樓梯燈控制裝置

1、 電子課程設(shè)計 樓梯燈控制裝置 學(xué)院：電子信息工程學(xué)院 姓名： 班級： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師： 2014年12月 樓梯燈控制系統(tǒng) 一 設(shè)計任務(wù)與要求 控制要求：只用一個按鈕k控制，當(dāng)按一次按鈕k時，樓梯燈亮一分鐘后自動熄滅；當(dāng)?shù)诙伟窗粹ok時（在1min內(nèi)），燈亮4min后滅；若在4min內(nèi)，再按下按鈕k時，燈熄滅。二 總體框圖 狀態(tài)機(jī) cptd1min定時信號 由題意可以得到該開關(guān)的設(shè)計原理框圖如圖1所示，圖中k是低電平有效的按鈕信號，kd是按鈕信號k的下降沿微分信號，td10是10秒定時器定時時間到信號（高電平有效），deng是電燈控制信號（高電平有效），t10是10秒定時器啟動信號（高電平有

2、效）?？傮w框圖如圖2-1所示。1min定時器微分電路開關(guān)燈4min定時器 Td4min信號 圖2-1總體框圖2、微分電路 該狀態(tài)機(jī)的按鈕信號K，經(jīng)過微分電路再輸入狀態(tài)機(jī)，使其低電平持續(xù)時間小于狀態(tài)機(jī)的時鐘周期，保證按鈕按下一次，狀態(tài)機(jī)只轉(zhuǎn)移一個狀態(tài)。因此為了使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增高，可以用兩個D觸發(fā)器組成微分電路對k信號進(jìn)行微分。所以需要在K輸入狀態(tài)機(jī)前設(shè)計微分電路。3、狀態(tài)機(jī) 根據(jù)電燈控制的要求，可以得到該電燈控制開關(guān)的狀態(tài)圖如圖2-2所示：因為四變量狀態(tài)機(jī)相對六變量狀態(tài)機(jī)更容易得到，所以采用四變量狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)第一次按按鍵燈亮一分，第二次按按鍵燈亮（燈亮4min用其他門電路實現(xiàn)），第三次按按鍵燈熄滅

3、。根據(jù)題意可得電燈控制只需要3個工作狀態(tài)，可使用兩個D觸發(fā)器，兩個D觸發(fā)器有Q0、0、Q1、1四個狀態(tài)，多余一個狀態(tài)，為了在上電時， 狀態(tài)機(jī)能夠有效地進(jìn)入工作狀態(tài)實現(xiàn)自啟動，在狀態(tài)圖上畫出了多余的 狀態(tài)A3,在任何輸入條件下，都可以從該狀態(tài)自動進(jìn)入初始狀態(tài)A0。 由圖2-2狀態(tài)圖可得表2-3的狀態(tài)表。在表中將狀態(tài)入信號用任意值表示。狀態(tài)表又可轉(zhuǎn)換成圖2-4所示的次態(tài)卡諾圖。構(gòu)造次態(tài)卡諾圖時，需要首先根據(jù)狀態(tài)表填寫次態(tài)卡諾圖，然后將剩余空格填寫現(xiàn)態(tài)到現(xiàn)態(tài)的轉(zhuǎn)移，相當(dāng)于狀態(tài)不轉(zhuǎn)移的情況。狀態(tài)圖如圖2-2所示，狀態(tài)表如圖2-3所示。 A2T1min=0 deng=1 A1T1min=0 deng=0

4、 A0T1min=0 deng=0 K=0 k=0 k=0 A3 T1min=0 deng=0 圖2-2 電燈延時開關(guān)狀態(tài)圖 輸入信號，現(xiàn)態(tài)，次態(tài)，輸出如狀態(tài)表2-3。輸入信號現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸出ktd10QQn+1t10deng0A0A10011A1A01100A1A2110×A2A001××A3A000 表2-3 狀態(tài)表根據(jù)狀態(tài)表列寫卡諾圖次態(tài)卡諾圖如圖2-4和2-5所示。 圖2-4次態(tài)卡諾圖 圖2-5次態(tài)卡諾圖 采用BCD編碼將圖2-3可寫為圖2-4。將編碼次態(tài)卡諾圖分解為圖2-5所示的Q1和Q0的卡諾圖。將Q1和Q0的卡諾圖如圖五化簡可得到各個觸發(fā)器的次態(tài)方程：

