四路彩灯控制报告书.doc

1、 设计任务和要求1.1 设计任务 设计并制作一套彩灯控制系统 1.2设计要求： 1、四路彩灯从左向右逐次渐亮，时间间隔为1秒。2、四路彩灯从左向右逐次渐灭，时间间隔为1秒。3、四路彩灯同时亮，时间为0.5秒，然后同时变暗，时间为0.5秒，反复4次。4、（选做）多种图形方案选择显示。5、按照以上技术要求设计电路，撰写设计报告，绘制电路图。6、电源：220V/50HZ的工频交流电供电。 发挥部分：对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真。自行设计：用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试，测试。2. 系统设计2.1 系统要求1、 设计思路清晰，给出整体设计框图；2、 设计各单元电路，给出具体设计思路、电路器件；3、 总电路设计；4、 计算机仿真；5、 安装调试电路；6、 写出设计报告；2.2 方案设计总体方案的设计分析以上设计任务，该控制系统完成如图3-4所示的控制流程，系统结构框图如图3-5所示。其中脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为1Hz的时钟信号；分频器将1Hz的时钟信号四分频，用以产生0.25Hz（即4S）的时钟信号；节拍控制器产生三个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移和送数功能，可以使用双向通用移位寄存器74LS194完成；显示电路完成系统循环演示的指示，可以用发光二极管模拟。系统控制流程图及控制系统结构框图如下图所示：图1：四路彩灯控制流程图 图2：四路彩灯控制系统结构框图方案一 直流稳压电路设计：电源变压器，单桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路。 时序脉冲电路设计：555定时器组成多谐振荡器。 彩灯控制电路：分频器采用74HC163起节拍产生和控制作用。优点：使用元件少，电路设计简单。缺点：价格相对较高，连线线多。 彩灯演示。 方案二 直流稳压电路设计：电源变压器，单桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路。 时序脉冲电路设计：555定时器组成多谐振荡器。 彩灯控制电路：分频器采用两个D 触发器连接成四进制异步减法计数器；采用两个D 触发器和一个与非门构成三进制计数器优点：价格相对较低，连接线少。缺点：设计偏难，使用元件较多。由于方案二设计需要的元器件较多，设计偏难，因此选用方案一设计控制系统电路。 彩灯演示。2.3 系统工作原理四路彩灯既有四路输出，设依次为QD、QC、QB、QA，若“1”表示灯亮，“0”表示灯灭，由课题要求可知四路彩灯显示系统要求如下表1所示的输出显示表1 四路彩灯输出显示说 明输 出 所用时间 QD QC QB QA 开机初态0 0 0 0 第一节拍逐次渐亮1 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 11s1s1s1s第二节拍逆序渐灭1 1 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 01s1s1s1s第三节拍同时亮0.5s，然后同时灭0.5s，进行四次1 1 1 10 0 0 01 1 1 1 0 0 0 01 1 1 10 0 0 01 1 1 1 0 0 0 00.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s由上表可知，需要一个分频器起节拍产生和控制作用，每4s一个节拍，3个节拍共12s后反复循环。一个节拍结束后应产生一个信号到节拍程序执行器，完成彩灯渐亮、渐灭、同时亮、同时灭等功能。分频及节拍控制可以用一个12进制计数器来完成；彩灯渐亮、渐灭可以用器件的左移、右移功能来实现，因此可选用移位寄存器74194来完成。同时亮0.5s、同时灭0.5s可考虑把1Hz的秒脉冲信号直接加到输出显示端来完成。综上所述，要完成四路彩灯显示功能需要有分频器、节拍控制器、节拍程序执行器及脉冲源等电路。记第一，二，三节拍分别为Y2Y1Y0有效时间应为4秒，Y2结束Y1马上开始，Y1后Y0马上开始，如此循环不断。为此可考虑采用移位寄存器构成的移位型控制器。由于有三个状态，因此需要用三个触发器对现时状态进行记忆，为使各状态的有效时间间隔为4秒，则驱动该移位控制器动作时钟周期应为4秒。或者用74163与74194配合对三个状态和有效时间间隔同时进行控制，应在开机瞬间，使移位型控制器的状态被确定下来，即Y2Y1Y0节拍应为100，可控制输入信号使触发器置位、复位来实现。 为实现Y2功能要求器件具有右移功能，为实现Y1功能要求器件有左移功能；右移输入端为“1”，左移输入端为“0”；为实现Y0功能，要求器件同时具有并行置数功能。因此可选用一种具有左移、右移和并行置数功能的通用移位寄存器74LS194。74LS194具有并行输入端A、B、C、D，并行输出端、，右移输入端SR，左移输入端SL和模式控制输入端S1，S0和一个个无条件直接清除端CLR。模式控制输入S1，S0，有00、01、10、11四种组合方式，分别表示双向移位寄存器所具有的四种功能，即保持、右移、左移和并行置数。为了使当Y2Y1Y0=100时，S1S0 =01（右移），Y2Y1Y0=010时，S1S0=10（左移），当Y2Y1Y0=001时S1S0=11（并行置数）。