毕业设计 游乐场空中飞椅控制电路电子课程设计.docx
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毕业设计游乐场空中飞椅控制电路电子课程设计
电子课程设计
——游乐场“空中飞椅”控制电路
学院：
电子信息工程学院
专业、班级：
自动化121501班
姓名：
学号：
指导老师：
任青莲
2014年12月
目录
一、设计任务与要求3
二、总体框图3
2.1、模块说明3
2.2、设计思路4
三、选择器件4
3.1、实验所需原件4
3.2、器件说明4
四、功能模块10
4.1、脉冲模块10
4.2、计时模块11
4.3、水平位移模块12
4.4、竖直位移及最后10秒亮灯提示模块12
五、总体设计电路图13
5.1、总体电路原理图13
5.2、Multism仿真结果14
5.3、硬件实验17
六、课程设计心得体会18
游乐场“空中飞椅”控制电路
一、设计任务与要求
本设计内容仅考虑如何实现对“空中飞椅”的控制，其电动装置不在设计之列。
综合要求，设计任务如下：
控制飞椅在空中飞行时间仅为五分钟（即300秒）；
1.0~100秒飞椅正方向旋转；100~200秒，飞椅反方向旋转；200~300秒飞椅再次正方向旋转；
在竖直方向上，实现有纵向位移，即：
0~20秒，无纵向位移；20秒~40秒，有纵向位移；40秒~60秒，无纵向位移，60秒~80秒，有纵向位移，以此类推；
在五分钟里的最后10秒有灯光提示游客，游戏即将结束；
游戏结束，封锁电路，飞椅停止旋转。
二、总体框图
2.1模块说明
（1）脉冲模块：
脉冲模块是由定时器555组成多谐振荡器而构成的，可以产生一定频率的脉冲。
（2）计时模块：
计时模块是由三个74LS160芯片组合而成的三百进制计数器。
（3）正反方向旋转模块：
此模块是进行水平位移的控制，其核心芯片是74LS138。
（4）纵向位移模块：
主要是一个74LS160芯片组合。
（5）10秒倒计时模块：
由4个74LS08芯片和2个74LS04芯片组成。
2.2设计思路
计时模块：
首先需要设计一个三百进制的计时电路。
该电路在计数300时进行封锁，使电路不再工作。
而要使电路重新工作，必须设置清零端。
时钟信号选择50赫兹，所以此计时电路具有异步清零功能。
正反方向旋转控制模块：
该电路主要功能是进行选择，即选择正向旋转或是反向旋转。
所以其核心器件应该是74LS138，即三线八线译码器。
在选择时，正向旋转我们用X1表示，反向旋转用灯X2表示，当电路不再工作时，灯X1、X2均处于熄灭状态。
纵向位移控制模块：
该部分电路应从计时部分电路考虑，即20秒就会出现一次变化，有纵向位移时，我们用灯X3来表示，每隔20秒，灯X3就会亮或灭一次，持续时间为20秒。
最后10倒计时控制模块：
因为电路又与时间有关系，所以要看计时电路的选择。
提示游客的灯用X4来表示。
脉冲模块：
脉冲模块是由定时器555组成多谐振荡器而构成的，产生的频率由公式：
f=1/0.69（R1+2R2）C1计算而得。
三、选择器件
3.1实验所需原件
表1实验所需元器件表
器件
型号
数量
十进制计数器
74LS160
3
三线八线译码器
74LS138
1
二输入与门
74LS08
4
非门
74LS04
6
与非门
74LS00
2
信号发生器
XFG1
1
单刀双掷开关
1
3.2器件说明
（1）74LS160的逻辑符号
图174LS160的逻辑符号
表274LS160逻辑功能表
清零
预置
使能
时钟
预置数据输入
输出
工作
模式
CLR
LOAD
ENPENT
CP
D3D2D1D0
Q3Q2Q1Q0
0
×
××
×
××××
0000
异步清零
1
0
××
↑
d3d2d1d0
d3d2d1d0
同步清零
1
1
0×
×
××××
保持
数据保持
1
1
×0
×
××××
保持
数据保持
1
1
11
↑
××××
保持
加法计数
160是十进制计数器，内部原理图如图2所示。
图2160是十进制计数器，内部原理
74LS160逻辑功能描述如下：
同步可预置数4位十进制加法计数器74LS160具有异步清零端，它具有数据输入端A、B、C和D，同步置数端
，异步清除端
和计数控制端ENT和ENP，为方便级联，设置了进位输出端RCO。
当异步清零端
=0时异步清零，当置数端
=0，
=1，CP脉冲上升沿时预置数。
当
=
=ENT=ENP=1时，电路工作在计数状态。
当计数器计数值为9时，进位端RCO输出一个与
端高电平部分相同宽度的高电平。
