基于Multisim的喷泉控制器的设计

电子课程设计——喷泉控制器设计学院：电子信息工程学院专业：电气工程及其自动化班级：电气888888班姓名：学号：888888888888888888指导教师：2012年12月27号太原科技大学电子课程设计-1-目录一、设计任务与要求…………………………………第02页二、总体框图…………………………………………第02页1、总体框图……………………………………………………第02页2、各模块功能…………………………………………………第03页3、具体设计思路………………………………………………第03页三、器件选择…………………………………………第04页1、设计所需的器件……………………………………………第04页2、器件的逻辑框图……………………………………………第05页3、器件的逻辑符号……………………………………………第06页4、器件的逻辑功能表及内部原理图…………………………第07页四、功能模块…………………………………………第11页1、各模块的电路原理图、逻辑功能及器件的连接关系……第11页2、Multism的仿真结果………………………………………第14页3、数字试验箱的验证结果……………………………………第14页五、总体设计电路图…………………………………第15页1、总体电路原理图……………………………………………第15页2、电路的整体工作情况………………………………………第16页3、模块之间的连接关系………………………………………第16页4、硬件的实验结果……………………………………………第16页六、实习心得…………………………………………第16页太原科技大学电子课程设计-2-喷泉控制器喷泉是一种将水或其他液体经过一定压力通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体。喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。现在广泛运用于生活各处。如园林中的喷泉，是为了造景的需要，人工建造的具有装饰性的喷水装置。喷泉可以湿润周围空气，减少尘埃，降低气温，除此之外，喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子。因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。喷泉景观概括来说可以分为两大类：一是因地制宜，根据现场地形结构，仿照天然水景制作而成，如：壁泉、涌泉、雾泉、管流、溪流、瀑布、水帘、跌水、水涛、漩涡等。二是完全依靠喷泉设备人工造景，这类水景近年来在建筑领域广泛应用，发展速度很快，种类繁多，有音乐喷泉、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、激光水幕电影等。但无论是哪一种形式的喷泉，都离不开一个控制电路，控制电路设计的越完美，就越能出现唯美的喷泉，带来视觉、甚至听觉上的享受。一、设计任务与要求设计任务：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1K启动后，A组先喷5s，然后B、C同时喷，5s后B停，再5s后C停，而A、B又喷，在2s后C也喷，持续5s后全部停，再过3s重复上述过程。按钮K2可以随时停止所有喷头喷水（2K控制器输出信号控制电磁水阀门开启与关闭，也就控制了喷泉是否喷水）。太原科技大学电子课程设计-3-二、总体框图1、总体设计框图：图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10sA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。另外分析它的工作状态，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，它实秒脉冲信号发生器二十五进制计数器控制电路LED灯显示四段数码管时间显示器验证太原科技大学电子课程设计-4-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10sA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。三、选择器件1、器件名称：如下表1所示表1器件列表序号器件名称器件型号器件个数1三输入与非门74LS10N1件2四输入与非门NAND41件3五输入与非门NAND52件4八输入与非门7430N6件5非门74LS04N8件6十进制同步计数器74LS160N2件7JK触发器74LS73N3件8四段数码显示管DCD_HEX2件9控制开关J5件10+5V电压VCC1件11秒脉冲信号发生器CLOCK_VOLTAGE1件12蓝、红、橙指示灯21件太原科技大学电子课程设计-5-2、逻辑框图：如下表2所示表2器件的逻辑框图器件名称逻辑框图非门与非门十进制同步计数器74ls160JK触发器太原科技大学电子课程设计-6-3、逻辑符号：如下表3所示表3器件的逻辑符号器件名称逻辑符号三输入与非门四输入与非门五输入与非门八输入与非门非门十进制同步计数器太原科技大学电子课程设计-7-JK触发器四段数码显示管控制开关+5V电压秒脉冲信号发生器蓝、红、橙指示灯4、器件的逻辑功能表及内部原理图：（1）非门：太原科技大学电子课程设计-8-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：Y=AA为输入端，Y为输出端其功能如表4所示：表4非门真值表AY0110（2）与非门：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：Y=DCBAA，B，C，D分别为输入端，Y为输出端其功能如表5所示：表5四输入与非门真值表ABCDY00001000110010100111010010101101101011111000110011101011011111001110111110111110（3）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，其逻辑太原科技大学电子课程设计-9-框图及逻辑符号如表2、表3所示：逻辑符号中,LOAD为置数端,CLR为清零端，ENT﹑ENP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6所示：表674ls160的逻辑功能表其内部原理图如下图2所示：图274ls160的内部原理图太原科技大学电子课程设计-10-（4）JK触发器：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触发器可以构成D触发器和T触发器。工作原理：如上表2中所示：当CP=0时，触发器处于一个稳态，G3、G4被封锁，不论J、K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,G22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7所示：表7JK逻辑功能表太原科技大学电子课程设计-11-输入输出DRCLKJK1nQ00清零100Q保持1000Q保持1010置01101置1111nQ翻转其内部原理图如图3所示：图3JK触发器的内部原理图四、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：电路图如图4所示：图4秒脉冲信号发生器太原科技大学电子课程设计-12-逻辑功能：产生计一计数脉冲。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。(2)二十五进制计数器：电路图如图5所示：图5二十五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1U的13端口和2U的12和14端口，LOAD和1U的ENT、ENP都接+5V电压，2U的RCO端接到1U的ENT、ENP端，A、B、C、D均接地，以实现二十五进制计数。(3)控制电路：电路图如6图所示：太原科技大学电子课程设计-13-图6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1U和2U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。(4)四段数码管时间显示器：电路图如图7所示：图7四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。(5)LED灯显示器：电路图如图8所示：太原科技大学电子课程设计-14-图8LED灯显示器件的连接关系：A组灯（中心的灯）接JK触发器14U的Q端，B组灯（中间的一圈灯）接JK触发器18U的Q端，C组灯（外围的一圈灯）接20U的Q端。为了便于控制，在灯与JK触发器之间还接有一开关。2、Multism的仿真结果如下表所示：表8Multism的仿真结果输入输出