课程设计（论文）-数字集成电路十路彩灯控制器.doc

西安电子科技大学长安学院西安电子科技大学长安学院课程设计报告书数字集成电路十路彩灯控制器学生姓名：班 级：学号：指导老师：目录第一章 绪论2第二章 方案设计.32.1设计目的及任务要求3 2.1.1 设计目的.3 2.1.2 任务要求.32.2 电路设计原理及方案.3第三章 基本电路设计.53.1 振荡电路设计53.2 计数译码电路设计53.3 显示电路设计53.4 整体电路图及工作原理.6第四章 器件介绍.74.1 cd4017芯片功能及应用.74.2 ne555芯片功能及应用.84.3 电阻104.4 发光二极管114.5电位器.11第五章 焊接调试.125.1焊接工具电烙铁.125.2焊接方法.125.3. 焊接质量不高的原因.125.4 焊接成果.13第六章 设计总结.14第一章 绪论本设计通过对彩灯的设计，训练对电气、单片机、电子技术等内容的应用能力，掌握对电子产品设计的流程以及各种要求。彩灯技术已广泛得在霓虹灯、广告彩灯、汽车车灯等领域中应用。单片机的控制电路的设计是彩灯应用的一个瓶颈。课程设计主要培养学生综合运用所学的知识与技能分析与解决问题的能力，并巩固和扩大学生的课堂知识。通过课程设计学会查阅、使用各种专业资料和网上资源，并以严肃认真、深入研究的工作作风完成设计任务，逐步向工程技术员转变,培养毕业生独立完成任务的能力，体现和检验综合设计能力，大力提高毕业生的技术水平，培养新一代既有理论、又有动手能力的实用性人才，以适应国际建设和发展的需要。了解彩灯线路的基本理论，掌握分析方法对能够熟练地进行彩灯应用电路的设计与制作是十分必要和重要的。本课题介绍一种基于在系统可编程器件（isp）来实现的可编程的现代彩灯控制系统。该方案的优点是系统体积小、功耗小、可靠性高、调节灵活、多功能、多花案、使用灵活方便。该控制系统可控制的灯具数为64组，控制方案多达64种，能根据需要减少或扩展灯具组数和控制方案的种数，可以控制发光电压至220v的大彩灯、霓虹灯。用8种频率信号控制彩灯扫描速度，每次大循环下来可自动也可手动改变扫描速度，且每次循环后可控制语音集成电路放一段话或音乐，并可随时改变扫描速度。通过把64组彩灯在空间适当排列组合，可得各种花案效果，该彩灯控制系统除用于高楼大厦室外点缀外，还可用于家庭、大酒店和娱乐场所等的室内装潢。 利用t0定时器作为定时基本单位，根据模式需要计算好各控制信号的发生时刻，根据不同的模式mo del_i可以设定不同的工作时间ti和脉冲翻转频率fi通过p0口输出，使各色l ed灯的驱动时刻与移位触发的翻转时刻步调一致，使led彩灯按照设计的模式工作。除了t0定时中断之外，程序的大部份时间是在处理按键的查询和led显示的延时。第二章 方案设计2.1 设计目的及任务要求2.1.1 设计目的1.了解并掌握数字电子技术课程所学的基础实际知识。2.通过对实际知识的掌握，学会用其进行基本的电路设计。3.熟悉常用集成数字芯片，并掌握其结构组成、工作原理及逻辑功能，进一步学会使用其进行电路的设计。4.了解并熟悉数字电子技术设计的基本思想和方法、原理，5.培养学生在遇到难题时，会用科学分析和解决问题的方法。6.培养学生的综合设计能力、严谨认真的工作作风和实事求是的工作态度。 2.1.2 任务要求1. 有十只led，l0l9彩灯，用数字集成器件设计一个能控制十路彩灯的控制器，其中彩灯用发光二极管模拟。2.设计电路的彩灯能产生明暗状态，明暗节拍为一到三秒。3.分别用快慢两种节拍实现花型变换，并使其能够显示花型，本设计的花型为心形。4.取合理材料，原件。5.对原件的功能参数熟练掌握。6.不断调试焊接电路，最终的到实验的正确结果。7.认真的完成实验报告，将实验的过程详细的记录。8.将焊接电路和实验报告交由老师详细的指导。9.深刻体会本次实验的意义。10.显示（110，101来回显示）2.2 电路设计原理及方案 1.通过ne555芯片及若干电阻和电容组成的电路产生10000hz频率脉冲，然后将ne555脉冲输出3管脚与芯片脉冲输入14管脚连接，再通过各引脚的连接及功能实现脉冲分频，最后经过电阻、发光管和二极管器件的连接，将由二极管的输出端与cd4017清零端15管脚相连，从而实现分频器的设计与实现。 2总体方案的选择：首先应该有个脉冲端控制所有芯片同时工作。然后，实现彩灯的花形变换需要双向移位寄存器。要更有规律的实现对双向移位寄存器的控制还需要计数器，非逻辑还有异或逻辑。方案一：实现4种花形，用到的器件，ne555，cd4017设计心型优点：易于实现，元件少，花形多，工作很稳定，不容易出错。缺点：布线复杂，检修麻烦。原因：采取的是端到端的一根线的布线方法，虽然压到很多线，检修比较繁琐，但很容易查处错误，而且这样的布线使电路工作很稳定。方案二：实现3种花形，用到的器件，555，161，7404，7486，7420，194。设计直线型。优点：布线简单，工作稳定性不高。缺点：元件多，花形少，检修麻烦。原因：采取的是线段的连线方法，不压线。确定a b两点出现传输错的时候，需要检验其中的好多线段。两种方案工作原理大同小异，最终选择第二种方案，具体在下面说明选择理由：首要原因是为了把爱心献给受灾地区，选择心形。另外，元件少，工作稳定也是很重要的原因。第三章 基本电路设计3.1 振荡电路设计 主要用来产生时间基准信号（脉冲信号），因为循环彩灯对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以采用555定时器组成的震荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。电路图如图1所示。 图1.3.2 计数译码电路设计计数器是用来累计和寄存输入脉冲的时序逻辑部件。在此电路中采用十进制计数分频器cd4017，它是一种用途非常广泛的电路。