详细功能如表2所示。
（2）74LS138逻辑符号
图374LS138逻辑符号
表374LS138功能表
74LS138内部原理图如图4所示。
图474LS138内部原理
74LS138逻辑功能描述如下：
当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/（G2A）和/（G2B））为
低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低
电平译出。
利用G1、/（G2A）和/（G2B）可级联扩展成24线译码器；若外接一个反
相器还可级联扩展成32线译码器。
若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器
用与非门组成的3线-8线译码器74LS138。
（3）二输入与门74LS08D
最简单的与门可以用二极管和电阻组成。
74LS08是四组二输入端的与门。
其内部原理图如图5所示。
74LS08D逻辑辑符号如图5所示。
图574LS08D逻辑辑符号
图674LS08内部原理
74LS08D逻辑功能表如表4所示。
表3逻辑功能表
1A
1B
1Y
2A
2B
2Y
3A
3B
3Y
4A
4B
4Y
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
74LS08D逻辑功能描述如下：
当两个输入端A=0，B=0时，输出端Y为低电平0，即Y=0；
当两个输入端A=0，B=1时，输出端Y为低电平0，即Y=0；
当两个输入端A=1，B=0时，输出端Y为低电平0，即Y=0；
当两个输入端A=1，B=1时，输出端Y为低电平1，即Y=1；
1、即只要两个输入端A、B的输入电平有一个是低电平0，输出端Y即为低电平0；只有A、B的输入电平全为1，输出端Y才为高电平1。
（4）非门74LS04
非门74LS04功能表如表5所示。
非门74LS04逻辑符号如图7所示。
图774LS04逻辑符号
表4非门功能表
逻辑函数式Y=A
（5）与非门74LS00
非门74LS00逻辑符号
图8非门74LS00逻辑符号
74LS00是四2输入与非门，其逻辑功能表如表5所示。
表574LS00逻辑功能表
A
B
Y
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
74LS00内部原理图如图8所示。
74LS00管脚图如图9所示。
图974L00管脚
____
74LS00的逻辑功能表达式：
Y=AB
四、功能模块
（1）脉冲模块，如图10所示
图10脉冲模块
脉冲模块是由定时器555组成多谐振荡器而构成的，产生的频率由公式：
f=1/0.69（R1+2R2）C1计算而得。
当R1=3Kῼ，R2=5Kῼ，C1=1uF时，f=111HZ。
（2）计时模块，如图11所示
图11计时模块
图示计时器是由三个74LS160芯片组合而成，置数端均接接高电平，输入均接地，呈低电平。
第一个74LS160芯片的进位输出端接第二个芯片的时钟端，第二个芯片的仅为输出端接第三芯片的时钟端，这样就可以实现十进制的计数，因为时间设计为300秒，所以在计数299秒时，要进行信号封锁，使游戏结束。
在第三个芯片的输出端QAQB刚好为高电平时，及时要封锁信号，所以引出信号到74LS00与非门，这样信号为0，呈低电平。
降低电平信号输到各个74LS160芯片的EXTEXP使能端，进行信号封锁。
为了使计时器能够进行第二次的工作计数，必须设置异步清零端，即单刀双掷开关J2，当开关搬向下时，电路清零端为高电平，可以正常计时，当开关搬向上时，进行清零，使计时装置回到初始状态。
（3）水平位移模块，如图12所示。
图12水平位移模块
此模块是进行水平位移的控制。
其核心芯片是74LS138。
因为水平唯一的控制为整百控制，所以将74LS138的输入端A、B接计时器百位的相应输出。
用74LS138来选择输出，因为输出是低电平，所以需要接上非门变为高电平。
（4）竖直位移及最后10秒亮灯提示模块
图13竖直位移及最后10秒亮灯模块
在竖直方向上有位移且动作时间为20秒，我们只需要从第二个74LS160芯片QB输出端接出引线即可。
对于最后10秒亮灯电路，当第二个芯片出现1001时，并且第三个芯片出现0010，这时灯才会亮，持续时间为10秒。
所以我们需要用与门和非门进行连接，具体连接如上图。
五、总体设计电路图
5.1总体电路原理图
图14总体电路原理
