电灯控制开关课程设计[30页].doc

目录

一、设计任务与要求 (2)

二、总体框图 (2)

三、选择器件 (8)

四、功能模块 (15)

五、总体设计电路图 (17)

六、课程设计心得 (27)

电灯控制开关

一、设计任务与要求

一个电灯控制开关，该开关有一个按钮，当按钮按下1次，则电灯亮10秒钟后灭；当按钮按下2次（包括前一次），则电灯常亮不灭；当再按一次，则电灯灭。

二、总体框图

1总体框图

由题意可以得到该开关的设计原理框图如图1所示，图中k是低电平有效的按钮信号，kd是按钮信号k的下降沿微分信号，td10是10秒定时器定时时间到信号（高电平有效），deng是电灯控制信号（高电平有效），t10是10秒定时器启动信号（高电平有效）。

图1 总体框图

2、微分电路

该状态机的按钮信号K，经过微分电路再输入状态机，使其低电平持续时间小于状态机的时钟周期，保证按钮按下一次，状态机只转移一个状态。因此为了

使系统的稳定性增高，可以用两个D触发器组成微分电路对

k信号进行微分。

所以需要在K输入状态机前设计微分电路。

3、状态机

根据电灯控制的要求，可以得到该电灯控制开关的状态图如图2所示：

根据题意可得电灯控制只需要3个工作状态，可使用两个D触发器，两个D

触发器有Q

0、

、Q

1

、

1

四个状态，多余一个状态，为了在上电时，状态机能够

有效地进入工作状态实现自启动，在状态图上画出了多余的状态A3,在任何输入条件下，都可以从该状态自动进入初始状态A

。

由图2状态图可的表2-1的状态表。在表中将状态转移条件中不出现的输入信号用任意值表示。

状态表又可转换成图3所示的次态卡诺图。

构造次态卡诺图时，需要首先根据状态表填写次态卡诺图，然后将剩余空格填写现态到现态的转移，相当于状态不转移的情况。

图2 电灯延时开关状态图

表2-1

输入信号现态次态输出

k td10 Q Q n+1 t10 deng

0 A

0 A

1

0 0

1 1 A

1A

1 1

0 0 A

1A

2

1 1

0 ×A

2A

0 1

××A

3 A

0 0

图3次态卡诺图图4次态卡诺图采用BCD编码将图3可写为图4。

将编码次态卡诺图分解为图5所示的Q

1和Q

的卡诺图。

将Q

1和Q

的卡诺图如图五化简可得到各个触发器的次态方程：

Q

1n+1=

1

Q

+ Q

1

Q

k

Q

1n+1=

1

+ Q

1

Q

k + Q

k

图5触发器Q

1和Q

的次态卡诺图

由于该电路是摩尔时序电路，输出只与现在状态有关，因此根据状态表可以直接写出输出方程：

t10在A

1时态时为1，所以t10=

1

Q

；deng在A

1

和A

2

状态时为1，

所以deng=

1 Q

+ Q

1

Q

= Q

。

根据上面得出的输出方程和各个触发器的次态方程即可以的到状态机的电路图，即可完成状态机的设计。

4、10S定时器：

定时器有两种状态回路。第一种是在按钮按下一次后，定时器开始倒计时，经10ms后，定时器熄灭。第二种是按钮按下两次（包括前一次）后，定时器失去作用。

选择单时钟十进制加减计数器74LS190，即可实现10s定时器的设计;在状态端接上共阳四位数码管，可更直观的观察。

所以定时器选择74LS190和共阳四位数码管即可实现。

注意：在此设计电路图需要两个CP触发脉冲，状态机需要1k赫兹的CP脉冲，定时器需要100赫兹的CP脉冲。可以由555定时器组成的多谐振荡器产生1k赫兹的CP脉冲，然后经过1000分频电路产生100赫兹的CP脉冲。分频电路可采用1个74LS160实现。

5、脉冲产生模块：

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。

由555定时器组成的多谐振荡器如图（C）所示，其中R

1、R

2

和电容C为外

接元件。其工作波如图(D)所示。

设电容的初始电压c U ＝０，t ＝０时接通电源，由于电容电压不能突变，所

以高、低触发端TH V ＝TL V ＝０<1

3

ＶＣＣ，比较器Ａ1输出为高电平，Ａ２输出为低

电平，即_1D R =，_

0D S =（1表示高电位，0表示低电位），R S -触发器置１，定时器输出01u =此时_

0Q =，定时器内部放电三极管截止，电源cc V 经1R ，2R 向

电容Ｃ充电，c u 逐渐升高。当c u 上升到1

3cc V 时，2A 输出由０翻转为１，这时

_

_

1D D R S ==，R S -触发顺保持状态不变。所以0

电平１。

1t t =时刻，c u 上升到2

3

cc V ，比较器1A 的输出由１变为０，这时_

0D R =，

_1D S =，R S -触发器复０，定时器输出00u =。

12t t t <<期间，_

1Q =，放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ通过2R 放电。c u 按指数

规律下降，当c u <

2

3

cc V 时比较器1A 输出由０变为１，Ｒ－Ｓ触发器的_

D R =_

1D S =，Ｑ的状态不变，0u 的状态仍为低电平。

2t t =时刻，c u 下降到

1

3

cc V ，比较器2A 输出由1变为0，R---S 触发器的

_

D R =1，_

D S =0，触发器处于1，定时器输出01u =。此时电源再次向电容C 放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出01u =，电容放电时，0u =0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