其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是00、01、02、09依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。cd4017有三个（mr、cp0和cp1），mr为清零端，当在mr端上加高电平或正脉冲是输出00为高电平，其余输出端（0109）均为低电平。cp0和cp1是两个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由cp0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由cp1端输入。设置两个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。cd4017有十个输出端（0009）和一个进位输出端，每输入十个计数脉冲，就可得到一个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。由此可见，当cd4017又连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。cd4017的管脚分布如图3所示： 图23.3显示电路设计主要由发光二极管组成，当cd4017的输出端依次输出高电平时，驱动二极管也依次点亮，产生一种流动变化的效果。彩灯的循环速度由脉冲源频率决定。显示电路如图 图3 3.4 整体电路图及工作原理图4第四章 器件介绍4.1 cd4017芯片功能及应用a.cd4017功能：1cd4017如图5所示有10个输出端（o0o9）和1个进位输出端o5-9。每输入10个计数脉冲，o5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。2cd4017有3个输（mr、cp0和cp1），mr为清零端，当在mr端上加高电平或正脉冲时其输出o0为高电平，其余输出端（o1o9）均为低电平。cp0和cpl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由cp0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由cpl端输入。设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。由此可见，当cd4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。 图5b.cd4017应用1.用一个cd4017制作的彩灯电路如图6所示。 图6 2.电路工作原理cd4017输出高电平的顺序分别是、 、脚，故、脚的高电平使6串彩 灯向右顺序发光，、脚的高电平使6串彩灯由中心向两边散开发光。各种发光方式可按自己的需要进行具体的组合，若要改变彩灯的闪光速度，可改变电容c1的大小。4.2 ne555功能及应用a.ne555特点1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源电压范围极大，可与ttl，cmos等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。5.静态电流 最大值 vcc = 5 v, rl = =6ma vcc =15 v, rl = =15ma b. ne555引脚图如图7，功能配置说明如下： 图7pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 pin 2 (触发点) -这个脚位是触发ne555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 vcc，下缘须低于1/3 vcc 。 pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到o伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 ma 。 pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 pin 6 (重置锁定) - pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 vcc电压以下移至2/3 vcc以上时启动这个动作。 pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为on时为low，对地为低阻抗，当输出为off时为high，对地为高阻抗。 pin 8 (v +) -这是555个计时器ic的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。c.应用举例集成电路ic1是一片555定时电路，在这里接成单稳态电路。平时由于触摸片p端无感应电压，电容c1通过555第7脚放电完毕，第3脚输出为低电平，继电器ks释放。 当需要开灯时，用手触碰一下金属片p，人体感应的杂波信号电压由c2加至555的触发端，使555的输出由低变成高电平，继电器ks吸合，电灯点亮。同时，555第7脚内部截止，电源便通过r1给c1充电，这就是定时的开始。便通过r1给c1充电，这就是定时的开始。当电容c1上电压上升至电源电压的2/3时，555第7脚道通使c1放电，使第3脚输出由高电平变回到低电平，继电器释放，电灯熄灭，定时结束。定时长短由r1、c1决定：t1=1.1r1*c1。按图8中所标数值，定时时间约为4分钟。d1可选用1n4148或1n4001。 图84.3 发光二极管 发光二极管简称为led。由镓（ga）与砷（as）、磷（p）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为led。