電燈控制開關課程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、設計任務與要求……………………………………2</p><p>　　二、總體框圖……………………………………2</p><p>　　三、選擇器件……………………………………8</p><p>　　四、功能模塊……………………………………15</p&g

2、t;<p>　　五、總體設計電路圖……………………………………17</p><p>　　六、課程設計心得……………………………………27</p><p><b>　　電燈控制開關</b></p><p><b>　　設計任務與要求</b></p><p>　　一個電燈控制開關，該開關有

3、一個按鈕，當按鈕按下1次，則電燈亮10秒鐘后滅；當按鈕按下2次（包括前一次），則電燈常亮不滅；當再按一次，則電燈滅。</p><p><b>　　總體框圖</b></p><p><b>　　1總體框圖</b></p><p>　　由題意可以得到該開關的設計原理框圖如圖1所示，圖中k是低電平有效的按鈕信號，kd是按鈕信號k

4、的下降沿微分信號，td10是10秒定時器定時時間到信號（高電平有效），deng是電燈控制信號（高電平有效），t10是10秒定時器啟動信號（高電平有效）。</p><p><b>　　圖1 總體框圖</b></p><p><b>　　2、微分電路</b></p><p>　　該狀態(tài)機的按鈕信號K，經(jīng)過微分電路再輸入狀態(tài)機，

5、使其低電平持續(xù)時間小于狀態(tài)機的時鐘周期，保證按鈕按下一次，狀態(tài)機只轉移一個狀態(tài)。因此為了使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增高，可以用兩個D觸發(fā)器組成微分電路對k信號進行微分。</p><p>　　所以需要在K輸入狀態(tài)機前設計微分電路。</p><p><b>　　3、狀態(tài)機</b></p><p>　　根據(jù)電燈控制的要求，可以得到該電燈控制開關的狀態(tài)圖如圖2所示

6、：</p><p>　　根據(jù)題意可得電燈控制只需要3個工作狀態(tài)，可使用兩個D觸發(fā)器，兩個D觸發(fā)器有Q0、 0、Q1、 1四個狀態(tài)，多余一個狀態(tài)，為了在上電時，狀態(tài)機能夠有效地進入工作狀態(tài)實現(xiàn)自啟動，在狀態(tài)圖上畫出了多余的狀態(tài)A3,在任何輸入條件下，都可以從該狀態(tài)自動進入初始狀態(tài)A0。</p><p>　　由圖2狀態(tài)圖可的表2-1的狀態(tài)表。在表中將狀態(tài)轉移條件中不出現(xiàn)的輸入信號用任意值表示。

7、</p><p>　　狀態(tài)表又可轉換成圖3所示的次態(tài)卡諾圖。</p><p>　　構造次態(tài)卡諾圖時，需要首先根據(jù)狀態(tài)表填寫次態(tài)卡諾圖，然后將剩余空格填寫現(xiàn)態(tài)到現(xiàn)態(tài)的轉移，相當于狀態(tài)不轉移的情況。</p><p>　　圖2 電燈延時開關狀態(tài)圖</p><p><b>　　表2-1 </b></p><p

8、><b>　　狀態(tài)表 </b></p><p>　　圖3次態(tài)卡諾圖 圖4次態(tài)卡諾圖</p><p>　　采用BCD編碼將圖3可寫為圖4。</p><p>　　將編碼次態(tài)卡諾圖分解為圖5所示的Q1和Q0的卡諾圖。</p><p>　　將Q1和Q0的卡諾圖如圖五化簡

9、可得到各個觸發(fā)器的次態(tài)方程：</p><p>　　Q1n+1= 1 Q0 + Q1 Q0k</p><p>　　Q1n+1= 1 + Q1 Q0k + Q0k </p><p>　　圖5觸發(fā)器Q1和Q0的次態(tài)卡諾圖</p><p>　　由于該電路是摩爾時序電路，輸出只與現(xiàn)在狀態(tài)有關，因此根據(jù)狀態(tài)表可以直接寫出輸出方程：</p&

10、gt;<p>　　t10在A1時態(tài)時為1，所以t10= 1 Q0 ；deng在A1和A2狀態(tài)時為1，</p><p>　　所以deng= 1 Q0 + Q1 Q0= Q0 。</p><p>　　根據(jù)上面得出的輸出方程和各個觸發(fā)器的次態(tài)方程即可以的到狀態(tài)機的電路圖，即可完成狀態(tài)機的設計。</p><p><b>　　4、10S定時器：<

