《电工电子综合课程设计》课程设计-多花样自动切换的彩灯控制器设计.doc

武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 学学 号：号： 课课 程程 设设 计计 题题 目目 多花样自动切换的彩灯控制器设 计 学学 院院自动化学院 专专 业业自动化专业 班班 级级自动化 1005 姓姓 名名 指导教师指导教师 2012 年6月30日 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 自动化自动化 10051005 班班 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 自动化学院自动化学院 题题 目目: : 多花样自动切换的彩灯控制器设计多花样自动切换的彩灯控制器设计 初始条件：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：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：指导教师签名： 20122012 年年 6 6 月月 2525 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 20122012 年年 6 6 月月 2525 日日 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 目录目录 摘要 .1 ABSTRACT .2 1 设计意义及要求 .3 1.1 设计意义 .3 1.2 设计要求 .3 1.2.1 题目.3 1.2.2 初始条件.3 1.2.3 要求完成的主要任务.3 2 设计方案 .4 2.1 设计思路 .4 2.2 方案设计 .4 2.2.1 设计方案一.4 2.2.2 设计方案二.6 3 电路设计 .7 3.1 时钟电路 .7 3.2 26 种码产生器.7 3.2.1 26 种码产生器产生电路.7 3.2.2 74LS161 和 74HC154 芯片介绍 .8 3.3 子计数器 .11 3.4 显示模块 .12 3.4.1 显示模块电路 .12 3.4.2 74LS138 芯片介绍 .13 4 调试与检测 .15 41 调试中的故障及解决办法 .15 4.2 调试与运行结果 .15 5 仿真操作步骤及使用说明.16 5.1 各部件说明 .16 5.2 操作说明 .16 结束语 .17 参考文献 .18 附件一 .19 附录二 .20 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 附件三 .21 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 1 摘要摘要 彩灯控制在我们日常生活中十分重要，很多领域都有它的应用。比如霓虹灯的闪烁 变换，广告灯的效果，景区装饰灯的变换等。本次课设制作的多花样自动切换的彩灯控 制器是其中较简单的，但这仍需要我们的知识的综合运用。 本次课设需要设计一个多花样（二花样）自动切换的彩灯控制器。用 555 定时器提 供周期为 1s 的时钟脉冲，用两个 74LS161 和两个 74LS154 构成 5 线-32 线译码器，使它 不断循环产生 26 种状态，并自动变换。前八种状态通过一个 74LS161 构成的 8 进制计数 器来控制 74LS138 译码器来实现彩灯从右往左逐次点亮；第九种到十六种状态通过一个 74LS161 构成的 8 进制计数器来控制 74LS138 译码器来实现彩灯从左往右逐次点亮；第十 七和十八种状态通过一个 74LS161 构成的 2 进制计数器和一个三态门来控制彩灯全灭和 全亮；第十九种到第二十六种状态通过前两个 8 进制计数器共同控制两片译码器彩灯两 边同时亮 1 个逐次向中间移动再散开。 经试验验证，所设计的多花样（二花样）自动切换的彩灯控制器能实现两种花样， 两种花样循环变换。 关键字：二花样、自动变换、时钟脉冲、计算器、译码器 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 2 Abstract Lamp control is very important in our daily lives, many areas have its application. For example, neon flashing transform, the effect of advertising lights, scenic decoration lights transform. The lesson set for multi-pattern auto switch lantern controller is relatively simple, but it still needs the integrated use of our knowledge. The class set need to design more than one pattern (pattern) automatically switches the lamp controller. 