音乐数字彩灯控制器设计
1.设计意义及要求
1.1设计意义
数字电子技术在日常生活中的应用无处不在，数字音乐数字彩灯在节日装饰中起着十分重要的作用。数字电子技术在实际应用中已经有相当纯熟的技术。作为当代大学生我们应当与社会的需求接轨，了解社会的需求，通过自己所学的只是造福社会。虽然现在掌握的知识还很狭隘，但是为了更好的掌握目前学习了的知识和更好的去学习更深入的知识，我们应当学会利用自己已经掌握的知识，将其应用到实践中，在实践中检验和巩固自己的所学的知识。
我们应当明白，理论知识应当结合实际应用，单纯的学习理论知识终究只会是纸上谈兵，知识因应用而美，在实际应用中加深对理论知识的理解，增强我们独立思考、团队协作、动手能力。为将来的学习和工作打下坚实的基础。
首先，我们的设计既是独立思考又是团队协作的成果。接到任务的最初阶段，我们独立思考，各自设计出自己的个人方案，并通过仿真软件仿真检验结果。然后我们在一起，各自阐述自己的思路和想法，听取别人的思路和想法，集思广益，讨论设计出思路清晰、芯片用的少、工作最稳定的最佳的方案。
其次，这对个人能力、团队协作能力也是一次考验。个人做的好，如果没有团队精神，团队离心离德，做不出满意的设计。只有我们都把自己的想法毫无保留地和大家分享，才会产生思想的火花，才会有更加优化的方案产生。
在今后的学习和生活中，尤其是工作以后，很多事情都是要靠团队的力量来完成的，一方面我们要学好知识培养自己的个人能力，另一方面我们应当培养自己的团队协作能力要有团队精神，这样我们才能让知识与智慧散发出迷人的光芒。
1.2设计要求
1）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；
2）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；
3）每个数字一次显示时间（从数码管显示之时起到消失之时止）基本相等。 4）严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。
2.方案设计
2.1设计思路
图2-1 设计思路图
通过分析设计要求，音乐数字彩灯要实现三个数列的循环：自然序列、奇偶数列和音乐数列。自然序列：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9的实现容易想到用十进制计数器来实现，然后通过译码显示电路即可显示。奇偶序列：1、3、5、7、9、0、2、4、6、8刚好十个数，也可以用十进制计数器来实现，不过要通过译码器和与非门来实现，把它转换成自然二进制，然后通过译码显示电路即可显示。音乐序列：0、1、2、3、4、5、6、7、0、1刚好也是十个数，也可以用十进制来实现，通过十进制计数器和门电路来实现其功能，易于实现。
显然上述单元电路，独立的实现各自功能是很简单的。现在我们要实现自然序列、奇偶数列、音乐数列的循环。于是想到了用十进制计数器设计一个三十进制的计数器来实现循环。三十进制000000-001111实现自然序列的显示，010000-011111
实现奇偶数列的显
示，100000-101111实现音乐数列的显示，如此循环即可实现上述要求的功能。三十进制高两位选择自然序列、奇偶数列显示、音乐数列显示的变化为00、01、10，利用高两位的变化情况，是适当的用一些门电路即选择自然序列、奇偶数列、音乐数列电路的工作。
当高两位为00时为了选择自然序列单元电路的工作，将输出的高两位通过一个或非门再与CP脉冲通过一个与门来充当自然序列单元电路的CP脉冲输入。当高两位为01时选择次高位直接与CP脉冲接一个与门即可控制奇偶序列单元电路的工作于停止。当高两位为10时选择最高位直接与CP脉冲接一个与门即可控制音乐序列单元电路的工作与停止。显然00时，只有自然序列单元电路有CP脉冲输入，01时只有奇偶数列单元电路有CP脉冲输入，10时只有音乐数列单元电路有CP脉冲输入，电路如此循环。
