电灯控制开关课程设计

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Q0、0、Q1、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A0。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 状态表 输入信号现态次态输出ktd10QQn+1t10deng0A0A10011A1A01100A1A2110A2A001A3A000 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Q1和Q0的卡诺图。将Q1和Q0的卡诺图如图五化简可得到各个触发器的次态方程： Q1n+1= 1 Q0 + Q1 Q0k Q1n+1= 1 + Q1 Q0k + Q0k 图5触发器Q1和Q0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A1时态时为1，所以t10=1 Q0 ；deng在A1和A2状态时为1，所以deng=1 Q0 + Q1 Q0= Q0 。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R1、R2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，t时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到时，输出由翻转为，这时，触发顺保持状态不变。所以0t2/3VCC，vI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平基本RS触发器被置0,放电三极管T导通，输出端vO为低电平。 当vI12/3VCC，vI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器被置1,放电三极管T截止，输出端vO为高电平。 当vI11/3VCC时，基本RS触发器R =1、S =1,触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。 四、 功能模块 此设计包括四大模块,分别为: 微分电路、状态机、10S定时器、CP脉冲的产生。以下对各大模块进行说明:1、 微分电路仿真图如图20： 图20微分电路仿真图微分电路图为图21,因为状态机时钟周期很短，而按钮按下的时间相对于状态机时钟周期很长，按下按钮期间，有多个有效状态机时钟沿触发状态机，如果按钮满足状态机的转移条件，则会发生多状态转移现象。例如按钮按下时，持续时间是300ms，若状态机时钟是1ms，则在按钮按下期间状态机的状态会发生多次A0-A1-A2-A0的转移。因此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。2、 状态机仿真图如图21：图21状态机仿真图此状态机用来实现图2的三种状态，进而控制灯和10S定时器，使其达到要求的结果。将t10和deng端口接入逻辑分析仪上，进行观察，看其是不是符合图2的状态图，验证该设计的正确。逻辑分析图如下：在图22、23、24、25中t10接逻辑分析仪1端口，deng接逻辑分析仪2端口。刚开始开关打开，t10=0，deng=0，如图22；开关按下一次时，t10由0变为1，deng由0变为1，此时t10=1，deng=1，如图23。 图22 t10=0，deng=0 图23 t10=1，deng=1 开关按下两次时（包括前一次），t10由1变为0，灯仍然为1，此时t10=0，deng=1，如图24。开关按下三次时，t10仍为0，灯由1变为0，此时t10=0，deng=0，如图25。 图24 t10=0，deng=1 图25 t10=0，deng=03、10S定时器仿真图如图26： 图26 10S定时器仿真图用十进制计数器74LS190减法计数即可实现10S定时器，此模块用来实现设计要求中灯10S后熄灭，将状态端QA QB QC Q D分别接到逻辑分析仪的1、2、3、4管脚进行观察，观察其10S计数，验证该设计的正确。逻辑分析图如图27： 图27 4、CP脉冲的产生 CP脉冲的产生分为两种：一是产生1K赫兹的脉冲；一是产生100赫兹的脉冲。该模块用来给其它三个模块提供CP脉冲一、1K赫兹脉冲的产生仿真图如图28： 图28 1K赫兹脉冲的产生仿真图1K赫兹脉冲通过555定时器组成的多谐振荡器产生，一般常取C2=0.01uF，令C1=0.01uF，占空比q=2/3,由题可得周期T=1mS，所以由公式T=0.69(R1+2R2)C1=1mS q=T1/T=(R1+R2)/( R1+2R2)=2/3 可得R1=R2=48K, 48K不是标准电阻，可用47K串1K，如图28。将输出信号接入示波器端口A，通过示波器进行观察，验证该设计的正确。示波器图如图29 图29由图可得q=2/3，所以此设计正确。二、100赫兹的脉冲的产生仿真图如图30： 图30 赫兹的脉冲的产生仿真图1KHz经过10分频（1个74LS160通过同步级联的方法来实现10分频）可产生100Hz的脉冲，将输出接到逻辑分析仪上,进行观察，验证该设计的正确。逻辑分析图如图31： 图31五、 总体设计电路图总体设计电路图如图32。总体电路图说明：将四大模块电路连接到一起，构成总体电路，在Multism仿真电路里进行仿真，观察其结果，符合设计要求。各要求仿真图如下：1、按钮按下1次，灯亮，同时10S定时器开始工作，电灯亮10S钟以后灭。仿真图如图33。2、按钮按下2次（包括前一次），10S定时器不工作，电灯长亮不灭，仿真图如图34。3、按钮按下3次后，电灯灭，仿真图如图35。 图32 总体设计电路图 图33 按钮按下1次倒计时到6图34 按钮按下2次灯长亮计时器不工作 图34 按钮按下3次灯灭六、 课程设计心得通过本次课程设计我感触很深，这是我做的第一次课程设计，从开始到结束是在匆匆忙忙的生活中度过的，在这两个星期的日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次设计，进一步加深了对数字电子以及各种器件的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。在设计电路过程中我遇到很多问题，所以慢慢的平时很少讨论问题的我跟同学对设计的交流成了家常便饭，在整个过程中付出了很多的努力，但当看到显示屏上自己设计的电路仿真结果实现时，我觉得任何困难都值得，一种成就感油然而生。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，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。在设计的过程中难免会遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。本次课程设计为我们提供了一个可以在知识的天空里自由翱翔的空间；提供了一个可以在知识的海洋里扬帆远行的空间它为我们的学习生活增添了一道亮丽的风景线，为我们的理想之塔增砖添瓦，为我们的知识小帆鼓风助力。我们必将坐着智慧小船乘千里