5、Q1n+1= 1 Q0 + Q1 Q0k Q1n+1= 1 + Q1 Q0k + Q0k 圖2-6觸發(fā)器Q1和Q0的次態(tài)卡諾圖由于該電路是摩爾時序電路，輸出只與現(xiàn)在狀態(tài)有關(guān)，因此根據(jù)狀態(tài)表可以直接寫出輸出方程： T10在A1時態(tài)時為1，所以t10=1 Q0 ； deng在A1和A2狀態(tài)時為1，所以deng=1 Q0 + Q1 Q0= Q0 。根據(jù)上面得出的輸出方程和各個觸發(fā)器的次態(tài)方程即可以的到狀態(tài)機(jī)的電路圖，即可完成狀態(tài)機(jī)的設(shè)計。4. 1min與4min定時電路定時器有兩種狀態(tài)回路。第一種是在按鈕按下一次后，定時器開始計時，經(jīng)1min后，定時器發(fā)出定時時間到信號td1min，燈熄滅。第二種是

6、按鈕按下兩次（包括前一次）后，定時器定時4min，燈亮4min，在4min內(nèi)，再按一下按鈕，燈熄滅。選擇十進(jìn)制計數(shù)器74LS160，即可實現(xiàn)4min定時器的設(shè)計;在狀態(tài)端接上數(shù)碼管，可更直觀的觀察。注意：在此設(shè)計電路圖需要兩個CP觸發(fā)脈沖，狀態(tài)機(jī)需要1k赫茲的CP脈沖，定時器需要50赫茲的CP脈沖。三選擇器件該課程設(shè)計需要以下器件：4個數(shù)碼管，2個74ls160,2個74ls161，4個D觸發(fā)器，1個2.5v電燈，其他門電路。1、 同步十進(jìn)制計數(shù)器74LS160 74LS160結(jié)構(gòu)和功能： 160為十進(jìn)制計數(shù)器，直接清零。 簡要說明:160為可預(yù)置的十進(jìn)制計數(shù)器，共有54/74160 和54/

7、74LS160 兩種。下面是74LS160的主要電器特性 ： 異步清零端/MR1 為低電平時，不管時鐘端CP信號狀態(tài)如何，都可以完成清零能。 74LS160是同步置數(shù)，異步清零，并且超前進(jìn)位功能，如圖74ls160外部引腳圖2-7所示。 圖2-7 74LS160外部引腳圖 74ls160內(nèi)部原理圖如圖2-8。 圖2-8 74ls內(nèi)部原理圖74ls160功能表如表2-9。 圖2-9 74ls160 功能表 2、 具有異步置位和復(fù)位端的邊沿觸發(fā)雙D觸發(fā)器74LS74，如圖2-9。 圖2-9 74LS74的管腳圖 觸發(fā)器輸入端D稱為同步輸入信號，因為它們是在CLK的有效時鐘沿才能起作用，傳輸?shù)捷敵觥?/p>

8、除此之外，觸發(fā)器還有異步輸入端，異步輸入端直接影響觸發(fā)器輸出而與CLK脈沖沒有關(guān)系，通常異步輸入端是置位端和復(fù)位端，在有效電平時，使觸發(fā)器異步置位或是復(fù)位。 74LS74觸發(fā)器的特性表如表2-10。 表2-10 74ls74特性表 .與非門組成的SR鎖存器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-11。 圖2-11 SR鎖存器的真值表與原理圖 1) .當(dāng)R端無效(0)，S端有效時(1)，則Q=0,Q非=1,觸發(fā)器置,0。2) .當(dāng)R端有效(1)、S端無效時(0)，則Q=1,Q非=0觸發(fā)器置1。3) .當(dāng)RS端均有效時，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。 4) .當(dāng)RS端均無效時，觸發(fā)器狀態(tài)不確定。 四功能模塊 此設(shè)計包括三大模塊。