发光二极管与普通二极管一样是由一个pn结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从p区注入到n区的空穴和由n区注入到p区的电子，在pn结附近数微米内分别与n区的电子和p区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。4.4 电阻 电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 在物理学中，用电阻（resistance）来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种性质。电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。 电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1时电阻值发生变化的百分数。 电阻是所有电子电路中使用最多的元件。 有些物质在低温条件下电阻为零，被称为超导体。 导体的电阻通常用字母r表示，电阻的单位是欧姆（ohm），简称欧，符号是（希腊字母，音译成拼音读作 u m ga )，1=1v/a。比较大的单位有千欧（k）、兆欧（m）（兆=百万，即100万）。 电阻器简称电阻（resistor，通常用“r”表示）是所有电子电路中使用最多的 元件。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。 k（千欧）， m（兆欧），他们的换算关系是： 1t=1000g；1g=1000m；1m=1000k；1k=1000 （也就是一千进率）在本次试验中用到了10k和450的电阻。4.5 电位器 电位器示意图如图9 图9 第五章 焊接调试6.1焊接工具电烙铁 电烙铁是电子制作和电器维修必不可少的主要工具，主要用途是焊机元件及导线，按结构可分为内热式电烙铁和外热式电烙铁，按功能可分为焊接用电烙铁和吸锡用电烙铁，根据用途不同又分为大功率电烙铁和小功率电烙铁。内热式的电烙铁体积较小，而且价格便宜。一般电子制作都用20w-30w的内热式电烙铁。当然有一把50w的外热式电烙铁能够有备无患。内热式的电烙铁发热效率较高，而且更换烙铁头也较方便。5.2焊接方法：(a)焊前准备 准备好电烙铁以及镊子、剪刀、斜口钳、尖嘴钳、焊料、焊剂等工具，将电烙铁及焊件搪锡，左手握焊料，右手握电烙铁，保持随时可焊状态。 (b)用烙铁加热备焊件。 (c)送入焊料，熔化适量焊料。 (d)移开焊料。 (e)当焊料流动覆盖焊接点，迅速移开电烙铁5.3.焊接质量不高的原因：手工焊接对焊点的要求是：电连接性能良好；有一定的机械强度；光滑圆润。 造成焊接质量不高的常见原因是:焊锡用量过多,形成焊点的锡堆积；焊锡过少,不足以包裹焊点。冷焊。焊接时烙铁温度过低或加热时间不足,焊锡未完全熔化、浸润、焊锡表面不光亮(不光滑),有细小裂纹(如同豆腐渣一样!)。夹松香焊接,焊锡与元器件或印刷板之间夹杂着一层松香,造成电连接不良。若夹杂加热不足的松香,则焊点下有一层黄褐色松香膜；若加热温度太高,则焊点下有一层碳化松香的黑色膜。对于有加热不足的松香膜的情况,可以用烙铁进行补焊。对于已形成黑膜的,则要吃净焊锡,清洁被焊元器件或印刷板表面,重新进行焊接才行。焊锡连桥。指焊锡量过多,造成元器件的焊点之间短路。这在对超小元器件及细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。焊剂过量,焊点明围松香残渣很多。当少量松香残留时,可以用电烙铁再轻轻加热一下,让松香挥发掉,也可以用蘸有无水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊剂。焊点表面的焊锡形成尖锐的突尖。这多是由于加热温度不足或焊剂过少,以及烙铁离开焊点时角度不当浩成的。5.4.焊接成果 焊接成果如图所示： 第六章 设计总结 寄存器及移位寄存器是数字系统常见的重要部件，除在计算机中广泛用于存放中间数据外，它在其他方面也有应用，目前在有关教材中只介绍可构成环形或扭环形计数器。但这种计数器容量小，且一般不能自行启动。所以，它的应用没有直观的印象，在学习中也会因为抽象和空洞而难以掌握。我用移位寄存器设计成彩灯控制电路。由于电路本身实用，就可以直观地看到循环彩灯控制效果。如果稍微改动控制电路，就可以改变电路的不同工作状态，控制彩灯变幻出不同的闪烁效果。这对于培养我们发散思维能力可以起到一定作用。控制电路是由学习过的单元电路组合而成的。电路原理容易理解，提高综合应用知识的能力。 通过这一段时间的课程设计，首先让我对这门课程有了更深的理解，又学到了很多的知识，尤其是课本里所学不到知识，通过这次实验提高了我的动手的能力，在实际中解决问题，把课本上的知识真正运用到实际；其次，我懂得了怎么样去布置电路板，使其的布线更加得整齐美观，并且学会了仔细认真的布线；最后，学会了几种检测电路的方法，如用万用表，二极管。以下便是我对做该次课程设计最大的收获：1.对数字电路知识的巩固与提高这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识，在整个实习过程中，都离不开对数字电路课程知识的再学习。我在最开始，就先将实习用到的知识通过翻阅数电书回顾了一遍（这也是对这门课的复习，给以后的复习备考减少了很多负担），这样的回顾让我对知识的理解更加透彻，对后来的快速设计起了很好的铺垫作用。2，学会了理论联系实际课程设计，通过选择的题目，根据要求，运用所学知识将其付诸实践来完成。这并不是在课堂上的单纯听懂，或者课后看书过程中的深入理解，这需要的是一种理论联系实践的能力。理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论，而实际的动手操作则完全不同，需要考虑实际中的很多问题。有些知识在理论上可能完全没错但到了实际中则不然。比如在动笔做题时我们是不用考虑导线的电阻的，但