喷泉控制器.docx
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喷泉控制器.docx
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喷泉控制器
电子课程设计
----喷泉控制器
学院:
电子信息工程学院
专业,班级:
姓名:
学号:
指导老师:
2014年12月
1、设计任务与要求………………………………第03页
2、总体框图…………………………………………第03页
3、器件选择…………………………………………第04页
4、功能模块…………………………………………第11页
5、总体设计电路图…………………………………第15页
六、实习心得…………………………………………第17页
喷泉控制器
1、设计任务及要求
设计任务:
设计一个喷泉控制器
设计要求:
喷泉有A,B,C三组喷头。
按下按钮k1启动后,A组先喷5秒,后B,C同时喷,5秒后B停;再5秒后C停;而A,B又喷,再2秒后C也喷;持续5秒后全部停;再过3秒重复上述过程。
按钮K2可以停止所有喷水。
二、总体框图
1,总体设计框图
总体设计框图如图2-1所示。
图2-1总体设计框图
2,各模块功能
(1)秒脉冲信号发生器:
产生一个信号脉冲作为计数器的脉冲。
(2)二十五进制计数器:
通过两个十进制计数器组成一个二十五进制计数器,用来计数灯的工作时间状态,即喷泉的工作时间状态。
(3)控制电路:
利用非门和与非门的组合使之分别在24s、4s、9s、14s、16s、21s输出一个低电平,然后再通过与非门把信号传给JK触发器,使JK触发器实现保持和翻转功能,从而使指示灯出现亮或灭的状态,即喷泉的喷水或暂停。
(4)四段数码管时间显示器:
显示时间计数,以确定喷泉的起喷和暂停时间。
(5)LED灯显示:
仿真中用灯代替喷泉,通过灯的亮灭来看喷泉是否喷水。
3,设计思路
通过对设计题目的分析可知,喷泉的工作时间是固定的。
以A组为例:
当按下K1启动后,A组先喷5s,然后接下来的10sA组都是停止的,再往后A组又喷7s,然后停3s,接下来就是以此重复的。
由此可看出,整个喷泉是以25s循环的,所以我用两个74LS160N设计了一个二十五进制计数器,每25s置零一次,由此来实现它的循环过程。
另外分析它的工作状态,无论是A组还是B组还是C组,其工作状态只有两种,要么工作,要么不工作。
因此我想到了选择T触发器(把JK触发器的J端和K端相连即构成T触发器),当给它一个低电平时,它实现保持功能,给它一个高电平时,它实现翻转功能。
正好和喷泉的工作状态一致,要么保持喷,要么保持不喷,从喷到不喷只需要翻转就能实现。
而如何在需要的时间给T触发器一个需要的电平。
再分析A组,按下K1启动后,A组喷水,5s后A组停止,然后过10sA组又喷……以此类推,即可发现A组需在第24s、4s、14s、21s翻转,而要翻转则需要在24s、4s、14s、21s这四个时间点给T触发器输入一个高电平,由此我想到了用与非门来实现。
再对设计做整体分析,可知不同的组在24s、4s、9s、14s、16s、21s这六个时间点中的部分时间点都需要翻转,所以我用了6个八输入与非门使之在这六个时间点时输出一个低电平,其他点都输出高电平,再根据不同的组选择各自需要的翻转时间点,然后再通过一个与非门连接到T触发器,从而也就实现了在需要的时间点给T触发器一个需要的电平。
也就实现了对喷泉的控制,实现翻转功能。
正好和喷泉的工作状态一致,要么保持喷,要么保持不喷,从喷到不喷只需要翻转就能实现。
三,选择器件
1,选择器件型号
选择器件型号,件数及逻辑符号如图表3-1所示,逻辑框图如表3-2所示。
表3-1器件列表
序号
器件名称
器件型号
逻辑符号
件数
1
三输入与非门
74LS10N
1
2
四输入与非门
74LS20N
3
3
八输入与非门
74LS30N
6
4
非门
74LS04N
8
5
十进制计数器
74LS160N
2
6
JK触发器
74LS73N
3
7
四段数码显示管
DCD_HEX
2
8
控制开关
J
3
9
5V电压
VCC
1
10
秒脉冲发生器
CLOCK_VOLTAGE
1
11
红,绿,橙信号灯
3
表3-2器件逻辑框图
器件名称
逻辑框图
非门
与非门
十进制计数器
74LS160
JK触发器
2,器件的逻辑功能表及内部原理图
(1)四2输入非门74LS04
非门又称为反相器,是实现逻辑非运算的逻辑电路,其逻辑表达式为:
,A为输入端,Y为输出端。
其功能如表3-3所示。
表3-374LS04非门真值表
输入
输出
A
Y
0
1
1
0
其内部原理图如图3-1所示。
图3-174LS04管脚分布图
(2)二4输入与非门74LS2O
由于用到的与非门较多,但原理一样,所以这里以四输入与非门为例:
与非门可实现与门和非门的复合运算,其输出与输入之间的逻辑关系用逻辑表达式表示为:
A、B、C、D分别为输入端,Y为输出端。
其功能如表3-4所示。
表3-474LS2O与非门真值表
A
B
C
D
Y
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
其内部原理图如图3-2。
图3-274LS20管脚分布图
(3)同步十进制计数器74LS160
74LS160是同步十进制计数器,它具有异步清除和同步置数等功能,其逻辑框图及逻辑符号如表3-2、表3-3所示。
逻辑符号中,LOAD为置数端,CLR为清零端,ENT﹑ENP为使能端。
CLK为脉冲输入端。
A、B、C、D为计数器输入端,AQ、BQ、CQ、DQ为数据输出端,其功能表如表3-5所示。
表3-574LS160功能表
其内部结构图如图3-3所示。
