音乐彩灯-课程设计说明书

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武汉理工大学《电工电子综合》课程设计说明书
1 设计意义及要求
1.1 设计意义
音乐彩灯在现实生活中到处都有它的身影， 具有很高的实用价值。 通过设计最基本 的音乐彩灯控制器，能够更深刻地理解数字电子技术的应用方法和核心理念。同时了解 了音乐彩灯的工作原理，根据自己的实际水平，可以设计出更加具有创新意义的产品， 让生活色彩更加丰富。
此方案是用单片机（AT89C52）加以控制，整个硬件电路结构简单。在完成要求基 本功能的基础上，加了 9 个发光二极管。能够实现被点亮的发光二极管个数与数码管显 示的数字相同，并且呈对称显示的功能。电路原理图如图 2.5:
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引言
在科学技术飞速发展的时代，仅仅依靠理论知识想立足于某个行业，尤其是科研创 新领域，几乎是不可能的，只有实践才是检验真理的唯一标准。课程设计作为实践教学 的一个重要环节，对提高学生的创新能力有着重要的作用。通过课程设计，学生不仅能 加深对课本知识的理解，还能锻炼自己的动手能力和提高解决问题的能力。 我们小组这次选择的课题是运用已学的数电知识并查阅相关资料，设计出一种音乐 数字彩灯控制器。该电路可以实现自然数列、奇数数列、偶数数列以及音乐数列的循环 显示，并且通电能够自动清零。 恰逢刚刚上完数字电子技术基础这门课程，我们小组经过商讨决定个人方案运用数 字电子技术知识合理选择元器件调试组装电路，小组方案利用单片微型控制器（简称单 片机）来实现。在这两周的时间里，正好可以通过此次设计课程巩固所学知识，也借这 次契机全面提高应用本课程知识进行分析问题解决问题的能力，同时还可以学习运用单 片机来设计简单工程的能力。 此次设计我将用到 555 定时器组成脉冲发生器，74LS198（移位寄存器） ，74LS160 （十进制计数器）,74378（六 D 触发器）以及各种逻辑门电路来实现我的方案。因此需 要充分运用学过的数电以及模电知识，熟悉各种常用芯片的使用方法来解决设计中的问 题。 这次我们组设计的音乐数字彩灯控制器是一个难度较大的设计，在设计过程中遇到 了很多的问题，但是我通过查阅相关的资料，慢慢的解决了一个又一个的问题。我想经 过这次的课程设计， 我在运用理论知识解决实际问题以及动手能力等方面的能力有了非 常大的进步。
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2 方案设计
2.1 设计思路
2.1.1 运用数字电子技术知识
选用五个十进制计数器 74LS160， 编号为 counter1、 counter2、 counter3、 counter4、 counter5,用反馈置数法分别实现 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9（自然数队列） ；1,3,5,7,9（奇 数队列） ； 0,2,4,6,8 （偶数队列） ； 0,1,2,3,4,5,6,7 （音乐队列 1） 和 0,1 （音乐队列 2） ； 用 555 定时器产生一定频率的脉冲信号 CP1，经过一个 D 触发器进行分频产生脉冲 信号 CP2，分别作为 counter2、counter3 和 counter1、counter4、counter5 的 CLK 输 入。同时，用移位寄存器 74LS198 控制五个计数器的计数控制端，使得五个计数器按照 顺序进行计数， 每个计数器完成一次计数后， 输出一个上升沿脉冲给移位寄存器的 CLK， 实现移位， 让下一个计数器开始计数。 电路原理图参考附录 1 总体结构图如图 2.1 所示：
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目
录
引言.................................................................................................................... 1 1 设计意义及要求............................................................................................ 2 1.1 设计意义............................................................................................... 2 1.2 功能要求.............................................................................................. 2 2 方案设计........................................................................................................ 3 2.1 设计思路............................................................................................... 3 2.2 设计方案............................................................................................... 5 2.3 方案比较............................................................................................... 8 3 部分电路设计................................................................................................ 