经过门电路在接到数码管的输入就可以实现循环显示了。电源控制开关通过控制信号源来实现，以实现控制功能。2.2设计方案2.2.1方案一（个人设计方案）本方案所用的元件为74LS90、555芯片、74LS139、74HC42以及一些门电路。方案一方案图如图2-1所示，电路仿真图见附录图1。 图2-1 方案一原理图本方案主要有三个部分构成，第一部分是信号发生器由555构成1Hz脉冲信号源。555定时器可以通过选定一定参数的电容和电阻来产生一定频率的脉冲来实现实验所需的一定频率的信号。555定时器具有原理简单，设计方便等优点，用来作为脉冲信号源，能够稳定的产生连续的脉冲信号。 第二部分是三个数列的循环电路，这一部分主要由74LS139及由74LS90构成的30进制计数器组成的选通电路。选通电路的功能是在第一个10秒将信号送给自然数列，在第二个10秒将信号送给奇偶数列，在第三个10秒将信号送给音乐数列。而这三个分开的部分是分别由十进制和译码器构成的数列，在选通电路的控制下就可以实现设计要求的电路。三个独立的部分各自在不同的时间段独立的完成相应数列的显示。第三部分是显示电路，由七段数码管组成。前面一级的输出信号作为显像管的输入信号，实现信号的显示。2.2.2方案二（小组设计方案）利用555定时器产生连续秒脉冲，利用一片74LS90和一片74LS161来分别实现一个10进制计数器和一个二分频电路，利用一片74LS153和一片74LS161来分别实现选择频率和强制置数端的电平。方案二原理图如图2-2所示，仿真图见附录图2。图2-2 方案二原理图 由555定时器产生一个2HZ的脉冲信号，通过一个74LS161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，Q1，Q0分别接两块74LS153的B，A接口。当B，A为01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10时，选择频率为2HZ，74LS153的1C2置数为1，其余置数无效，实现奇数列显示；当B，A为11时，选择频率为2HZ，74LS153的1C3置数为0，其余置数无效，实现偶数列显示；当B，A为00时，选择频率为1HZ，74LS153的2C0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Q2，Q1和74LS153的2Y和1Y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，又因为第二块74LS161为4进制计数器，使得Q2Q1(BA)逐数组由01到00循环，最终使数组循环。2.3方案比较方案一是我自己的设计方案，实验原理简单，易于想到，看电路图也较为容易理解。但所用芯片较多，在制作实物时较为复杂，实用性较差。方案二是我们小组的设计方案，该方案结构简单，易于操作，在做实物时较为简单，实用性较强。但难以想到，也较难理解。3部分电路设计3.1脉冲产生电路脉冲产生电路可以由555定时器构成的多谐振荡器通过调节R1、R2和C1的大小来调节振荡频率以达到1Hz的脉冲连续信号。通过555定时器的工作原理我们知道T=0.7C(R1+2R2)，有这个公式，在确定了C1的情况下可以由所需的脉冲的频率来决定所需的电阻的大小。由555定时器构成的多谐振荡器可以很稳定的连续。由555构成的多谐振荡电路图如图3-1所示图3-1 多谐振荡电路图根据555定时器的功能表可知道由555定时器构成的多谐振荡器接通电源后电容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1/3Vcc时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。电容C放电所需的时间为： tPL=R2CLln2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C充电VC由1/3Vcc上升到2/3Vcc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2/3Vcc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/(R1C+2R2C555定时器引脚图如下图3-2所示，555定时器功能表如表3-1所示。图3-2 555定时器引脚图表3-1 555定时器功能表3.2自然数列、奇偶数列、音乐数列产生电路3.2.1自然数列的产生自然数列的产生需要将74LS90设计成一个十进制计数器，而且具有清零功能，如图3-2-1为74LS90引脚图，表2为其功能表。由于十进制是从0000计数到1001，所以只需要将Qa和CP2连接起来，CP1和脉冲信号接起来就构成了十进制计数器，如图3-2-2自然数列电路图。74LS90在计数过程中数列的顺序恰好和自然序列吻合，都是从0计数到9，这样就不需要在经过译码器进行译码了，这样就可以减少芯片使用量，简化了电路，也就降低了电路的成本。最后将74LS90的输出端接到数码显示管的输入端，打开电源就能实现从0到9的自然数列的循环计数功能。 图3-2-1 74LS90引脚图 图3-2-2自然数列电路图 3.2.2奇偶数列的产生为了简化电路，将奇偶数列放到一起，在一个循环中实现奇偶数列的显示。奇偶共十个数，所以也需要用到74LS90来制成十进制计数器。与自然数列不同的是，奇偶数列要对数列进行编码，把十进制数转化成相应的二进制代码。因此需要列真值表进行简化。真值表如表3所示，图3-2-3为奇偶数列电路图。图3-2-3 奇偶数列电路图3.2.3音乐数列的产生音乐数列和奇偶数列的产生方式基本相同，都要有计数器和译码器共同作用来实现。而不同之处是，音乐数列的前七个数和自然数列是相同的。这对于编码的工作量就大大减少，但还是要经过编码这一环节，所以译码器还是一个必不可少的元件。经过编码，其真值表如表4，图3-2-4为音乐数列电路图。图3-2-4 音乐数列电路图3.3选通电路的实现选通电路的功能是在第一个10秒将信号送给自然数列，在第二个10秒将信号送给奇偶数列，在第三个10秒将信号送给音乐数列。将74HC139的输入端A、B端接到三十进制的后一片74LS90的Qa、Qb端。由于这个三十进制计数器是有10*3来实现的，所以后一片的输出端和74HC139的输入端吻合。这样通过这个译码器就可以将信号分别来自不同的时间段分配到不同的电路实现总的显示。图3-3-1为74LS139引脚图，表5为74LS139功能表，图3-3-2为选通电路。图3-3-1 74HC139表5 74HC139功能表 图3-3-2 选通电路图3.4数码显示电路数码显示电路的主要组成部分是七段数码管，如图3-4。按发光二级管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。共阳数码管在应用时应将公共级COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。共阴数码管在应用时将公共级COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 图3-4 七段数码管4调试与检测4.1调试中故障及解决办法在音乐数列产生上，一开始使用74LS161及相应的门电路来实现音乐数列，但当音乐数列结束时又返回为0，与后面的自然数列产生冲突，继而出现错误。思考很多方法后都没能解决该故障，只好更换为现在的方法，即用编码的方法来实现音乐数列。在控制方面，要实现自然数列、奇偶数列和音乐数列这三部分循环显示，而二线四线译码器却又四个输出，要保证这三部分的循环，就要使其中两个都接奇偶数列，但最后由于时间问题出现错误。最后改为当显示最后一个输出时清零，即实际上只有三个输出。4.2调试与运行结果经过调试后，电路能够正常进行工作，即正常的实现自然数列、奇偶数列和音乐数列的循环。5仿真操作步骤及使用说明仿真所用到的开关器件有电源键、复位/清零健。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开关就可以实现控制电源的通断从而控制信号的有无。复位/清零健是通过将各个清零信号同时清零来实现电路的总体清零。当开关打到接地端时，由于各清零信号均不工作所以计数开始，电路正常工作。当打到高电平时各清零信号同时清零，实现电路的总体清零。6体会与总结通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从实践中找到答案，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的很多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，如proteus软件的不灵活应用，甚至对word很多操作都还不是很熟悉。这些这些都是我将来努力的方向，通过实践发现自己的不足，再通过实践弥补它，追赶上其他人，甚至做得更好。同时我认为我们的工作是一个团队的工作