振荡周期:

由图（D ）可知，振荡周期12T T T =+。1T 为电容充电时间，2T 为电容放电时间。

充电时间 11212()ln 20.7()T R R C R R C =+≈+ 放电时间 222ln 20.7T R C R C =≈

矩形波的振荡周期121212ln 2(2)0.7(2)T T T R R C R R C =+=+≈+ 因此改变1R 、2R 和电容C 的值，便可改变矩形波的周期和频率。

对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q ，q=（脉宽w t ）/（周期T ），w t 指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C ）所示电路输出矩形波的占空比1112

1212

2T T R R q T T T R R +=

==++。 6、计时器模块：

计时器由74LS160和74LS190构成。

74LS160是同步可预置数4位十进制加法计数器，当置数端=清除端=1时，电路工作在计数状态。

74LS190是可预置数可逆（加减）十进制计数器，当控制端=0，加减控制端=1时，电路在减计数工作状态。 7、数码显示管：

所谓的八段就是指数码管里有八个小LED 发光二极管，通过控制不同的LED 的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED 的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED 的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED 的阳极连在一起。其原理图如下。

其中引脚图的两个COM端连在一起，是公共端，共阴数码管要将其接地，共阳数码管将其接正5伏电源。一个八段数码管称为一位，多个数码管并列在一起可构成多位数码管，它们的段选线（即a,b,c,d,e,f,g,dp）连在一起，而各自的公共端称为位选线。显示时，都从段选线送入字符编码，而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。数码管的8段，对应一个字节的8位，a对应最低位，dp对应最高位。所以如果想让数码管显示数字0，那么共阴数码管的字符编码为00111111，即0x3f；共阳数码管的字符编码为11000000，即0xc0。可以看出两个编码的各位正好相反。如下图。

三、选择器件

该课程设计需要以下器材:

2个74LS74D 、1个74LS03D 、5个74LS04D 、3个74LS11D 、2个74LS08D 、1个74LS21D 、1个74LS27D 、1个74LS32D 、1个74LS160D 、1个74LS190D 、1个LM555CM 、1个数码管、2个10nF电容、2个47K电阻、2个1K电阻等。器件介绍如下：

1、同步十进制计数器74LS160

74LS160结构和功能：

160为十进制计数器，直接清零。

简要说明:160为可预置的十进制计数器，共有54/74160 和54/74LS160 两种。

下面是74LS160的主要电器特性：

异步清零端/MR1 为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零能。74LS160是同步置数，异步清零，并且超前进位功能。

74LS160外部引脚图 74LS160逻辑图

图6 74LS160引脚图图774LS160逻辑图

引出端符号：

TC 进位输出端

CEP 计数控制端

Q0-Q3 输出端

CET 计数控制端

CP 时钟输入端（上升沿有效）

/MR 异步清除输入端（低电平有效）

/PE 同步并行输入置数端（低电平有效）

表3-1

74LS160内部电路图

图8 74LS160内部电路图

74LS160功能表

表3-2

2、可预置数同步可逆(加减)十进制计数器74LS190

74LS190的引脚图 74LS190的逻辑图

图9 74LS190的引脚图图10 74LS190的逻辑图

引出端符号：

LOAD 异步置数

D/U 加减控制端

CTEN 计数控制端

RCO和MAX/MIN 级联输出端

74LS190的功能表

表3-3

74LS190的内部电路图

图11 74LS190的内部电路图

3、具有异步置位和复位端的边沿触发双D触发器74LS74 74LS74的逻辑图

图12 74LS74的逻辑图 74LS74的管脚图

图13 74LS74的管脚图

引出端符号：

表3-4

触发器输入端D称为同步输入信号，因为它们是在CLK的有效时钟沿才能起作用，传输到输出。除此之外，触发器还有异步输入端，异步输入端直接影响触发器输出而与CLK脉冲没有关系，通常异步输入端是置位端和复位端，在有效电平时，使触发器异步置位或是复位。

74LS74触发器的特性表

表3-5

4、四2输入与非门74LS03D

74LS03D的逻辑图 74LS03D的功能表

表3-6

图14 74LS03D的逻辑图

5、非门74LS04D

74LS04真值表 74LS04功能表表3-8

输入输出

A Y

L H

H L

74LS04D管脚图 74LS04引脚功能

图15 74LS04D管脚图图16 74LS04引脚功能6、三输入与门74LS11

74LS11管脚图

图17 74LS11管脚图

图17中A 、B、 C 为输入端，Y为输出端。

7.555定时器

国产双极型定时器CB555电路结构图。它是由比较器C

1和C

2

，基本RS触发