11、/b></p><p>　　定時器有兩種狀態(tài)回路。第一種是在按鈕按下一次后，定時器開始倒計時，經(jīng)10ms后，定時器熄滅。第二種是按鈕按下兩次（包括前一次）后，定時器失去作用。</p><p>　　選擇單時鐘十進制加減計數(shù)器74LS190，即可實現(xiàn)10s定時器的設計;在狀態(tài)端接上共陽四位數(shù)碼管，可更直觀的觀察。</p><p>　　所以定時器選擇74LS190和

12、共陽四位數(shù)碼管即可實現(xiàn)。</p><p>　　注意：在此設計電路圖需要兩個CP觸發(fā)脈沖，狀態(tài)機需要1k赫茲的CP脈沖，定時器需要100赫茲的CP脈沖?？梢杂?55定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生1k赫茲的CP脈沖，然后經(jīng)過1000分頻電路產(chǎn)生100赫茲的CP脈沖。分頻電路可采用1個74LS160實現(xiàn)。</p><p><b>　　5、脈沖產(chǎn)生模塊：</b></p>

13、;<p>　　555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成555定時被廣泛應用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。</p><p>　　由555定時器組成的多諧振蕩器如圖（C）所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖(D)所示。&l

14、t;/p><p>　　設電容的初始電壓＝０，t＝０時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端＝＝０<ＶＣＣ，比較器Ａ1輸出為高電平，Ａ２輸出為低電平，即，（1表示高電位，0表示低電位），觸發(fā)器置１，定時器輸出此時，定時器內部放電三極管截止，電源經(jīng)，向電容Ｃ充電，逐漸升高。當上升到時，輸出由０翻轉為１，這時，觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<期間，定時器輸出為高電平１。</p>&

15、lt;p>　　時刻，上升到，比較器的輸出由１變?yōu)椋埃@時，，觸發(fā)器復０，定時器輸出。</p><p>　　期間，，放電三極管Ｔ導通，電容Ｃ通過放電。按指數(shù)規(guī)律下降，當時比較器輸出由０變?yōu)椋保遥佑|發(fā)器的，Ｑ的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。</p><p>　　時刻，下降到，比較器輸出由1變?yōu)?，R---S觸發(fā)器的1，0，觸發(fā)器處于1，定時器輸出。此時電源再次向電容C放電，重復上述過程

16、。</p><p>　　通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出，電容放電時，0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?lt;/p><p><b>　　振蕩周期:</b></p><p>　　由圖（D）可知，振蕩周期。為電容充電時間，為電容放電時間。&l

17、t;/p><p>　　充電時間 </p><p><b>　　放電時間 </b></p><p><b>　　矩形波的振蕩周期</b></p><p>　　因此改變、和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。</p><p>　　對于矩形波，

18、除了用幅度，周期來衡量外，還有一個參數(shù)：占空比q，q=（脈寬）/（周期T），指輸出一個周期內高電平所占的時間。圖（C）所示電路輸出矩形波的占空比。 </p><p><b>　　6、計時器模塊：</b></p><p>　　計時器由74LS160和74LS190構成。</p><p>　　74LS160是同步可預置數(shù)4位十進制加法計數(shù)器，當置數(shù)

19、端=清除端=1時，電路工作在計數(shù)狀態(tài)。</p><p>　　74LS190是可預置數(shù)可逆（加減）十進制計數(shù)器，當控制端=0，加減控制端=1時，電路在減計數(shù)工作狀態(tài)。</p><p><b>　　7、數(shù)碼顯示管：</b></p><p>　　所謂的八段就是指數(shù)碼管里有八個小LED發(fā)光二極管，通過控制不同的LED的亮滅來顯示出不同的字形。數(shù)碼管又分

20、為共陰極和共陽極兩種類型，其實共陰極就是將八個LED的陰極連在一起，讓其接地，這樣給任何一個LED的另一端高電平，它便能點亮。而共陽極就是將八個LED的陽極連在一起。其原理圖如下。</p><p>　　其中引腳圖的兩個COM端連在一起，是公共端，共陰數(shù)碼管要將其接地，共陽數(shù)碼管將其接正5伏電源。一個八段數(shù)碼管稱為一位，多個數(shù)碼管并列在一起可構成多位數(shù)碼管，它們的段選線（即a,b,c,d,e,f,g,dp）連在一起