74LS194的输出端初态均为零，在开机瞬间，使移位控制端S1S0 的状态被确定下来，即 Y2Y1Y0 =100时，S1S0 =01 右移串行数据输入端 SR经脉冲信号经四分频电路和通过两或门组成的节拍电路，或者通过74161使四路彩灯从右到左依次亮共 4秒 ，当Y2Y1Y0 =010 S1S0 =10 左移串行数据输入端 SL经脉冲信号经四分频电路和通过两或门组成的节拍电路，或者通过74161使四路彩灯从左到右依次灭共 4秒，Y2Y1Y0 =001 S1S0 =11 并行数据输入端 A、B、C、D经脉冲信号经四分频电路和通过两或门组成的节拍电路，或者是脉冲直接输入到彩灯使四路彩灯同时为“ 1”0.5秒、同时为“0”0.5秒，重复4遍共4秒，完成一个循环共需12秒，12个CP脉冲。 3. 单元电路的设计 3.1 直流稳压电源电路设计 3.1.1电路结构及工作原理1、 电路结构（1）由电源变压器，单桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路组成。其工作原理图如下图所示。图3：直流稳压电源电路结构（2）稳压电路的电容C1、C2、C3分别为4.7F 、4700F、0.33F。2、工作原理电源变压器是将交流电网220v电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的波纹，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。3.1.2电路仿真图 图4 ：直流稳压电源仿真图3.1.3元器件的选择及参数确定表2 直流稳压电路元器选择组数元件名称个数1220V/50HZ交流源一个2TS_POWER_25_TO_1一个31B4B42一个44700uf电容一个50.33uf电容一个64.7uf电容一个7TA7805F一个 3.2 时序脉冲电路设计3.2.1电路结构及工作原理1、 电路结构启动信号：单拍停机节拍脉冲启停控制逻辑转换为节拍脉冲的逻辑电路环形脉冲发生器时序脉冲源HT4T1T40T10Q4Q1图5：时序脉冲电路工作原理图2、 工作原理接通电源后，电容被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容通过R2和T放电，Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时,Vo翻转为高电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。由555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期计算公式为:T=0.7(R1+2R2)C(3-1)控制74HC161十六进制计数器电阻值和电容值可设为：R1=16.2KR2=63.4KC=0.01F由公式（1-1）计算得：T=1.001s。3.2.2电路仿真图图6： 1HZ时序脉冲电路仿真图3.2.3元器件的选择及参数确定组数元件名称个数1555定时器一片216.2K一个363.4K一个410uf电容一个 表3 时序脉冲电路元器件选择3.3彩灯控制电路的设计3.3.1电路结构及工作原理1、 电路结构由，74HC163，74HC194及与非门，与门，或门，放大器及彩灯组成。模为12的计数器74HC163模为12的计数器74HC163起节拍产生和控制作用，每4s一个节拍，3个节拍共12s后反复循环。 分频电路采用74HC163，功能表如表3.3-1所示表4 74HC163功能表输 入输 出CR CPLDEPETD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00 xxXXxxX00001 0xXDCBADCBA1 10XXxxXQ3Q2Q1Q01 1x0XxxXQ3Q2Q1Q01 111XxxX状态码加174HC163引脚图图7 74HC163引脚图 74HC163器件大致工作电路图图8 74HC163器件电路图 由一个74HC163、一个两输入的与门、一个两输入的或门、一个两输入的与非门组成，该图用的是反馈置数法，当输出端QD、QC、QB、QA为1011时，LOAD端接收到低电平0，此时74HC163输出端就重新回到了0000状态，这样就实现了三次节拍的作用，进一步作用到74HC194。当然还可以用反馈请零法，及时将与非门的输出端接在CLR端口，输出端QD、QC、QB、QA为1011时，将CLR置零，输出端为0000。这样依次循环就完成了。2） 移位寄存器74HC194，功能表如表3.3-2所示表 5 74LS194功能表序号清零控制信号时钟串行输入并行输入输出功能CRM1M0CPDSLDSRD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3100000清零210Q00Q10Q20Q30保持3111d0d1d2d3d0d1d2d3置数410111Q0nQ1nQ2n右移510100Q0nQ1nQ2n右移61101Q1nQ2nQ3n1左移71100Q1nQ2nQ3n0左移8100Q00Q10Q20Q30保持 74HC194引脚图图9 74HC194引脚图74HC194器件大致工作电路图图10 74HC器件工作电路图DSR接高电位，即实现右移时把高电平从低位起依次移进的功能；DSL接地电位，即实现左移时把低电平从高位起依次移进的功能。在第一节拍中，S1S0=01，故74HC194实现右移功能，此时在时钟脉冲作用下，会把DSR=1从最低位起逐次移进；在第二节拍中，S1S0=10，74HC194实现左移功能，即在时钟脉冲作用下，把DSL=0从最高位起逐次移进；第三节拍中，S1S0=10，74HC194仍实现左移功能，即在时钟脉冲作用下，把DSL=0从最高位起逐次移进，此时因为第二节拍最后的状态为0000，故第三节拍中74HC194的输出为0000，其与555定时器送来的脉冲经四个或门的作用（两输入或门但有一个输入为1时，灯泡就亮）从而控制彩灯的同时亮灭。