音乐数字彩灯控制器设计.docx
《音乐数字彩灯控制器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《音乐数字彩灯控制器设计.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
音乐数字彩灯控制器设计
1设计意义及要求
1.1设计意义
当今时代，信息正是一个高速发展的产业，而数字技术是信息的基础。
同时数字技术是目前发展最快的技术领域之一。
数字技术在数字集成电路及程度越来越高的情况下，开发数字系统的使用方法和用来实现这些方法的工具已经发生了变化，但大规模集成电路的基本模块结构仍然需要基本单元电路的有关概念，因此用基本逻辑电路来组成大规模的方法仍然需要我们掌握.
作为当代大学生，我们不能只是埋头于书海，而是应该了解社会的需求，学会将理论与实际有效的结合在一起，在实践中去巩固提高自己。
社会需要什么样的技术，我们就应该去接触，去学习，去创新，我们有义务去提供这样的技术支持。
本次课程设计正是为我们大学生提供了这样一个学习思考的平台，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，为将来的学习和工作打下坚实的基础。
另外，这次课程设计也是对个人动手能力，团队合作能力的考察。
一滴水，只有融入大海，才不会干涸。
同样，只有小组每个成员竭尽全力的探索，然后毫无保留地分享自己的思想成果，反思自己的不足，吸取别人的精华，这样才能产生思想的火花，才能精益求精。
1.2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
根据课题设计要求，该电路要完成四个数列的显示：
自然数列0123456789、奇数列13579、偶数列02468、音乐数列01234576701。
总体而言，整个电路应该由脉冲产生电路，计数电路，显示电路构成。
我们知道555芯片构成的多谐振荡器能够产生稳定连续的脉冲信号。
因此，这次课程设计中，我们把多谐振荡器连接的电路作为脉冲产生电路。
计数电路的设计技巧性比较强，不同型号的芯片不同的组合可以构成多种计数电路，完成相同的计数功能，用来控制四个数列的循环显示。
而显示电路可以选用七段显示数码管最直接的显示。
2.2设计方案
2.2.1方案一（自己的方案）
本方案所用到的元件为555芯片，74ls90，74HC154和一些门电路。
该方案主要分为四个部分，第一部分是采用555定时器作为脉冲信号源，通过调整电容电阻参数使其产生1Hz的脉冲信号。
555定时器具有原理简单，设计方便等优点，将其作为脉冲信号源能够稳定地产生连续的脉冲信号。
第二部分为选择工作电路，由74ls90，三态门，非门，或门等门电路构成，可以在不同时间段内使不同的循环电路工作。
第三部分为三个循环电路部分：
自然数列，奇偶数列，音乐数列。
对于这三个循环部分，我们很容易想到用十进制计数器来设计一个三十进制的计数器来实现循环。
很显然，如果是单独去实现三个循环功能是很简单的，我们这里利用由74LS90，三态门，非门，或门等门电路构成的选通电路，在第一个10循环使脉冲信号作用于自然数列，第二个10循环使脉冲信号作用于奇偶数列，第三个10循环使脉冲信号作用于音乐数列。
第四部分为显示电路，由三态门选择电路与七段数码管组成。
系统框图如图1
图1自己方案系统框图
2.2.2方案二（小组的方案）
因为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，74LS90的Q3产生的下降沿触发第二块74LS161的CLK，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实现分时传输的功能。
系统框图如图2
图2小组方案系统框图
2.3方案比较
方案一是自己的方案，思路简单，很容易理解电路的工作原理，也不需要分频，仅涉及数电知识。
但是，它使用的数字芯片数量较多，对于实物制作和调试将会带来比较大的麻烦。
方案二是我们小组设计的方案，主要是由74LS90，74LS153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。