自然序列、奇偶数列、音乐数列单元电路，其中一个工作的时候，另外两个单元电路没有脉冲输入信号，不工作，输出端均为零。分别将三个单元电路的输出对应二进制位通过一个或门接到译码显示电路，即可实现译码显示。
平时做实验的时候，CP脉冲都是实验直接有现成的用，所以最后才想到还要设计CP脉冲产生电路。CP脉冲产生电路，通过555定时器容易实现，通过计算选择合适参数即可。此外清零/复位，暂停功能的实现，在实际设计过程中逐步实现。以上是基本的大体设计思路，细节部分后面做详细分析。
2.2方案设计
2.2.1方案一（个人设计方案)
本方案大体上由四个部分组成，CP脉冲产生电路，74LS90与74LS139组成的选通电路，产生自然、奇偶、音乐序列的单元电路，译码显示电路。电路功能由74LS90、74LS139、74HC42芯片以及555定时器以及一些门电路实现，原理简单易于实现。
第一部分是信号发生器，由555构成1Hz脉冲信号源。555定时器可以通过选定一定参数的电容和电阻来产生一定频率的脉冲来实现实验所需的一定频率的信号。555定时器具有原理简单，设计方便等优点。用来作为脉冲信号源，能够稳定地产生连续的脉冲信号。
第二部分是三十进制计数器与二-四线译码器组成的选通电路，实现的功能是前十秒选择自然序列单元电路工作，第二个十秒选择奇偶数列单元电路工作，第三个十秒选择音乐数列单元电路工作，刚好三十秒一个循环，实现了循环选择自然序列、奇偶数列、音乐数列单元电路的工作。
第三部分是74LS90与74HC42组成的自然序列、奇偶数列、音乐数列单元电路。自然序列单元电路由74LS90接成10进制计数器即可。奇偶数列由74LS90与74HC42和与门电路组成，其组成的原理与依据在后续部分再做详尽分析。
第四部分是或门与显示译码器组成的译码显示电路。自然序列、奇偶数列、音乐数列各单元电路的相应数位通过一个或门接到数码管，即可实现译码显示。仿真电路如图2-2所示：
图2-2 方案一仿真电路图
2.2.2方案二（小组设计方案）
按照题目要求，我们各自设计了自己的方案，在各自设计出自己的方案后，我们共同讨论，各自阐述自己的设计思路。经讨论，最后在我们组中选出一个思路独特、需要用到芯片和门电路较少的方案作为小组方案，并且在选出的方案的基础上做一些修改完善。小组设计方案芯片只用到555定时器、74LS153、74LS161、JK触发器，以及一些门电路组成，接线简单明了，易于实现。JK触发器是实现脉冲信号的分频，一个74LS161接成十进制来实现计数，另一个74LS161接成四进制并通过74LS153实现脉冲信号的选择。四进制计数器的CP是来自于十进制的反馈，每十秒产生一个下降沿使四进制计数器触发计数。其中自然序列和音乐序列用二分频的CP信号，在与译码显示这边还要接适当的门电路以实现
自然序列、奇偶序列、音乐序列的显示。电路选择各序列时，组成四进制的74LS161输出各不同分别是00、01、10、11，所以利用各自的这点不同以及各个序列显示的特点，通过一定的门电路可以实现各自的显示。例如需要显示奇序列时，选择二分频CP信号，同时要想办法把最低位恒置成1；需要显示偶序列时，同样选择二分频CP信号，同时要想办法把最低位恒置为0；需要显示音乐序列时需要把最高位恒置为0；显示自然序列则直接通过译码显示即可。显然要实现上述要求，利用选择自然序列、奇序列、偶序列、音乐序列时四进制计数器输出的不同，通过巧妙的利用门电路即可实现。仿真电路如图2-3所示：
图2-3方案二仿真电路图
2.2.3方案比较
方案一优点是思路清晰简洁，缺点是使用芯片、门电路较多，接线也较为复杂。不过电路还是很容易实现的，只要接线的时候细心，但是如果接线不够耐心仔细，电路功能易出现紊乱，实现不了要求的功能，实物电路查错不容易查出来。
方案二的优点是思路独特、使用芯片和门电路都比较少。连线较少，易于实现，使用的都是简单常用的芯片，出现问题易于查找，总体上说来，明显优于方案一。不过方案二，思路独特，不容易想到，没有方案一那么易于理解。
两个方案各有千秋，方案一的思路是把译码显示分为自然序列、奇偶序列、音乐序列
