多花样自动切换的彩灯控制器设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 多花样自动切换的彩灯控制器设计 初始条件：1 运用所学的模拟电路和数字电路等知识；2 用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片等。要求完成的主要任务:1 现有8只彩灯，试设计一控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案：2 第1种花样为彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮,3 第2种花样为彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开;4 2种花样自动变换,循环往复。时间间隔为1秒。5 严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。时间安排： 第1天 下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；第24天 进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案； 第5天 提交电路图，经审查后领取元器件；第68天 组装电路并调试，检查错误并提出问题；第911天 结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；第1214天 补充完成课程设计报告和答辩。指导教师签名： 2012年 6月25日系主任（或责任教师）签名： 2012年 6月25日1武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书23电工电子综合课程设计说明书目 录引言11设计意义及要求2 1.1设计意义3 1.2设计要求32方案设计4 2.1设计思路4 2.2方案设计5 2.2.1方案一及其电路图5 2.2.2方案二及其电路图6 2.3方案比较73部分电路的设计83.1脉冲输出信号83.2计数控制电路9 3.3 移位控制电路10 3.4 回馈控制电路114调试与检测124.1调试中故障及解决办法124.2调试与运行结果135 仿真操作步骤及使用说明146 参考文献167 附录电路图158 结束语209 本科生课程设计成绩评定表22引言 随着时代的进步，科学技术发展也越来越快速。电子领域的的发展也是相当的迅速。在电子领域中，自动化智能控制领域起着极其重要的作用。在现实生活中，在大街小巷随处可见各式各样的彩灯，这些彩灯自动的完成自己的花样变换，特别是霓虹灯。彩灯看着绚丽多彩，其实都是由一系列的不同颜色的灯构成的，然后在设计的电路下按照一定次序逐次一个或者多个点亮和熄灭。设计的电路就需要应用到数字逻辑电路，在一定的逻辑下自动运行。本次实验要求进行多花样自动切换的彩灯控制器设计，彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮，然后彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开，这2种花样自动变换,循环往复，而且时间间隔为1秒。该实验将会用到脉冲信号产生电路、计数电路、控制电路、移位寄存电路及其他门电路和显示彩灯。多花样自动切换的彩灯控制器设计1 设计意义及要求11设计意义（1）让学生懂得设计的一些思想，培养学生的创新能力和探索知识的思路。（2）让学生学会独立分析问题和解决问题。（3）在课程设计过程中，学生需要计算参数和查阅设计资料、学习仿真软件，这让学生综合能力得到提高。（4）巩固、深化了学生的理论知识。12设计要求（1) 现有8只彩灯，试设计一控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案：（2）第1种花样为彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮,（3) 第2种花样为彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开;（4) 2种花样自动变换,循环往复。时间间隔为1秒。2 方案设计21设计思路依照实验要求，需要彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮，然后彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开，所以电路需要两个四位双向移位寄存器74ls194，然后将两个以为寄存器进行扩展成实验要求的八位。由于是四位移位寄存器，所以计数电路就要实现四进制计数，因此选择两个74ls161计数器。由于两个移位寄存器，并且按照实验要求，因此需要控制电路两个数据选择器74ls151分别控制移位寄存器。实验要求时间间隔为1秒，因此选用555定时器来实现。最后在根据要求运用门电路来实现控制。22方案设计221设计方案一及电路图原理分析：电路有四部分组成。