该方案是在考虑到第一个方案实物制作很难的情况下，查阅资料，讨论修改得到的。
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，还需要分频。
电路设计思路是比较难想到的。
3部分电路设计
3.1脉冲产生电路
用555定时器组成的多谐振荡器如下图图3
图3多谐振荡电路
接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2Vcc/3时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降到Vcc/3时，Vo翻转为高电平。
电容器C放电所需时间为
当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1R2向电容器C充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为
当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。
如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。
其振谐频率为
。
555定时器功能表如表1
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
555定时器引脚图如图4，
图4555定时器引脚图
3.2三十进制循环电路
电路图如图5
图5三十进制计数电路
由题目要求可知总体大循环是一个三十进制的循环，因此电路使用两个74LS90构成，其中个位的计数器采用十进制，只需将其Q0与CKB连接起来，CKA与脉冲信号连接即构成十进制计数器，并将其Q3输出与十位计数器的CKA相连，当个位计数器输出由1001变为0000时产生进位信号。
而其十位的计数器应为三进制，此时采用将十进制转化为三进制，即将输出Q0,Q1通过与门后与清零端R0相连，当十位循环由10变为11时，计数器清零，从而组成三十进位计数器。
74ls90功能表如表2
表274ls90的功能表
输入
输出
R01
R02
R91
R92
Q3
Q2
Q1
Q0
1
1
0
×
0
0
0
0
1
1
×
0
0
0
0
0
×
×
1
1
1
0
0
1
×
0
×
0
计数状态
0
×
0
×
0
×
×
0
×
0
0
×
通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0
（1）、R0
（2）对计数器清零，借助R9
（1）、R9
（2）将计数器置9。
其具体功能详述如下：
（1）计数脉冲从CKA输入，Q1作为输出端，为二进制计数器。
（2）计数脉冲从CKB输入，Q4Q3Q2作为输出端，为异步五进制加法计数器。
（3）若将CKB和Q1相连，计数脉冲由CKA输入，Q4、Q3、Q2、Q1作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。
（4）若将CKA与Q4相连，计数脉冲由CKB输入，Q1、Q2、Q3、Q4作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。
（5）清零、置9功能。
a）异步清零
当R0
（1）、R0
（2）均为“1”；R9
（1）、R9
（2）中有“0”时，实现异步清零功能，即Q4Q3Q2Q1＝0000。
b）置9功能
当R9
（1）、R9
（2）均为“1”；R0
（1）、R0
（2）中有“0”时，实现置9功能，即Q4Q3Q2Q1＝1001。
74ls90引脚图如图6
图674ls90引脚图
3.3选择工作电路
选择工作电路如图7
图7选择工作电路图
选通电路由74ls90，或门，非门，与门组成。
我们可以观察到，在30个脉冲期间，三十进制计数器高位输出变化为00,01,10。
当三十进制计数器输出第一个十循环时，即计数器十位输出为00时，Q0,Q1连接一个二输入或门后再接反相器，得高电平，即可实现控制自然数列单元电路的脉冲信号的送入，保证自然数列电路能工作。