21、，而各自的公共端稱為位選線。顯示時，都從段選線送入字符編碼，而選中哪個位選線，那個數(shù)碼管便會被點亮。數(shù)碼管的8段，對應一個字節(jié)的8位，a對應最低位，dp對應最高位。所以如果想讓數(shù)碼管顯示數(shù)字0，那么共陰數(shù)碼管的字符編碼為00111111，即0x3f；共陽數(shù)碼管的字符編碼為11000000，即0xc0?？梢钥闯鰞蓚€編碼的各位正好相反。如下圖。</p><p><b>　　選擇器件</b><

22、;/p><p>　　該課程設計需要以下器材:</p><p>　　2個74LS74D 、1個74LS03D 、5個74LS04D 、3個74LS11D 、2個74LS08D 、1個74LS21D 、1個74LS27D 、1個74LS32D 、1個74LS160D 、1個74LS190D 、1個LM555CM 、1個數(shù)碼管、2個10nF電容、2個47K電阻、2個1K電阻等。</p>

23、<p><b>　　器件介紹如下：</b></p><p>　　1、同步十進制計數(shù)器74LS160 74LS160結構和功能： 160為十進制計數(shù)器，直接清零。 簡要說明:160為可預置的十進制計數(shù)器，共有54/74160 和54/74LS160 兩種。下面是74LS160的主要電器特性 ：</p><p>　　異步清零端/MR1 為低電平時

24、，不管時鐘端CP信號狀態(tài)如何，都可以完成清零能。 </p><p>　　74LS160是同步置數(shù)，異步清零，并且超前進位功能。</p><p>　　74LS160外部引腳圖 74LS160邏輯圖</p><p>　　圖6 74LS160引腳圖 圖7 74LS160邏輯圖</p&

25、gt;<p>　　引出端符號： TC           進位輸出端 CEP           計數(shù)控制端 Q0-Q3       

26、60; 輸出端 CET           計數(shù)控制端 CP           時鐘輸入端（上升沿有效） /MR         

27、;  異步清除輸入端（低電平有效） /PE           同步并行輸入置數(shù)端（低電平有效）</p><p><b>　　表3-1</b></p><p>　　74LS160內部電路圖 </p><p>　　圖8 74LS

28、160內部電路圖</p><p>　　74LS160功能表 表3-2</p><p>　　2、可預置數(shù)同步可逆(加減)十進制計數(shù)器74LS190</p><p>　　74LS190的引腳圖 74LS190的邏輯圖</p><p>　　

29、圖9 74LS190的引腳圖 圖10 74LS190的邏輯圖</p><p><b>　　引出端符號：</b></p><p>　　LOAD 異步置數(shù) </p><p>　　D/U 加減控制端</p><p>

30、　　CTEN 計數(shù)控制端</p><p>　　RCO和MAX/MIN 級聯(lián)輸出端</p><p>　　74LS190的功能表</p><p><b>　　表3-3</b></p><p>　　74LS190的內部電路圖</p><p>　　圖11 74LS190的內部電

31、路圖</p><p>　　3、具有異步置位和復位端的邊沿觸發(fā)雙D觸發(fā)器74LS74</p><p>　　74LS74的邏輯圖</p><p>　　圖12 74LS74的邏輯圖</p><p>　　74LS74的管腳圖</p><p>　　圖13 74LS74的管腳圖</p><p><b&

32、gt;　　引出端符號：</b></p><p><b>　　表3-4</b></p><p>　　觸發(fā)器輸入端D稱為同步輸入信號，因為它們是在CLK的有效時鐘沿才能起作用，傳輸?shù)捷敵?。除此之外，觸發(fā)器還有異步輸入端，異步輸入端直接影響觸發(fā)器輸出而與CLK脈沖沒有關系，通常異步輸入端是置位端和復位端，在有效電平時，使觸發(fā)器異步置位或是復位。</p>

33、;<p>　　74LS74觸發(fā)器的特性表</p><p><b>　　表3-5</b></p><p>　　4、四2輸入與非門74LS03D</p><p>　　74LS03D的邏輯圖 74LS03D的功能表</p><p><b>　　表3-6

34、</b></p><p>　　圖14 74LS03D的邏輯圖</p><p>　　5、非門74LS04D</p><p>　　74LS04真值表 74LS04功能表 表3-8</p><p><b>　　表3-7</b></p><

