1、第 1 页 共 17 页电子课程设计-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 第 2 页 共 17 页目录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 页第 3 页 共 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
2、 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
3、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 10s A 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。秒脉冲发生器二十五进制计数器控制电路 LED 显示四段数码管时间显示器第 4 页 共 17 页另外
4、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 10s A 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
5、 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
6、-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 12 四输入与非门 74LS20N 33 八输入与非门 74LS30N 64 非门 74LS04N 8第 5 页 共 17 页5 十进制计数器 74LS160N 26 JK 触发器 74LS73N 37 四段数码显示管DCD_HEX 28 控制开关 J 39 5V 电压 VCC 110 秒脉冲发生器 CLOCK_ VOLTAGE111 红，绿，橙信号灯3第 6 页 共 17 页表 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74LS160JK
7、触发器第 7 页 共 17 页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。 Y其功能如表 3-3 所示。表 3-3 74LS04 非门真值表输入 输出A Y0 11 0其内部原理图如图 3-1 所示。图 3-1 74LS04 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A
8、Y表 3-4 所示。表 3-4 74LS2O 与非门真值表A B C D Y0 0 0 0 10 0 0 1 10 0 1 0 10 0 1 1 1第 8 页 共 17 页0 1 0 0 10 1 0 1 10 1 1 0 10 1 1 1 11 0 0 0 11 0 0 1 11 0 1 0 11 0 1 1 11 1 0 0 11 1 0 1 11 1 1 0 11 1 1 1 0其内部原理图如图 3-2。图 3-2 74LS20 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-
9、3 所示。 逻辑符号中,LOAD 为置数端,CLR 为清零端，ENTENP 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。第 9 页 共 17 页表 3-5 74LS160 功能表其内部结构图如图 3-3 所示。图 3-3 74LS160 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
10、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第 10 页 共 17 页为何种状态，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
11、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,G
12、22 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 3-6 74LS73N JK 触发器功能表其内部原理图如图 3-4 所示。第 11 页 共 1
13、7 页图 3-4 74LS73N JK 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，第 12 页 共 17 页LOAD 和 2U 的 ENT
14、、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
15、如图 4-3 所示。第 13 页 共 17 页图 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第 14 页 共 17 页(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 4-5 LED 显示器第 15 页 共 17
16、 页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。第 16 页 共 17 页图 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 硬件电路图第 17 页 共 17 页六、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。