三个部分，通过三十进制计数器选择各个单元电路的工作；方案二的思路是把译码显示分为自然序列、奇序列、偶序列、音乐序列四个部分，通过一个四进制计数器选择各个序列的显示，为了达到各个数显示的时间相同，所以奇、偶序列的CP脉冲与自然序列、音乐序列的要求不同，所以要进行二分频，并在奇、偶序列时选择二分频信号输入。在方案的设计过程中锻炼了独立思考与运用知识的能力，在确定小组方案的过程中培养了团队精神。通过比较方案一和方案二，懂得了团队的力量能造就最佳的方案，思路清晰的方案不一定是最佳的方案。
3.部分电路设计
3.1信号脉冲产生电路
CP脉冲电路由555定时器以及电阻和电容组成的多谐振荡器产生。多谐振荡器的电路结构是一种能够产生矩形脉冲信号的电路，产生的脉冲信号具有比较陡的上升沿和下降沿。从电路的连接来讲，也是将555定时器接成施密特触发器的结构，即将2、6端并联，再
与RC构成的充放电电路的串联点连接，将7端接到放电点。信号脉冲产生电路如图2-4
所示：
图2-4信号脉冲产生电路
555定时器逻辑功能表如表1所示
表1 555定时器的逻辑功能表
当电路与电源接通瞬间，C2两端没有存储电荷，两端电压为零，555定时器2、6端输入电压为零，即出现6端输入电压小于2/3V CC，2端输入电压小于1/3V CC的情况，输出信号V O为高电平，使晶体管截止，电源V CC对电容C2充电。当C2的两端电压略超过2/3V CC 时，出现6端输入电压大于2/3V CC,2端输入大于1/3V CC的情况，输出信号V O为低电平。此后又重新回到上述充电过程，如此周而复始，形成振荡，产生矩形脉冲输出。
分析，电容充电过程的初始状态为1/3V CC，终止状态为2/3V CC，稳定状态为V CC，充电时间常数为（R1+R2）C2电容放电过程中，放电时的初始状态为2/3V CC，终止状态为，稳定状态为1/3V CC，充电时间常数为0。根据这些条件，结合电路原理的一些基本公式，容易计算出脉冲频率为
f=1.43/ (2R1+R2)C2
3.2 自然序列、奇偶数列、音乐数列单元电路的设计
3.2.1自然序列单元电路的设计
产生自然序列的单元电路由一片74LS90将Q0端接至CKB端，置零和置九端接地，即可组成十进制计数器。74LS90在计数过程中数列的顺序恰好和自然序列吻合，都是从0计数到9，这样就不需要再经过译码器进行译码了，这样就可以减少芯片的使用量，简化了电路。也降低了电路的成本。四个输出端通过译码显示电路接至数码管四个管脚即可。CPA端为CP脉冲输入端，CP脉冲由555定时器组成的信号脉冲电路产生。在接到CPA端之前，为了实现控制自然序列单元电路的工作与否，应当将CP脉冲与译码输出的最低位接一个与门，从而使自然序列单元电路按要求工作。自然序列的单元电路如图2-5所示，74LS90的功能表表2所示，74LS90管脚图如图2-6所示：
图2-5 自然序列单元电路
表2 74LS90功能表
图2-6 74LS90的管脚图
3.2.2 奇偶数列单元电路的设计
奇偶数列刚好十个数，于是想到先按照自然序列的思路设计一个十进制计数器，但是要把自然二进制译成想要的奇偶数列，即要对自然二进制进行编码。列出真值表，把Q A、
Q B、Q C、Q D看成是函数变量，通过列出的真值表写出A、B、C、D各自的逻辑函数，通过译码器和与非门即可实现。列出其真值表如表3所示：
表3 奇偶数列编码真值表
由真值表可知A=m4+m9 B=m2+m3+m7+m8 C=m1+m3+m6+m8 D=m0+m1+m2+m3+m 奇偶序列单元电路如图2-7所示
图2-7 奇偶序列单元电路图
3.2.3 音乐数列单元电路的设计
音乐数列单元电路的设计可以用与奇偶数列单元电路相同的方法，最初想到的也是
这样的方法。但是按照上述相同的方法明显芯片和门电路用的比较多且接线多，电路
较为复杂。考虑到音乐数列为0、1、2、3、4、5、6、7、0、1，其前面八个数可以直
接用十进制计数器，现在就是要把自然二进制的8变成0、9变成1。四位自然二进制