第一部分是脉冲产生电路。其他三部分是计数电路、控制电路、移位寄存显示电路。计数电路有两片74ls161组成，下面一片计数器实现四进制计数，从0000到0011，然后回到0000，上面一片计数器的使能端与下面一片计数器输出端通过门电路相连,。这样每次下面的计数器从0011变为0000时，上面的计数器就计数一次。对应的74ls151数据选择器就会选择不同的电平，从而改变移位寄存器的选择功能，实现左移、右移、并行输入等功能。当彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮后需要全灭全亮，此时就需要运用计数器各个输出端的门电路来控制计数器清零或者置零，并且让移位寄存器实现并行送入数据的功能，而且送入高电平全亮后立即改变为送入低电平全灭。当彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开时，只需运用门电路控制左右输入点的电平。原理图如2-2-1图2-2-1222设计方案二及电路图电路图如图2-2-2图2-2-223方案比较通过比较两个方案，小组方案较个人的方案更简便更以做成实物，可实现性高。个人的方案用了较多的逻辑门芯片使得电路图更加复杂；小组方案使用芯片个数较少，简洁，但小组方案运用的知识更加深入，个人的方案充分地运用到了自己目前所学到的专业知识。3 部分电路设计31脉冲输出信号脉冲输出信号源由555定时器构成的多谐振荡器构成，通过电容得充放电工作。电路图如图3-1图3-1 电容充电过程所用时间为t1=0.7(r1+r2)c2。电容放电过程时间为t2=0.7r2c2。因此脉冲周期时间t=0.7(r1+2r2)c2。c1为47nf，c2为10f，r1为48，r2为48。通过计算t=0.7（r1+2r2）c2=1.008s这与实验要求相似，因此符合实验。32计数控制电路74ls161计数器控制电路工作原理如下：当时钟脉冲信号输入时，下面的计数器由0000依次计数到0011第四个脉冲上升沿到来时由于反馈置零变为0000。此时上面的计数器着由0000计数为0001。然后如此反复进行，直到上面的计数器变为0100后，接着下面的计数器由0000变为0001再变为0000，与此同时，上面的计数器变为0101，这是由于将输出端用门电路实现了反馈功能。此后又恢复正常四进制计数。计数控制电路如图3-2图3-233移位控制电路移位控制电路如图3-3所示，电路有两部分组成。一部分是由两片数据选择器74ls151芯片组成的控制左右移动的电路。随着送入的数据不同实现的功能就不同。同时，从计数器的输出端与数据选择器的输出端通过门电路控制移位寄存器实现实验要求的功能。第二部分就是由两片74ls194芯片实现左右移动和并行输出的功能。当其输出端为高电平时对应的彩灯亮，低电平时着熄灭。图3-334回馈控制电路回馈控制电路如图3-4。在该实验设计中。有了不少的回馈控制电路。其中主要的是将计数器的输出端作为回馈的重要部分，然后通过逻辑门电路与其它芯片的输出端连接起来回馈到一些输入端，比如计数器的清零端、计数器的置数端，移位寄存器的工作方式控制端、左移右移串行数据输入端。图3-44 调试与检测41调试中故障及解决方法该实验设计分为了三部进行的，因此调试也是分步进行的。（1）首先设计的是实现彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮，这一步只要将两个移位寄存器进行扩展就能实现，并将左右移动串行数据输入端的接入相应的电平即可。因此调试也没多大故障出现。（2）接着实现的花样是全亮全灭。在这一步，我刚开始使用反馈置零法去让下面四进制的计数器实现变零，同时再让上面的计数器实现计数一次的功能。但在调试的时候出现了一些问题，比如上门面的计数器提前计数一次，下面的计数器置零后就一直置零。因此我换为反馈清零法，比用逻辑门实现让上面计数器计数一次，这样就实现了全灭全亮的而不影响后面的脉冲计数。（3）第三步是彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开，这步主要的调试任务是如何改变左移右移串行输入端的电平高低和移位寄存器的工作方式。在这一步我首先就想到了用逻辑门。当进行仿真时，发现彩灯从两边亮后就混乱的亮。后来检查是由于在列真值表是出了错误倒数用了错误的逻辑门。后来改正过后就能正常工作。42调试与运行结果经过多次调试后，电路的运行结果基本符合了实验设计的要求，彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮，然后彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开，这2种花样自动变换,循环往复，而且时间间隔大约为1秒。5 仿真操作步骤及使用说明本实验仿真采用的是7.8版本的proteus, 仿真的时候直接点击开始就可以进行仿真了。在仿真过程中，要时刻盯着电路图的运行，看是否符合实验设计要求。仿真时，第一个脉冲上升沿来之前，灯处于全灭状态，上升沿来时，第一盏灯亮。当地八个脉冲上升沿来到时，第八盏灯亮。