35、p>　　74LS04D管腳圖 74LS04引腳功能</p><p>　　圖15 74LS04D管腳圖 圖16 74LS04引腳功能</p><p>　　6、三輸入與門74LS11</p><p><b>　　74LS11管腳圖</b></p><

36、p>　　圖17 74LS11管腳圖</p><p>　　圖17中A 、B、 C 為輸入端，Y為輸出端。</p><p><b>　　7.555定時器</b></p><p>　　國產(chǎn)雙極型定時器CB555電路結構圖。它是由比較器C1和C2，基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管TD三部分組成。</p><p>　　

37、555定時器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當阻容元件，就可以方便地構成脈沖產(chǎn)生和整形電路。</p><p>　　555定時器內部結構圖如下： 555定時器管腳圖如下：</p><p>　　圖18 圖19</p><p>　　555定時器功能表如下：</p>

38、;<p><b>　　表3-9</b></p><p>　　由內部結構圖圖可知，當5腳懸空時，比較器C1和C2比較電壓分別為2/3VCC和1/3VC</p><p>　　當vI1>2/3VCC，vI2>1/3VCC時，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平基本RS觸發(fā)器被置0,放電三極管T導通，輸出端vO為低電平。  

39、0;當vI1<2/3VCC，vI2<1/3VCC時，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器被置1,放電三極管T截止，輸出端vO為高電平。 </p><p>　　當vI1<2/3VCC，vI2>1/3VCC時，基本RS觸發(fā)器R =1、S =1,觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。 <

40、/p><p><b>　　功能模塊</b></p><p>　　此設計包括四大模塊,分別為: 微分電路、狀態(tài)機、10S定時器、CP脈沖的產(chǎn)生。</p><p>　　以下對各大模塊進行說明:</p><p><b>　　微分電路</b></p><p><b>　　仿真圖

41、如圖20：</b></p><p>　　圖20微分電路仿真圖</p><p>　　微分電路圖為圖21,因為狀態(tài)機時鐘周期很短，而按鈕按下的時間相對于狀態(tài)機時鐘周期很長，按下按鈕期間，有多個有效狀態(tài)機時鐘沿觸發(fā)狀態(tài)機，如果按鈕滿足狀態(tài)機的轉移條件，則會發(fā)生多狀態(tài)轉移現(xiàn)象。例如按鈕按下時，持續(xù)時間是300ms，若狀態(tài)機時鐘是1ms，則在按鈕按下期間狀態(tài)機的狀態(tài)會發(fā)生多次A0-A1-

42、A2-A0的轉移。因此該狀態(tài)機的按鈕信號K，經(jīng)過微分電路再輸入狀態(tài)機，使其低電平持續(xù)時間小于狀態(tài)機的時鐘周期，保證按鈕按下一次，狀態(tài)機只轉移一個狀態(tài)。</p><p><b>　　狀態(tài)機</b></p><p><b>　　仿真圖如圖21：</b></p><p><b>　　圖21狀態(tài)機仿真圖</b>

43、;</p><p>　　此狀態(tài)機用來實現(xiàn)圖2的三種狀態(tài)，進而控制燈和10S定時器，使其達到要求的結果。將t10和deng端口接入邏輯分析儀上，進行觀察，看其是不是符合圖2的狀態(tài)圖，驗證該設計的正確。</p><p><b>　　邏輯分析圖如下：</b></p><p>　　在圖22、23、24、25中t10接邏輯分析儀1端口，deng接邏輯分析

44、儀2端口。剛開始開關打開，t10=0，deng=0，如圖22；開關按下一次時，t10由0變?yōu)?，deng由0變?yōu)?，此時t10=1，deng=1，如圖23。</p><p>　　圖22 t10=0，deng=0 圖23 t10=1，deng=1</p><p>　　開關按下兩次時（包括前一次），t10由1變?yōu)?，燈仍然為1，此時t10=0，deng=1，如圖

45、24。</p><p>　　開關按下三次時，t10仍為0，燈由1變?yōu)?，此時t10=0，deng=0，如圖25。</p><p>　　圖24 t10=0，deng=1 圖25 t10=0，deng=0</p><p><b>　　3、10S定時器</b></p><p><b>　

46、　仿真圖如圖26：</b></p><p>　　圖26 10S定時器仿真圖</p><p>　　用十進制計數(shù)器74LS190減法計數(shù)即可實現(xiàn)10S定時器，此模塊用來實現(xiàn)設計要求中燈10S后熄滅，將狀態(tài)端QA QB QC Q D分別接到邏輯分析儀的1、2、3、4管腳進行觀察，觀察其10S計數(shù)，驗證該設計的正確。</p><p>　　邏輯分析圖如圖27