的8为1000、四位自然二进制的9为1001。显然想办法把最高位1变成0的话就会
变成0000和0001即0与1。这很容易实现，把十进制最高位与接地端与一个与门连
接即可实现上述变换，音乐数列即可实现。显然虽然实现的是相同的功能但是电路要
简单的多，可见在设计过程中思维不要定死，要勤于思考，选择最佳的方法。音乐序
列单元电路如图2-8所示：
图2-8 音乐序列单元电路
3.3 选通电路的设计
选通电路要求在第一个十秒选择自然序列单元电路工作，在第二个十秒选择奇偶数列单元电路工作，在第三个十秒选择音乐数列工作，然后再选择自然序列单元电路工作，如此循环。容易知道要设计一个三十进制计数器，三十进制计数器在第一个十秒期间为000000到001111变化，在第二个十秒期间为010000到011111变化，在第三个十秒期间为100000到101111变化。注意到高两位00、01、10的变化，为了简化电路，可以仅用门电路实现控制。高两位通过一个或非门再与CP脉冲连接一个与门即可实现控制自然序列单元电路脉冲信号的送入，即可实现选择自然序列单元电路的工作。高位Q0直接与CP 脉冲通过一个与门即可实现控制奇偶数列单元电路的工作，高位Q1直接与CP脉冲通过一个与门即可实现控制音乐数列单元电路的工作。显然仅用门电路实现比用译码器实现要简易。选通电路如图2-9所示：
图2-9 选通电路
3.4 数码显示电路的设计
数码显示电路由七段数码管与或门组成。将自然序列、奇偶序列、音乐序列单
元电路的各输出，相应的位通过或门接到七段数码管的相应位。当自然序列单元电路
工作时，其他单元电路不工作，所以其输出均为0，通过一个或门不影响自然序列的
译码显示。同理，当其他单元电路工作时，另外两个单元电路不工作，输出均为0，
不影响工作单元电路的译码显示。如此便实现了自然序列、奇偶数列、音乐数列的依
次显示。数码显示单元电路如图2-10所示：
图2-10 译码显示单元电路
4.调试与检测
4.1调试中故障及解决办法
1）自然序列工作时数码管显示为1、3、5、7、9
分析电路，发现奇偶数列不工作时，74LS90输出为0000，进过编码为0001，最低位通过或门连接在一起接到七段数码管的最低位，这导致最低位一直为1，所以当显示自然序列
时会显示为1、3、5、7、9，且每个数显示时间为两秒，其也必然影响音乐数列的显示。
分析电路结构，当选择音乐数列工作时，三十进制计数器的高位Q0为1，当音乐数列不工作的时候其为0，可以通过Q0来控制显示，当Q0为1时确实把0000编码成0001.但是当Q0为0时，还是把0000编码成0000，这就要在电路中做点微调。显然可以把与音乐数列单元电路的最低位输出与Q0通过一个与门或者先把Q0接一个非门再与译码器74HC42的最
低位端通过一个或门连接一起再接到原先的与非门电路上，即可实现电路的正常工作。2）数码管显示紊乱，没有规律性
分析电路结构，估计可能是数码管的管脚接线接错了，误把最低位当成了最高位。将数码管重现正确接线，发现自然序列工作时数码管显示正常，但是显示奇偶数列的时候又出现紊乱，分析原因，很有可能是奇偶序列单元电路有问题，于是在奇偶序列单元电路外单独接一个数码管，观察其显示是否正常。结果果然不正常，于是检查奇偶单元电路，发现是门电路与译码管之间的接线有问题，排查后，正确连接，电路正常工作。
3）实现清零功能时，清零后不重新开始
清零操作只把自然序列、奇偶序列、音乐序列单元电路的74LS90芯片端接到了一起，实现三个单元电路的清零，但是三十进制计数器没有清零所以实现清零功能后不重新开始。将电路中用到的五片74LS90芯片的清零端接到一起，正常工作时接地，清零工作时接高电平即可实现清零功能。但是注意到三十进制的高位芯片是利用反馈清零法实现一个三进制计数，因此，为了不影响原来的功能，应当将清零与反馈的信号通过一个或门送到74LS90的清零端。按照上述修改电路的思路修改电路后，电路实现要求的清零功能。
4.2 调试与运行结果