当三十进制计数器输出第二个十循环时，即计数器十位输出为01时，Q0直接与CP脉冲通过一个与门即可实现控制奇偶数列单元电路脉冲信号的送入。
当三十进制计数器输出第三个十循环时，即计数器十位输出为10时，Q1直接与CP脉冲通过一个与门即可实现控制音乐数列单元电路脉冲信号的送入。
另外有一点要说明的是，当相应的循环电路可以接收脉冲信号时，我们应该保证相应的三态门接收低电平，使其可以正常工作。
3.4循环电路
1自然数列循环，电路图如图8
图8自然数列循环电路
自然数列循环电路即普通十进制循环电路,此时我们利用74LS90实现:
将其Q0与CKB连接起来，CKA与脉冲信号连接即构成十进制计数器。
2奇偶循环电路
电路图如图9
图9奇偶循环电路
我们假设四个与非门由上至下依次为ABCD,根据我们设计要求，对应的可以画出真值表，如表3
表3奇偶循环电路真值表
Q0
Q1
Q2
Q3
D
C
B
A
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
由真值表可以写出：
A=m0+m1+m2+m3+m4B=m1+m3+m6+m8
C=m2+m3+m7+m8D=m4+m9
74154这种单片4线—16线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。
当两个选通输入G1和G2为低时,它可将4个二进制编码的输入译成16个互相独立的输出之一。
74HC154引脚图如图10
图1074HC154引脚图
逻辑功能如表4
表474HC154逻辑功能
INPUTS输入
SELECTEDOUTPUT选定输出（L）
G1
G2
D
C
B
A
L
L
L
L
L
L
Y0
L
L
L
L
L
H
Y1
L
L
L
L
H
L
Y2
L
L
L
L
H
H
Y3
L
L
L
H
L
L
Y4
L
L
L
H
L
H
Y5
L
L
L
H
H
L
Y6
L
L
L
H
H
H
Y7
L
L
H
L
L
L
Y8
L
L
H
L
L
H
Y9
L
L
H
L
H
L
Y10
L
L
H
L
H
H
Y11
L
L
H
H
L
L
Y12
L
L
H
H
L
H
Y13
L
L
H
H
H
L
Y14
L
L
H
H
H
H
Y15
X
H
X
X
X
X
NONE
H
X
X
X
X
X
NONE
3.音乐数字循环电路
4.循环电路图如图11
图11音乐循环电路
音乐数列循环即输出为0,1,2,3,4,5,6,7,0,1，本方案中采用将十进制计数器转化为八进制计数器，进行0—7的循环，再将输出的Q3与74LS139的第三个输出连接置零端，即完成7之后变回0，接着再0，1完成音乐数列的循环。
另外要注意的是，在完成第一次0123456701循环之后，74ls90输出还为0001，所以一定要进行清零，可以将30循环计数器的十位输出Q0Q1接与门后再连接到音乐循环电路的清零端。
3.5显示电路：
显示电路是通过运用三态门对输出有效循环进行选择，然后在七段数码管上输出显示。
其中三态门的使能端通过译码器74LS139的输出状态来进行控制。
4调试与检测
4.1调试中故障及解决方法
纸上画好电路图后，在Proteus上连接电路，点击仿真按钮后观察现象
（1）循环时奇偶电路没有按1357902468变化，而是胡乱跳动，其余两个循环电路正常工作，这说明只有奇偶电路出现问题，我们只需检查奇偶电路即可，大大地缩小了我们检查的范围。
原来是画图时疲倦，一时大意，将四输入与非门当做四输入与门连入电路，修改回来后奇偶电路恢复正常。
（2）第一次音乐数列循环时电路正常显示，而到了第二次循环时，当数列由奇偶数列转化为音乐数列时不是从0开始，而是从2开始，接着再345670123，这说明音乐数列循环在第二次循环时发生错误。
刚开始觉得非常不可思议，为什么第一次循环时可以正常显示，而第二次循环却出现问题。
我根据运行时各点电平高低（红为高电平，绿为低电平）来检查电路，发现在音乐数列循环电路中，计数器74LS90的清零端只与自身的Q3相连，只能完成八进制计数，而无法保证完成0123456701之后清零，也就是说，当第一次循环之后，计数保持在二进制数1，所以第二次音乐数列接收到第一个脉冲时，是在1的基础上开始计数，即变为2。