555 timer cycle of the clock pulse 1s line 5 -32 lines of two 74LS161 and two 74LS154 decoder to make it continuous cycle to produce 26 kinds of state, and automatically transform. The first eight to control the status of a 74LS161 octal counter 74LS138 decoder to achieve successive lit lantern from right to left; The ninth of 16 states control of a 74LS161 octal counter 74LS138 decoder to achieve successive lit lantern from left to right; Seventeenth and eighteenth state of a 74LS161 binary counter and a three-state gate to control the the lantern Quanmie and all light; Species of 19 to twenty-six states control two decoder lanterns on both sides at the same time bright a successive move to the middle and then spread through the first two octal counter. The experiments prove that the design of multi-pattern (pattern) automatically switches the lamp controller to achieve two tricks, two kinds of pattern loop transformation. Keywords: pattern, automatically change the clock pulse, calculator, decoder 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 3 1 1 设计意义及要求设计意义及要求 1.11.1 设计意义设计意义 彩灯控制器有着十分重要的应用，所以彩灯控制在我们日常生活中十分重要，很多 领域都有它的应用。比如霓虹灯的闪烁变换，广告灯的效果等。本次课设制作的多花样 自动切换的彩灯控制器是其中较简单的，这不仅需要我们的知识的综合运用，而且锻炼 了我们的实际动手操作能力。 1.21.2 设计要求设计要求 1.2.11.2.1 题目题目： 多花样自动切换的彩灯控制器设计 1.2.21.2.2 初始条件初始条件： 运用所学的模拟电路和数字电路等知识； 用到的元件：实验板、电源、连接导线、74 系列芯片、555 芯片等。 1.2.31.2.3 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: 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： 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；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;2 种花样自动变换,循环往复。时间间隔为 1 秒。 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 4 2 2 设计方案设计方案 2.12.1 设计思路设计思路 用一个 555 定时器来提供时钟脉冲，通过 5 线-32 线译码器中的 26 种状态来控制多 花样自动切换的彩灯控制器的 26 种状态，最后由 3 线-8 线译码器来控制 8 盏彩灯的亮灭。 2.22.2 方案设计方案设计 2.2.12.2.1 设计方案一设计方案一 将多花样自动切换的彩灯控制器设计分成四个模块，每一个模块完成一项功能。多 花样自动切换的彩灯控制器设计的四个模块分别为时钟电路，26 种码产生器，子计数器， 显示模块。设计框图如图 2.1；控制器的真值表如表 2.1 所示。 图 2.1 系统组成框图 输入状态输出状态 D4D4D3D3D2D2D1D1 D0D0Q7Q7Q6Q6Q5Q5Q4Q4Q3Q3Q2Q2Q1Q1Q0Q0 1 10 00 00 00 00 00 01 11 11 11 11 11 11 1 2 20 00 00 00 01 11 10 01 11 11 11 11 11 1 3 30 00 00 01 10 01 11 10 01 11 11 11 11 1 4 40 00 00 01 11 11 11 11 10 01 11 11 11 1 时时 钟钟 电电 路路 26 种码种码 产生产生 器器 子子 计计 数数 器器 显显 示示 模模 块块 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 5 5 50 00 01 10 00 01 11 11 11 10 01 11 11 1 输入状态输出状态续表：续表： D4D4D3D3D2D2D1D1 D0D0Q7Q7Q6Q6Q5Q5Q4Q4Q3Q3Q2Q2Q1Q1Q0Q0 6 60 00 01 10 01 11 11 11 11 11 10 01 11 1 7 70 00 01 11 10 01 11 11 11 11 11 10 01 1 8 80 00 01 11 11 11 11 11 11 11 11 11 10 0 9 90 01 10 00 00 01 11 11 11 