2、 工作原理表6 四路彩灯工作过程说明秒脉冲74HC16374HC194彩灯输出QD QC QB QA S1 S0 QD QC QB QA QD QC QBQA 第一节拍0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 1 0 1 0 10 10 11 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 11 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 1第二节拍0 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 01 01 01 01 1 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 01 1 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 0第三节拍1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 11 01 01 01 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 01Hz时钟CP注：时钟由第三节拍的1011返回到第一节拍的0000循环进行表7 四路彩灯系统程序表说明输出 QD QC QB QA 时间开机状态0 0 0 0 1 1 1 1 4s 0 0 0 0 4s 1 1 1 10 0 0 01 1 1 10 0 0 0 4s第三节拍结束后返回第一节拍，如此反复，实现四路彩灯循环显示。3.3.2电路仿真图 图11 彩灯控制电路仿真图3.3.3 元器件的选择及参数确定表8组数元件名称个数174HC163N一片274HC194N一片374HC00N一个474HC32N五个574HC04N两个674HC08N两个7蓝色灯三个8绿色灯三个9橙黄色灯三个10红色灯三个3.3.4彩灯演示仿真图 图12 彩灯演示仿真图4、 结论本次课程设计我只用了一个星期的时间就全部做完，效率很高，因为在设计之前根据设计的要求，每个模块都仔细的设计分析了，正是整个过程我都认真的态度和方案选择合适，才有这么高的效率。而且从本次课程设计中收获很多。在课程设计过程中包括CP的产生电路用的555芯片，基本电路我用了13个芯片（一片555、一片163、一片194、一片00、两片08、两片04、五片32），分频电路用163实现，一共用了5个芯片。是目前我想出的用最少的器件，最简单的布线来实现所要求的功能。从电路图的设计、实现、仿真、实验报告，都是自己思考和动手。掌握了ModelSim软件的操作，用所学习过的芯片设计电路，并用面包板来实现，实现的过程中排错、检查的能力也得到锻炼。总而言之，好好利用了学校给我们提供的此次实习的机会，努力按要求完成了任务，提高了自己的综合思考能力和动手实践能。5、 参考文献1、 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年。2、 康华光主编.电子技术基础（模拟部分)第五版.高等教育出版社.2006年。6、总结，体会和建议两周的实习很快就过去了，在这次实习中我学到了很多东西，当然也有专业知识之外的其他东西。在这两周里，通过本学期对数字电子技术基础一书的学习，并且查找资料和网上搜索相关资料，完成了本次课程设计。我又一次运用了所学知识，进一步了解到自己所学的知识的作用。下面是我这次课程设计的心得体会。（一）巩固数电知识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。而且还参考了数字电路实验指导书， 关于芯片的管脚，里面有清晰的描述。（二）学会用电路板、芯片、导线等组装各种功能的电路；虽然这不是第一次用电路板，因为之前的课内实验也用过，但当时的运用也只是插些导线和电阻电容之类的，用了电路板的很小部分。这次的实习中应用了整块板子，实习后对电路板的组成完全了解了，并能熟练运用。实习中通过对电路的连接也懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的放置芯片在最合适的位置。在导线的连接上，如何选择导线走向是关键，我们应该尽量保证所连电路的简捷，宁短勿长，合理布线。一个完美的作品不仅要能很好的完成要求实现功能，还要在感官上给人美的享受。所以站在美的角度对自己的电路进行改良是很必要的。（三）理论联系实际据老师介绍，这是大学里唯一一次比较大型的动手实践机会。我当然不会错过。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、电阻是否连接的牢固合理，但在实际中，导线电阻有时是会带来时延造成花型变化的错乱，所以我们应尽量在连接电路时选择最短路径。平时试验中，我就很认真，所以会比平时不动手的要轻松地多。（四）和同学共同合作、互相学习、共同进步最初大家没思路的时候，特别的着急，我想出来了，大家问我，我就说了我的思路，我们不是抄袭，只是探讨，们个人都理解了才开始设计，我做的循环两遍，他们的都不是。我们的设计不同，我只是给大家启发了一个思考点。理论上我先设计出来，但在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题