9 3.1 脉冲产生电路........................................................................................9 3.2 移位寄存器控制电路.......................................................................... 12 3.3 队列产生电路...................................................................................... 14 3.4 显示电路............................................................................................. 18 4 检测与调试.................................................................................................. 19 4.1 方案一的检测与调试......................................................................... 19 4.2 方案二的检测与调试......................................................................... 20 5 仿真操作使用说明....................................................................................... 21 结束语.............................................................................................................. 22 参考文献.......................................................................................................... 24 本科生课程设计成绩评定表
1.2 功能要求
� 数码管自动依次显示数字队列 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9（自然数列） ；1， 3，5，7，9（奇数列） ；0，2，4，6，8（偶数列） ；0，1，2，3，4，5，6，7，0， 1（音乐数列） 。然后又依次显示同上数列，不断循环； � 打开电源开关，自动清零，即通电后最先显示出自然数列的 0，再显示出 1，然 后按上述规律变化； � 每个数字的一次显示时间（从数码管显示之时起到消失之时止）基本相等。
门电路芯片。
图 2.4 第一套方案电路原理图
工作原理： 接通电源后，555 时基电路开始工作，产生 4Hz 的连续脉冲信号 CP1，经过分频电 路产生 2Hz 的连续脉冲信号 CP2。同时移位寄存器开始工作，置位 Q4Q3Q2Q1Q0=10000， 使得 Conuter1 的使能端 ENT=1,ENP=1,在脉冲信号 CP1 的激励下，开始自然队列计数。 当完成一次十进制计数后，通过 Q3 和 Q1 的反馈置位信号，经过若干个逻辑门，产生一 个 0→1 的上升沿传递给移位寄存器的 CLK，使之向右移一位，使得 Conuter２的使能端 ENT=1，ENP=1，在脉冲信号 CP2 的激励下，开始奇数队列的计数，同样完成一次五进制 计数后，通过 Q3 的反馈置位，经过若干个逻辑门，产生一个→1 的上升沿传递给移位寄 存器的 CLK，使之向右移一位，让 Counter3 开始偶数队列计数。当最后一个计数 器 Counter5 完成计数后，产生的反馈置位信号经过若干个逻辑门传递给移位寄存器 CLK 使 Q4Q3Q2Q1Q0=10000,重复开始自然数列的计数。为了让每个计数器开始计数之前完成 复位，在移位寄存器的输出端与计数器的 ENP 端之间连接一个 74LS378D 触发器，是两 者之间相隔一个脉冲。
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2.1.2 运用单片机
运用单片机完成音乐彩灯控制器的设计使得整个硬件电路相当简单，用 C 语言编译 环境写出正确的程序代码， 转换成 hex 文件， 下载给单片机， 即可实现要求的基本功能。 电路原理图参考附录 2，硬件部分结构图如图 2.2 所示： 在软件设计方面， 总体结构图如图 2.3 所示：
555 脉冲信号发生器
分频电路
CP1
CP1 CP2 CP2
CP2
பைடு நூலகம்
Counter1 74LS160
Counter2 74LS160
Counter3 74LS160
Counter4 74LS160
Counter5 74LS160
移位寄存器 74198 输入为五个计数器 的置位端
六输入与非门
图 2.1
方案一总体结构图
开始
晶振 设 T0 为定时方式 1 AT89C52 复位 数码 管显 示
装入 T0 计数初值
开启中断 图 2.2 方案二硬件结构图
2.2 设计方案
在此次音乐数字彩灯控制器的设计过程中产 生了两套方案，分别是利用数字电子技术知识和 单片机基础知识进行设计的。两套方案都能实现 课题要求的基本功能，但是电路的复杂程度和设 计思路完全不同，下面做一简单介绍。
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显示电路部分，数码管的每个管脚都分别经过一个或门（电路图中由或非门和非门 组成）与五个计数器的响应输出端相连，这样能够保证五个计数器的输出端之间互不干 扰（当某个计数器工作时，其它四个计数器的输出为 Q3Q2Q1Q0=0000） 。
2.2.2 方案二（小组共同方案）
启动定时/计数器 T0
N 1 秒到
Y 数码管显示，彩灯 点亮
2.2.1 方案一（个人方案）
图 2.3
方案二程序流程图
此方案完全是完全根据所学的数字电子技术知识进行设计的，采用的芯片有十进制 计数器 74LS160，移位寄存器 74198，D 触发器 74LS378，555 时基电路，以及其他各种
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