11 11 11 10 0 10100 01 10 00 01 11 11 11 11 11 11 10 01 1 11110 01 10 01 10 01 11 11 11 11 10 01 11 1 12120 01 10 01 11 11 11 11 11 10 01 11 11 1 13130 01 11 10 00 01 11 11 10 01 11 11 11 1 14140 01 11 10 01 11 11 10 01 11 11 11 11 1 15150 01 11 11 10 01 10 01 11 11 11 11 11 1 16160 01 11 11 11 10 01 11 11 11 11 11 11 1 17171 10 00 00 00 01 11 11 11 11 11 11 11 1 18181 10 00 00 01 10 00 00 00 00 00 00 00 0 19191 10 00 01 10 00 01 11 11 11 11 11 10 0 20201 10 00 01 11 11 10 01 11 11 11 10 01 1 21211 10 01 10 00 01 11 10 01 11 10 01 11 1 22221 10 01 10 01 11 11 11 10 00 01 11 11 1 23231 10 01 11 10 01 11 11 10 00 01 11 11 1 24241 10 01 11 11 11 11 10 01 11 10 01 11 1 25251 11 10 00 00 01 10 01 11 11 11 10 01 1 26261 11 10 00 01 10 01 11 11 11 11 11 10 0 表 2.1 控制器真值表 由一个 555 构成时钟电路；由两个 74LS161 和一个 74HC10（三输入与非门）构成 26 计数器；由两个 74HC154 和一个非门构成 5 线-32 线译码器；由两片 74LS161 和两个非门 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 6 分别构成 8 计数器；由一片 74LS161 和非门及一个 74LS126（三态门）构成 2 计数器控制 彩灯的全灭和全亮；由两片 74LS138 和八盏彩灯构成显示模块。电路图如图附录一 2.2.22.2.2 设计方案二设计方案二 方案二采用 51 单片机，只需要有复位电路，时钟电路，电源电路，单片机就可以正 常工作。按图将 LED 与单片机连接好，通过编程就可以实现题目的要求。 电路图如图 2.2 所示；大图见附录二；程序见附录三。 图 2.2 方案二设计图 2.3 方案比较 方案一是采用数字芯片，它的缺点是比较复杂，使用芯片多，费用大，连线比较麻 烦，容易出错，但可以很好的锻炼分析、解决问题的能力和仿真软件的使用。方案二采 用单片机实现，它的缺点是单片机有点大材小用，优点是连线简单，所需元件少，可以 很好的工作。所以，仿真选择采用数字芯片，实物制作采用单片机。 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 7 3 3 电路设计电路设计 3.13.1 时钟电路时钟电路 用 555 定时器构成多谐振荡器，电路输出得到一个周期性的矩形脉冲。 sCRCRtpL329.0107.4101007.07.02ln 63 11 sCRRCRRtpH658.0107.410)100100(7.0)( 7.02ln)( 33 2121 ssttt pHpL 1987.0658.0329.0 555 芯片管脚如图 3.1 所示；电路图如图 3.2 所示。 图 3.1 555 芯片管脚图 3.23.2 2626 种码产生器种码产生器 3.2.13.2.1 2626 种码产生器产生电路种码产生器产生电路 用由两个 74LS161（U1、U2）和一个 74HC10（三输入与非门）构成 26 计数器，当 U1 第一次加到 15 时，再来一个脉冲信号，U1 产生一个进位信号给 U2，U1 再做加计数器， 当 U1 的时同时 U2 的时，将 U1 的和 U2 的通过一1010 0123 QQQQ0001 0123 QQQQ 13Q Q 0 Q 个三输入与非门连接到两片 161 的清零端，使其重新计数，形成 26 计数器。由两个 74HC154（U5、U6）和一个非门构成 5 线-32 线译码器，输出 26 种状态。由 U2 的 Q0 直接 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 8 接到第一片 154 的 E2 是能端，再通过一个非门接到第二片 154 的 E2 使能端，如 Q0=0， 选择第一片 154 芯片，来输出前 16 种状态，此时第二片 154 停止工作；Q0=1，则相反。 电路图如图 3.3 所示。 图 3.2 555 定时器 3.2.23.2.2 74LS16174LS161 和和 74HC15474HC154 芯片介绍芯片介绍 74LS161 的引脚图和功能表如图 3.4 和表 3.1 所示。 引脚介绍：时钟信号，四个数据输入端 P0P3，清零 MR，使能端 CEP、CET，置数 PE，数据输出端 Q0Q3，进位端 TC。 当0（输入低电平） ，则不管其他输入端（包括 CP 端）状态如何，四个数据输出CR 端 QA、QB、QC、QD全部为零。所以该计数器具有“异步清零”功能。 当1 且0 时，时钟脉冲 CP 上升沿到达，四个数据输出端 QA、QB、QC、QD同CRLD 时分别接收并行数据输入信号 a、b、c、d，该芯片具有“同步置数”功能。 