解决方法是将三十进制电路中十位的74ls90的Q0Q1连接到两输入与门之后再连接到音乐循环电路74ls90的清零端。
这样完成一个30进制循环后，音乐数列电路也可以清零。
4.2调试与运行结果
在解决上面几个问题之后，电路即可按设计要求工作：
先显示自然数列0123456789，随后数码管输出显示1,3,5,7,9,0,2,4,6,8的奇偶数列，最后数码管输出显示0,1,2,3,4,5,6,7,0,1的音乐数列，并按上述规律不断循环。
5仿真操作步骤及使用说明
5.1各部件说明
U22为555定时器构成的频率为1.6Hz的时钟脉冲信号。
U11、U12构成三十进制计数器，U13：
A为2线-4线译码器；U11、U12、U13：
A构成选通电路。
U1为十进制计数器，构成自然数列的循环电路；U2为十进制计数器，U3为4线-16线译码器，它们构成奇偶数列的循环电路；U6构成八进制计数器，其通过合理连线构成音乐数列的循环电路。
5.2操作说明
点击仿真按键，电路开始工作，首先数码管输出显示0,1,2,3,4,5,6,7,8,9的自然数列，随后数码管输出显示1,3,5,7,9,0,2,4,6,8的奇偶数列，最后数码管输出显示0,1,2,3,4,5,6,7,0,1的音乐数列，并按上述规律不断循环。
6结束语
通过这次为期十天左右的电工电子课程设计，我收获颇多：
首先，在设计过程中确确实实的感受到将理论运用到实践中的乐趣，虽然没有做实物，但是仿真的直观感觉也让人有趣，能让数码管按照要求来显示还是一件很有成就感的事。
在十二个课题中，我们一致觉得最简单的是那个篮球比赛24秒计时器设计，思路简单，而且刚好前不久我们数电实验做过一个电子钟的设计，其中就有24进制。
但是如果选择它，我们就没有提高，没有创新，那么我们这次的课程设计也就失去了意义。
综合考虑，我们选择了音乐数字彩灯控制器设计。
确定题目之后，小组成员都是埋头苦干，查资料，画草稿，学习使用仿真软件，遗憾的是前期我们没有很好的交流，最后汇总的时候发现雷同现象有点严重。
于是，我们讨论一番之后，修改了各自的方案，最后虽然总的思路是一样的，但元器件的使用，门电路的使用还是有很大的不同。
以我个人为例，最初我的选通电路是利用一个74ls139加上多个反相器构成的。
考虑到选通电路就是为了在三十进制电路的高位输出为00,01,10三个不同状态时，选择不同循环电路工作，我直接从高位的Q0Q1接线，再加上门电路，这样就减少了74ls139这种芯片。
奇偶循环电路中，我最初选择的是74ls42，也就是4线—10线十进制译码器，查阅资料可知，74ls154是4线—16线译码器，在本次设计中也可以运用，多余管脚可以不用考虑，于是为了避免雷同现象，我用74ls154代替了74ls42。
不过我也发现自己的不足之处，能力有限，很多东西还不能随心所欲的运用。
例如，在考虑三十进制计数电路时，我很想利用74ls160，它是同步十进制计数器，我将它置数为1111，输入第一个脉冲时清零，然后开始计数，但是我发现电路只能由0变化到8之后直接到了奇偶电路。
分析各点电平高低也没找出问题所在。
当时大家都忙着自己的，我也没去打扰，只是将74ls160换成74ls90，关于74ls160的问题也就暂时搁下了。
对我们专业的学生来说，动手操作能力的培养至关重要。
要想从课堂走向实践就必须勤动手多思考。
这次课程设计就是一次预演。
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。
在设计过程中，我也感到了自己掌握的知识还是比较匮乏的，因此在今后的学习中我会注意认真积累知识，并做到理论与实践结合，提高自己的动手能力，充实自己。
另外，我也感受到团队合作的重要性。
俗语云，三个臭皮匠赛过诸葛亮。
每个人在团队都扮演着不可或缺的角色，我们要将自己的智慧运用到极致，为团队做出最大的贡献。
知识因运用而更加美丽，思想因分享而更加迷人。
在此，也感谢指导老师对我们的指导和关心，感谢队友的全力奉献，相信在以后的学习和实践中，我们会更加努力，使学到的专业知识得到更充分的利用！
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1
自己的方案
附录2
小组的方案
升级会员 