电路出现了几个小问题，经调试分析后，都找出了问题并且解决了问题。在调试与运行的过程中，也在不断的思考自己的电路，刚开始使用芯片比较多，门电路也非常多。经过仔细的思考、改进、调试，一定程度上简化了电路，减少了芯片和门电路的使用。在调试与改进的过程中，知识得到了强化，也获得了小小的成就感，锻炼了自己独立思考的能力。经过多次调试后，电路运行正常，循环显示自然序列、奇偶序列、音乐序列，并且实现了清零/复位、暂停功能。
5.仿真操作步骤及使用说明
仿真所要用到的开关器件主要有暂停键、复位/清零键。
1）暂停键是通过一个单刀双掷开关来控制脉冲信号发生器的CP脉冲是否送到后面电路来实现暂停功能。当单刀双掷开关闭合时，电路正常运行，当单刀双掷开关断开时，由于CP脉冲信号中断，后续电路停止计数功能，即实现电路暂停功能。
2）复位/清零键是通过一个双刀双掷开关来控制各个芯片的清零端，从而实现复位/清零功能。当双刀双掷开关掷向地端时，由于各芯片均为高电平清零，所以电路正常计数工作。当双刀双掷开关掷向高电平端时，由于各芯片均为高电平清零，这样使各个芯片输出均为零，即实现了清零功能。当双刀双掷开关再掷向地端时，由于前面已经对各个芯片都清零了，所以再掷向地端时，电路重新开始计数，即重新开始自然序列、奇偶序列、音乐序列的循环显示。
结束语
为期两周的课程设计已经接近了尾声。通过这次课程设计，实实在在的体会到了理论知识
运用于实际的乐趣与意义。作为当代大学生，我们有义务学好专业知识，并在此基础上努力运用所学专业知识。知识因运用而更加美，思想因分享而更加迷人。在设计的过程中，我们就充分的利用了我们所学的专业知识；在小组协同工作时，我们毫不保留的阐述自己的思想和看法，这样才能补足个人的不足之处，取他人之长。
通过本次课程设计，收获了很多很多。我们小组选好了题目以后，各自单独的思考问题，按照自己的思路设计一套设计方案。然后我们集思广益，在讨论的时候，各自阐述自己的思路和观点，听取别人的设计思路与方法。同时调试查看各个方案的仿真电路图，经过讨论从中选出一个构造起来最简单，芯片和门电路用得比较少的方案作为小组方案。确定了其中一个为小组方案以后，我们再在选定的方案的基础上提出自己的修改意见，改进和完善电路，使电路功能更加稳定，易于实现。
课程设计主要考验的是我们独立思考、动手和团队合作的能力，在一定程度上也是考验我们理论联系实际的能力。因为课程设计是在模数电的基础上进行的相应的设计，这就要求我们牢固的掌握模数电相关的专业知识。一方面，理论知识是实际运用的坚强后盾，只有牢固的掌握理论知识才能更好的将其运用于实践中；另一方面，动手实践能力我们也不能忽略掉，学好理论知识是为了更好的将其运用到实践中去，我们应当在实践中检验自己的理论知识，加深我们的理解，发现我们的不足与缺点，并且在今后的学习中努力弥补自己在动手方面的不足，把自己的优点最大化缺点最小化，将优点传承，把缺点改掉。
其次课程设计要求我们各小组设计出一个最佳方案，并做出实物。这就考验了我们的团队精神和团队合作能力，古话有说“三个臭皮匠顶个诸葛亮”，可见团队合作的重要性。在今后的学习和生活中，我们应该注重团队精神的培养，加强自己团队合作的能力，同时也应该更加努力的提高自己的个人专业素养和独立思考的能力，为团队做出自己的贡献，而不是在团队中扮演一个无关紧要的角色。
最后，在此感谢指导老师杨莉的悉心指导，感谢队友的精诚合作。
参考文献
[1] 周新民主编《工程实践与训练教程（电工电子部分）》武汉理工大学出版社 2009.9
[2] 康华光主编《电子技术基础－数字部分（第五版）》高等教育出版社，2006.1
[3] 伍时和主编《数字电子技术基础》清华大学出版社 2009.4
[4] 王兰君《新编电工使用电路500例》河南科学技术出版社
[5] 钟谊《电子线路实战》科学出版社
附录电路图
附录一个人方案电路图
附录二小组方案电路图
本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
2012年7月9日