9、分別為: 狀態(tài)機(jī)、1min，4min定時器、SR鎖存電路。 1.各大模塊說明 狀態(tài)機(jī) 此狀態(tài)機(jī)來實現(xiàn)圖二的三種狀態(tài)，進(jìn)而控制定時器，使其達(dá)到要求的結(jié)果。4min定時器用門電路實現(xiàn)，4變量狀態(tài)機(jī)相對6變量狀態(tài)機(jī)容易得到，所以采用四變量狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)只實現(xiàn)第一次按按鈕燈亮一分，第二次按按鈕燈亮（4定時器用門電路實現(xiàn)），第三次按按鈕燈熄滅。 圖3-1 狀態(tài)機(jī)仿真圖對t1min，td1min，td4min的仿真波形圖如下。第一次按按鈕之前，t1min為低電平，按下按鈕，t1min變高，定時結(jié)束t1min變低。如圖3-2所示： 圖3-2 t1min波形變化 Td1min在定時時間到之前為低電平，定時時間

10、到時，為高電平，之后為低電平。如圖3-3所示。 圖3-3 td1min波形變化 Td4min在定時時間到之前為高電平，定時時間到時為高電平，之后為低電平。 如圖3-4所示。 圖3-4 td4min波形變化 2.定時器模塊 如下圖3-5所示為定時器模塊。用倆個160芯片連成異步60進(jìn)制計數(shù)器。構(gòu)成1分鐘定時器，用倆片161芯片連成同步240進(jìn)制計數(shù)器，構(gòu)成4分鐘定時器。工作時，第一次按下按鍵，1分鐘定時器定時1分鐘，在此期間燈常亮，若第二次按下按鍵1分鐘定時器停止計數(shù)，4分鐘定時器開始計數(shù)，燈亮4分鐘。 圖3-5 1min定時器模塊 圖3-6 4min定時器模塊 圖3-4 為1min定時器，用兩

11、片74ls160連成異步60進(jìn)制計數(shù)器，圖3-5 為4min定時器，用兩片74ls161連接成同步240進(jìn)制計數(shù)器，計時器均接數(shù)碼管顯示時間。Cp脈沖以實驗時為準(zhǔn)。5 總體設(shè)計電路圖 1.總體電路圖 圖5-1 總體電路圖2. 仿真結(jié)果 第一次按下按按鍵仿真結(jié)果如圖5-2，燈亮一分鐘后熄滅。 圖5-2 第一次按下按鍵仿真結(jié)果 第二次按下按鍵仿真結(jié)果如圖5-3，燈亮四分鐘后熄滅。 圖5-3 第二次按下按鍵仿真結(jié)果第三次按下按鍵仿真結(jié)果如圖5-4，按下按鍵后，燈熄滅 。 圖5-4 第三次按下按鍵仿真結(jié)果3. 硬件仿真結(jié)果設(shè)計題目是樓梯燈控制系統(tǒng)，硬件仿真試驗，動手做了狀態(tài)及部分，并取得成功，狀態(tài)機(jī)能有效控制要求的三種狀態(tài)即按一次按鍵燈亮1分，第二次按按鍵燈亮4分，第三次按按鍵燈熄滅。六心得體會通過這次課程設(shè)計,我對74LS160、74LS161和555定時器等元件的邏輯功能有了更加深入的了解和認(rèn)識,對Multisim軟件應(yīng)用的更加熟練。在課程設(shè)計中,遇到了一些問題，解決問題時，我想到了用555定時器對信號進(jìn)行分析和利用，既能得到合適的脈沖，又使誤差得以減小，達(dá)到了很好的效果，為后面的設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)。在選擇計數(shù)器時，我選用了常用的74LS160和74LS161計數(shù)器，從而達(dá)到實