电子技术课程设计——电机运转状态指示_74ls160输出状态波形图

前言

学习数电后，按照老师发布的题做课程设计，当时觉得已经把数电知识点吃透了，做个设计简简单单，但是亲自上手和纸上谈兵有很大差别，做课设让人挺忧愁的，幸好世上还是好人多，得到了大佬的指点。多学多做多思考，会有收获的。

课设任务

完成电动机运转状态指示，具体的设计要求如下：

1．使用555定时器设置1Hz的脉冲信号

2．电动机作如下动转：正转（20秒）——暂停（10秒）——反转（20秒）——暂停（10秒）

3．使用3只发光二极管指示电机正转，反转，暂停的状态

课程设计报告摘要

应用74HC160芯片和相关门电路组成六十进制计数器。组成的时序逻辑电路在逐个脉冲下产生相关状态，并把相关状态由74LS138芯片翻译出来，通过连接门电路将状态显示在发光二极管上。

正文

一.题目分析与方案选择

1.1设计任务分析

设计要求采用中小规模集成器件完成具有以下技术指标电路：

1. 电路一个周期为60秒内共有三种状态；
2. 在60秒内共有三种状态；
3. 发光二极管在对应的时间内指示对应的状态；

根据任务要求，所设计的电路需要用到计数器、译码器及门电路等多种集成器件。

1.2设计方案拟定

电动机作如下动转：正转（20秒）——暂停（10秒）——反转（20秒）——暂停（10秒），使用3只发光二极管指示电机正转，反转，暂停的状态。可从中提取到关键信息：一个周期为60秒，三个状态各20秒。依据题意，该电路由信号发生电路、60进制计数器、译码器和显示电路等单元组成。信号发生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，在精度要求不高的时候，可选用555定时器构成的多谐振荡器来实现。将脉冲信号送入计数器，该计数器采用60进制计数器，每累计60秒发出一个分脉冲信号。对题目进行分析，选择十位的信号接入译码器高电平有效的选通端。电路一共三个状态，译码器只需要用到六个输出端。六个端口接入合适的门电路后再接入对应的发光二极管作为显示电路。

信号通过六十进制计数器后，也可以用门电路来代替译码器，通过门电路的逻辑功能实现电路要求，但是门电路连接数量太多，从器件使用角度来说此方案不值得提倡。其次，74LS160芯片可以替换为74LS192芯片。电机运转状态指示电路结构框图如图1-1所示。

二.电路设计、仿真及计算过程

2.1信号发生电路

计数器需要一个输出为1HZ的秒脉冲信号源。利用中小规模集成器件构造秒脉冲的方法很多，用得较多的方法是利用555定时器实现。

555定时器构成的多谐振荡器可以产生脉冲波，并可通过调整定时器外接的电阻和电容元件很方便设定输出脉冲的频率，在脉冲精度要求不高的电路中，经常采用。脉冲波的频率可由公式f=1.43/[(R2+2*R1)*C2]算出产生1HZ的脉冲，求得所需元器件的参数。其原理图如图2-1所示，多谐振荡器输出的波形如图2-2所示。

2.2  六十进制计数器

六十进制计数器由两片74LS160构成，其中低位片为十进制计数器，高位片为一个六进制加法计数器，把十进制74LS160构成六进制计数器，采用置零法或者清零法都可以实现。置零法反馈时应该在输出为5时反馈，而清零法反馈应该在输出为6时反馈，本设计采用置零反馈的方式实现6进制计数器，电路由74LS160和74LS00构成，其电路如图2-3所示，对应的仿真波形如图2-4所示，六进制状态转换图如图2-5所示。

对于两级级联有同步法和异步法两种。同步法一般采用低位片的进位输出控制高位片的使能控制端，两片计数器共用一个时钟，而异步法低位片采用外来时钟，用低位片的进位输出通过一个与非门控制高位片的时钟。由两片74LS160构成，低位片为十进制加法计数器，高位片为6进制加法计数器，低位片的进位输出连接高位片的时钟输入端，译码显示器电路在仿真过程中直接用仿真软件中的器件代替，电路由两片74LS160，74LS20和两个数码管组成。电路如图2-6所示，电路仿真波形如图2-7所示。

个位计数为十进制形式。个位与十位计数器之间采用同步级联方式，个位计数器的进位信号连接到十位计数器的使能端EP、ET，完成个位对十位计数器的进位控制。数据位（D0~D3）全部挂低电平，其余计数器的输入端，挂高电平。计数器容量为10×10=100。2个计数器同时连接到同一个计数脉冲CP，以低位计数器进位脉冲作高位计数器的工作状态控制脉冲EP、ET。经与非门输出空置数端，接成六进制计数形式。当计数器状态为59时，重新置数，并输出一个进位到达六十进制。

2.3  译码器电路

译码器电路由74LS138译码器和门电路组成。译码器的3个输入引脚A,B,C，它们共同构成了3位二进制编码；同时还有8个输出引脚Y0-Y7，这些引脚中只会有一个引脚被置为高电平，与对应的输入编码相对应。此外，138译码器还有一个片选使能引脚（EN），用于将该芯片置为工作状态。当片选使能引脚EN被置为低电平时，该芯片处于待机状态，不会输出高电平信号。当EN被置为高电平时，该芯片开始对输入的3位二进制编码进行解码，根据选择电路的原理，选择与输入编码对应的输出端口，并将其置高电平。

对于本题来说，重点在于对信号的分解。根据题意，在0-19秒，电机正转；20-29秒，电机暂停；30-49秒，电机反转；50-59秒，电机暂停。经过分析，发现当十位数字为0和1时，电机正转；为2和5时，电机暂停；为3和4时，电机反转，因此，只用将60进制的高位片即六进制加法器接入138译码器即可。138译码器电路图如图2-8所示。

根据图2-8可知，当A,B,C输入000时，Y’0为0，当A,B,C输入001时，Y’1为0，当A,B,C输入010时，Y’2为0，当A,B,C输入011时，Y’3为0，当A,B,C输入100时，Y’4为0，当A,B,C输入101时，Y’5为0。根据以上的分析，将Y’0和Y’1用与门连接来表示电机正转状态，Y’2和Y’5用与门连接来表示电机暂停状态，Y’3和Y’4用与门连接来表示电机反转状态。138译码器连接门电路的电路如图2-9所示。138译码器未接门电路及接入门电路的输出波形如图2-10所示。

2.4 显示电路

显示电路由3个发光二极管和电压源组成。与平常发光二极管接法不同的是，本设计中是发光二极管的阴极接收由门电路输出的信号，阳极则通过电阻连接一个5V电压源。根据发光二极管的特性可知，当门电路输入中有一个为低电平时，阳极电压大于阴极电压，发光二极管会亮起。显示电路如图2-11所示。

2.5 整体仿真电路

三.原理图和PCB版图绘制

3.1 原理图

3.2 PCB版图

（连线太过于丑陋）

3.2.1 PCB顶层图

3.2.2 PCB底层图

后记

后面的装配调试就不一一赘述了，小白做这样一个课设挺艰难的，反正要多去接触项目，亲自上手设计，硬件方向遇到问题要逐一排查。我当时有被自己笑到，明明设计的三个发光二极管接VCC，但是画原理图的时候还是画的接地，把元器件装上后通电，芯片发烫，拿万用表挨个测，找不到问题所在。答辩前几天写实验报告，写到了显示电路，发现不对劲，去看原理图，果然画错了，来不及重新打板，幸好有关联的线路不多，一根一根的飞线。

如有错误，恳请指正，也期待大佬们能提出更多的设计方案，共同讨论，共同进步。