整个电路由脉冲模块、计时模块、正反方向旋转控制模块、纵向位移控制模块、最后10倒计时控制模块等五个模块组成，由脉冲模块产生100HZ至200HZ左右的脉冲。
脉冲信号持续不断地给了个位计数器（第一块74LS160芯片）后，个位计数器开始计时。
当个位计数器计数到9时，RCO输出端会输出一个高电平给十位计数器，当下一个脉冲来时，个位计数器计数为0，而十位计数器则收到一个上升沿脉冲所以开始计数为1。
百位计数器的计数原理同理。
当计数到前100秒时，第三个74LS160芯片的QA和QB输出端都输出0，将这个信息通过74LS00、74LS138和74LS04后，把信号转换成为高电平使右上角的小灯亮，即代表前100秒内飞椅正方向旋转。
当计数到200秒到300秒之间时，同理，右上角的小灯亮会持续亮100秒代表飞椅正方向旋转。
第二个74LS160芯片的QB输出端连着左下角的小灯，而第二个160芯片是十位计数器，QB端输出高低电平的规律就是前20秒为低电平，20到40秒输出高电平，40到60秒又输出低电平以此类推。
所以左下角的小灯就是前20秒不亮，后20秒亮以此类推。
最后右下角的小灯是在最后10秒的时候开始亮10秒，即从290秒亮到300秒。
实现这个功能即第二个160芯片的输出为1001而第三个160芯片的输出为0010时即可实现，所以将第二个和第三个160芯片的这两个信号通过4个与门和2个非门就可以使右下角的小灯从290秒开始亮到300秒。
最后到300时，即第三个160芯片输出为0011时，通过一个与非门把这个信号转换为低电平信号同时输入到三个160芯片的ENP和ENT端，时三个160芯片都处在保持的功能，即整个计时模块停止计时。
之后通过左上角的开关使三个160芯片的CLK端接地使三个芯片异步清零，即计数器清零。
5.2Multism的仿真结果
（1）前100秒内，飞椅正方向旋转，即右上方的红色小灯持续亮100秒。
且0到20秒内没有竖直方向的纵向位移，即0到20秒内左下角的小灯不亮。
图15仿真结果1
（2）前100秒内，飞椅正方向旋转，即右上方的红色小灯持续亮100秒，但20到40秒内有竖直方向的纵向位移，即20到40秒内左下角的小灯持续亮20秒。
图16仿真结果2
（3）100秒到200秒内，飞椅反方向旋转，即右上方的蓝色小灯持续亮100秒。
且100秒到120秒内没有竖直方向的纵向位移，即100到120秒内左下角的小灯不亮。
图17仿真结果3
（4）100秒到200秒内，飞椅又正方向旋转，即右上方的红色小灯持续亮100秒。
但120秒到140秒内有竖直方向的纵向位移，即120到140秒内左下角的小灯持续亮20秒。
图18仿真结果4
（5）200秒到300秒内的情况和前100秒内的情况相同，即飞椅正方向旋转，且右上方的红色小灯持续亮100秒。
在竖直方向上，0~20秒，飞椅无纵向位移；20秒~40秒，有纵向位移；40秒~60秒，无纵向位移，60秒~80秒，有纵向位移，以此类推。
但最后的10秒钟，即290秒到300秒时有灯光提示游客，游戏即将结束，即右下角的红色小灯持续亮10秒。
图19仿真结果5
5.3硬件实验，如图20
图20硬件的实验
我计划所做的是实现300秒内用三个小灯表示飞椅正方向旋转、反向旋转和有纵向位移的功能，所以我拿了3个74LS160，1个74LS138，1个74LS08，1个74LS04，和1个74LS00。
硬件连线图中，实现了个位和十位的显示还有555脉冲的发出。
一开始连好所有的芯片和导线后，能正常显示个位、十位和百位的显示，但是用与非门的功能没有实现，即计时并不是在300秒以内及时，而是1000秒以内及时，检查了几遍后无法实现就决定重新试一次。
第二次做时，刚把十位的计数器检验完后就马上要到12点了，所以就只拍下了最后的这张照片。
六、课程设计心得
通过这两个周也就是半个月的电子课程设计后，才发现自己学的东西到底都可以做些什么和能在生活中的哪些方面派的上用场。
整个电子课程设计的过程中，不仅从自己的课题里学到了很多的东西，也从同学们做的课题中学到了很多的东西，学到的这些东西中，即包括具体的知识也有各种设计方面的想法等等。
所以通过这两周电子课程设计，自己学到了更多的知识，更大的收获是发散了自己的思维，让自己能想到更多的东西，对一个小小的思路可以举一反三了，这能使我以后的学习更有动力，学习到更多的知识也能让自己的想法更加的丰富起来，以后能设计出更多更有实用价值和更有创意的东西，丰富我们的生活。
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