47、：</p><p>　　圖27 </p><p><b>　　4、CP脈沖的產(chǎn)生</b></p><p>　　CP脈沖的產(chǎn)生分為兩種：一是產(chǎn)生1K赫茲的脈沖；一是產(chǎn)生100赫茲的脈沖。該模塊用來給其它三個模塊提供CP脈沖</p><p>　　一、1K赫茲脈沖的產(chǎn)生&l

48、t;/p><p><b>　　仿真圖如圖28：</b></p><p>　　圖28 1K赫茲脈沖的產(chǎn)生仿真圖</p><p>　　1K赫茲脈沖通過555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生，一般常取C2=0.01uF，令C1=0.01uF，占空比q=2/3,由題可得周期T=1mS，所以由公式</p><p>　　T=0.69(R1+2

49、R2)C1=1mS ①</p><p>　　q=T1/T=(R1+R2)/( R1+2R2)=2/3 ②</p><p>　　可得R1=R2=48KΩ, 48KΩ不是標準電阻，可用47KΩ串1KΩ，如圖28。</p><p>　　將輸

50、出信號接入示波器端口A，通過示波器進行觀察，驗證該設計的正確。</p><p><b>　　示波器圖如圖29</b></p><p><b>　　圖29</b></p><p>　　由圖可得q=2/3，所以此設計正確。</p><p>　　二、100赫茲的脈沖的產(chǎn)生</p><p

51、><b>　　仿真圖如圖30：</b></p><p>　　圖30 赫茲的脈沖的產(chǎn)生仿真圖</p><p>　　1KHz經(jīng)過10分頻（1個74LS160通過同步級聯(lián)的方法來實現(xiàn)10分頻）可產(chǎn)生100Hz的脈沖，將輸出接到邏輯分析儀上,進行觀察，驗證該設計的正確。</p><p>　　邏輯分析圖如圖31：</p><p&

52、gt;<b>　　圖31</b></p><p><b>　　總體設計電路圖</b></p><p>　　總體設計電路圖如圖32。</p><p><b>　　總體電路圖說明：</b></p><p>　　將四大模塊電路連接到一起，構成總體電路，在Multism仿真電路里進行仿

53、真，觀察其結果，符合設計要求。各要求仿真圖如下：</p><p>　　1、按鈕按下1次，燈亮，同時10S定時器開始工作，電燈亮10S鐘以后滅。仿真圖如圖33。</p><p>　　2、按鈕按下2次（包括前一次），10S定時器不工作，電燈長亮不滅，仿真圖如圖34。</p><p>　　3、按鈕按下3次后，電燈滅，仿真圖如圖35。</p><p>

54、;　　圖32 總體設計電路圖</p><p>　　圖33 按鈕按下1次倒計時到6</p><p>　　圖34 按鈕按下2次燈長亮計時器不工作</p><p>　　圖34 按鈕按下3次燈滅</p><p><b>　　課程設計心得</b></p><p>　　通過本次課程設計我感觸很深，這是我做的第

55、一次課程設計，從開始到結束是在匆匆忙忙的生活中度過的，在這兩個星期的日子里，可以說是苦多于甜，但是可以學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次設計，進一步加深了對數(shù)字電子以及各種器件的了解，讓我對它有了更加濃厚的興趣。在設計電路過程中我遇到很多問題，所以慢慢的平時很少討論問題的我跟同學對設計的交流成了家常便飯，在整個過程中付出了很多的努力，但當看到顯示屏上自己設計的電路仿真

56、結果實現(xiàn)時，我覺得任何困難都值得，一種成就感油然而生。</p><p>　　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，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。在設計的過程中難免會遇到各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。</

57、p><p>　　本次課程設計為我們提供了一個可以在知識的天空里自由翱翔的空間；提供了一個可以在知識的海洋里揚帆遠行的空間它為我們的學習生活增添了一道亮麗的風景線，為我們的理想之塔增磚添瓦，為我們的知識小帆鼓風助力。我們必將坐著智慧小船乘千里風破萬里浪，開拓進取，勇往直前，朝著我們的理想彼岸前進。</p><p>　　總的來說，這次設計的電燈控制開關還是比較成功的，在設計中遇到了很多問題，最后在