图3-374LS160内部结构图
(4)JK触发器74LS73N
JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元。
JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能,在各类集成触发器中,JK触发器的功能最为齐全。
在实际应用中,它不仅有很强的通用性,而且能灵活地转换其他类型的触发器。
由JK触发器可以构成D触发器和T触发器。
工作原理:
当CP=0时,触发器处于一个稳态,G3、G4被封锁,不论J、K为何种状态,Q3、Q4均为1。
另一方面,G12、G22也被CP封锁,因而由与或非门组成的触发器处于一个稳定状态,使输出Q、Q状态不变。
当CP由0变1时,触发器不翻转,为接收输入信号作准备。
设触发器原状态为Q=0,Q=1。
当CP由0变1时,有两个信号通道影响触发器的输出状态,一个是G12和G22打开,直接影响触发器的输出,另一个是G4和G3打开,再经G13和G23影响触发器的状态。
前一个通道只经一级与门,而后一个通道则要经一级与非门和一级与门,显然CP的跳变经前者影响输出比经后者要快得多。
在CP由0变1时,G22的输出首先由0变1,这时无论G23为何种状态(即无论J、K为何状态),都使Q仍为0。
由于Q同时连接G12和G13的输入端,因此它们的输出均为0,使G11的输出Q=1,触发器的状态不变。
CP由0变1后,打开G3和G4,为接收输入信号J、K作好准备。
当CP由1变0时触发器翻转,设输入信号J=1、K=0,则Q3=0、Q4=1,G13和G23的输出均为0。
当CP下降沿到来时,G22的输出由1变0,则有Q=1,使G13输出为1,Q=0,触发器翻转。
虽然CP变0后,G3、G4、G12和G22封锁,Q3=Q4=1,但由于与非门的延迟时间比与门长(在制造工艺上予以保证),因此Q3和Q4这一新状态的稳定是在触发器翻转之后。
由此可知,该触发器在CP下降沿触发翻转,CP一旦到0电平,则将触发器封锁,回到第一种情况。
总之,JK触发器在CP下降沿前接受信息,在下降沿触发翻转,在下降沿后触发器被封锁。
其逻辑功能表如下表3-6所示。
表3-674LS73NJK触发器功能表
其内部原理图如图3-4所示。
图3-474LS73NJK触发器内部原理图
四、功能模块
1、各模块的电路原理图、逻辑功能及器件的连接关系
(1)秒脉冲信号发生器
器件的连接关系:
CLOCK_VOLTAGE正的一端接二十五进制计数器的CLK端,另一端接地,构成秒脉冲发生器如图4-1所示。
逻辑功能:
产生计一计数脉冲。
图4-1秒脉冲发生器
(2)二十五进制计数器
逻辑功能:
实现计数功能。
器件的连接关系:
两个十进制计数器的CLK端与脉冲信号发生器连接,清零端CLR接一三输入与非门,分别接到2U的13端口和3U的12和14端口,LOAD和2U的ENT、ENP都接+5V电压,3U的RCO端接到2U的ENT、ENP端,A、B、C、D均接地,以实现二十五进制计数如图4-2。
图4-2二十五进制计数器
(3)控制电路
逻辑功能:
分别在24s、4s、9s、14s、16s、21s输出一个低电平,然后再通过与非门把信号传给JK触发器,使JK触发器实现保持和翻转功能。
器件的连接关系:
6个八输入个与非门,根据需要分别接到2U和3U的输出端或输出非端,使6个与非门分别在24s、4s、9s、14s、16s、21s输出一个低电平,然后再通过与非门与JK触发器相连,使JK触发器实现保持和翻转功能。
其电路图如图4-3所示。
图4-3控制电路
(4)四段数码管时间显示器
器件的连接关系:
四段数码显示管的管脚从右往左依次接入74ls160的AQ、BQ、CQ、DQ管脚,构成四段数码管显示器图如图4-4。
图4-4四段数码管时间显示器
(5)LED灯显示器
器件的连接关系:
A组灯(红灯)接JK触发器13U的Q端,B组灯(绿灯)接JK触发器21BU的Q端,C组灯(黄灯)接21AU的Q端。
为了便于控制,在灯与JK触发器之间还接有一开关。
如图4-5所示。
图4-5LED显示器
2,仿真结果
仿真结果如图5-6所示。
表5-6仿真结果
五,总体设计电路
1、总体电路原理图
经过持续一段时间的工作验证,时间计数及灯的亮灭复合设计要求,电路的整体工作情况良好。
本设计中总共涉及到5个模块,其电路图如图5-1所示,其连接关系为:
秒脉冲连接到二十五进制计数器上,为其提供计数脉冲;二十五进制计数器上连接一四段数码显示管器,显示计数时间;除此之外还连接一个控制电路,控制LED灯的显示。
图5-1总体电路图
2、硬件实验
选用一片74LS160,74LSO4一片,74LS20两片,74LSOO一片,74LS73两片组成控制电路。
连线如图5-2所示。
图5-2硬件电路图
六、设计心得
通过此次的课程设计,我学到了许许多多的知识,加强了自我动手的能力以及思考和解决问题的能力。
做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强,在做课程设计过程中,我了解了更多元件的功能,并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
也是通过这次课程设计,使我懂得了理论与实际相结合的重要性,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,才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力,才能真正的学有所用,学以致用。
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- 喷泉 控制器