第九个脉冲上升沿来时，有跳变为第七盏灯亮。直到又回到第一盏灯亮后，接着就全灭，然后全亮，然后再次全灭，最后彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开，循环刚才的过程。功能如表5-1。横排为四进制计数器在脉冲到来时的变化。竖排是在每一横排结束后脉冲到来时的变化。00000001001000110000全灭仅灯1亮仅灯2亮仅灯3亮0001仅灯4亮仅灯5亮仅灯6亮仅灯7亮0010仅灯8亮仅灯7亮仅灯6亮仅灯5亮0011仅灯4亮仅灯3亮仅灯2亮仅灯1亮0100全灭全亮无效状态无效状态0101全灭仅灯1、8亮仅灯2、7亮仅灯3、6亮0110仅灯4、5亮仅灯3、6亮仅灯2、7亮仅灯1、8亮表5-16 参考文献1 康华光.电子技术基础-数字部分（第五版），高等教育出版，2006.12 伍时和.数字电子技术基础，清华大学出版社，2009.43 周新民.工程实训与训练教程（电工电子部分），武汉理工大学出版社，2009.84 梁宗善.新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计，华中理工大学出版社，2007.125 陈永甫主编.数字电路基础及快速识图.人民邮电出版社，2006.56 刘修文主编.实用电子电路设计制作300例.中国电力出版社，20057 附录 电路图所需芯片为555、74ls161、74ls194、74ls151及相关门电路1）555芯片555定时器内部由分压器、两个电压比较器、基本rs触发器、晶体管及缓冲器组成，内部结构如图7-1-1。555定时器逻辑符号如图7-1-2。1脚是接地端gnd，2脚是低电平触发端（也称触发端），3脚是输出端out，4脚是复位端，5脚是电压控制端，6脚是高电平触发端（也称阈值端），7脚是放电端，8脚是电源端vcc。集成555定时器的功能555定时器功能表见表7-1-3。图7-1-1 图7-1-2表7-1-3 2）74ls161当清零端cr=“0”，计数器输出q3、q2、q1、q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当cr=“1”且ld=“0”时，在cp信号上升沿作用后，74ls161输出端q3、q2、q1、q0的状态分别与并行数据输入端d3，d2，d1，d0的状态一样，为同步置数功能。而只有当cr=ld=ep=et=“1”、cp脉冲上升沿作用后，计数器加1。其引脚图如图7-2-1，功能表如表7-2-2.图7-2-1表7-2-33）74ls151数据选择端（abc）按二进制译码，以从8个数据（d0-d7）中选取1个所需的数据。只有在选通端e为低电平时才可选择数据。151有互补输出端（y、w），y输出原码，w输出反码。其管脚图和功能表如下74ls151引脚图74ls151功能表 4）74ls194d3 、d2 、d1 、d0 为并行输入端；q3 、q2 、q1、q0 为并行输出端； s r右移串行输入端；s l为左移串行输入端； s1、s 0为操作模式控制端；cr为直接无条件清零端；cp为时钟脉冲输入端。其功能表和引脚图如下74ls194功能表74ls194引脚图设计方案原理图8 结束语时间飞逝，课程设计马上就要结束了。这是我第一次进行课程设计，刚开始心里十分的惊慌，担心自己不能胜任这份艰巨的任务。但在课程设计过程中，我慢慢地变得平静了，对于电路图的设计有层次有条理的进行就可以慢慢地分析出来。在这次课程设计过程中，我学到了许多的知识，同时也提高了自己综合方面的能力。首先，我对一些芯片了解得更加透彻了。课程设计让我对所学的专业知识进行了巩固和深入的了解。这次课程设计，我能够独立地运用所学的数字电路、模拟电路等各方面的专业知识，并结合网络和图书馆收集资料，进行分析探索，从而成功的设计吃实验所要求的电路图。设计电路比按照电路实验要更加的艰难，这就要求自己对所涉及的电子元件要有很深入地了解。其次，这次课程设计充分地联系了实际，让我以理论的知识解决实际的问题。在此过程中，它不仅培养了自己分析问题、解决问题的能力，更重要的是让我经历了一次磨练，让我懂得如何运用所学知识，还提高了我接受新知识的能力。最后，此次课程设计让我明白我们所学的知识比不是与生活遥不可及的，而是息息相关的。他极大程度的激发了我对电子设计的兴趣。当看着自己的电路图仿真跟实验要求一样时，心里特别的激动，一股胜利的感觉油然而生。这使得自己更加的自信，对课程设计有开始的惊慌变成了喜爱。虽然我设计的电路图看起来有些乱，也没增加其他额外的功能，但最为初学者，我还是比较肯定我的成功。我也相信在今后的人生中，自己会在这些经验的指导下会更加的自信。本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别男专业、班级课程设计题目：多花样自动切换的彩灯控制器设计课程设计答辩或质疑记录：1、555定时器构成的脉冲信号源如何提高其脉冲频率？答：由于555定时器构成的脉冲信号源的脉冲周期为t=0.7(r1+2r2)c2，所以如果要提高其脉冲频率就需要减小周期的时间。因此只要相应的适当的减小电阻r1、r2的阻值和电容c2的电容值就行了。2