当1，CTrCTp1 时，则对计数脉冲 CP 实现 4 位同步二进制加计数。LDCR 当1 时，只要 CTr 和 ENP 中有一个为 0，则不管 CP 状态如何（包括上升沿）CRLD 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 9 ，计数器所有数据输出都保持原状态不变。因此，CTr 和 CTp 应该为计数控制端，当它们 同时为 1 时，计数器执行正常同步计数功能；而当它们有一个为 0 时，计数器执行保持 功能。 74HC154 的引脚图和功能表如图 3.5 和表 3.2 所示 图 3.4 74LS161 引脚图 816151413121110 Vcc 地 QCC 9 812345678 D1 Q0Q1Q2Q3CTrLD CRLD CPD0D1D2D3EP D0D2D3CTPCRCP QCCQ0Q1Q2Q3Er 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 10 图 3.3 26 种码产生器 输入输出 CRCPLDCTrCTpD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0 00000 10dcbadcba 110Q3Q2Q1Q0 110Q3Q2Q1Q0 1111状态码加 1 表 3.1 74LS161 功能表 图 3.5 74HC154 的引脚图 引脚介绍： 1-11 13-17 ：输出端。18-19：使能输入端、低电平有效 。20-23 地 址输入端 (address inputs) 74HC154 是一款高速 CMOS 器件，74HC154 引脚兼容低功耗肖特基 TTL（LSTTL） 系列。 74HC154 译码器可接受 4 位高有效二进制地址输入，并提供16 个互斥的低有效 输出。74HC154 的两个输入使能门电路可用于译码器选通，以消除输出端上的通常译 码“假信号” ，也可用于译码器扩展。该使能门电路包含两个 “逻辑与”输入，必须 置为低以便使能输出端。任选一个使能输入端作为数据输入，74HC154 可充当一个 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 11 1-16 的多路分配器。当其余的使能输入端置低时，地址输出将会跟随应用的状态。 输入 1E2EA3A2A1A0 输出 LLLLLL 0 y LLLLLH 1 y LLLLHL 2 y LLLLHH 3 y LLLHLL 4 y LLLHLH 5 y LLLHHL 6 y LLLHHH 7 y LLHLLL 8 y LLHLLH 9 y LLHLHL 10 y LLHLHH 11 y LLHHLL 12 y LLHHLH 13 y LLHHHL 14 y LLHHHH 15 y HNONE HNONE 表 3.2 74HC154 功能表 3.33.3 子计数器子计数器 将 26 种码的前 8 种通过与门和与非门合并成一个信号输出，只要是其中的一个信号， 就输出为 1，将这一个信号作为 74LS161（U11）的使能信号；同理，第 9 到 16 种码合并 成一个信号作为 74LS161（U80）的使能信号；第 17 和 18 种码合并成一个信号作为 74LS161（U13）的使能信号；U11 和 U80 是 8 进制计数器，当时，的1000 0123 QQQQ 3 Q 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 12 信号通过一个非门反馈到清零端，是计数器重新计数；U13 是二进制计数器，当 时，的信号通过一个非门反馈到清零端，是计数器重新计数。第 190010 0123 QQQQ 3 Q 到 26 种码合并成一个信号，通过或门接到 U11 和 U80 的使能端，即如是第 19 到 26 种码， 则 U11 和 U80 同时工作。电路图如图 3.6 所示。 图 3.6 子计数器 3.43.4 显示模块显示模块 3.4.13.4.1 显示模块电路显示模块电路 第一片 74LS138（U16）的 E1 使能端与子计数器中的第一片 74LS161，即 U11 的使能 端并联，所以当 U11 工作时，带动 U16 工作。U11 的分别接到 U16 的 CBA 上，于是 012 QQQ 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 13 第 1 到第 8 的码通过它们使灯从右往左逐次点亮。当 U11 不工作时，E1=0，U16 输出全为 1，通过与门对彩灯亮灭没影响。同理，第二片 74LS138（U17）的 E1 使能端与子计数器 中的第二片 74LS161，即 U80 的使能端并联，U80 的分别接到 U17 的 CBA 上，于是 012 QQQ 第 9 到第 16 的码通过它们使灯从左往右逐次点亮。第三片 161 的使能端和一个三态门的 使能端并联，通过使能信号来控制第 17 和 18 种码。当输入的是第 17 种码，第三片 161 工作，=0，通过非门和三态门输出为 1，把它直接接到八盏彩灯前面的与门，则与门输 0 Q 出为 1，所以八盏彩灯全灭。当输入的是第 18 种码，第三片 161 工作，=1，通过非门 0 Q 和三态门输出为 0，把它直接接到八盏彩灯前面的与门，则与门输出为 0，所以八盏彩灯 全亮。当输入的是第 19 到 26 种状态时，第一片 161（U11）和第二片 161（U80）同时工 作，彩灯两边同时亮 1 个逐次向中间移动再散开。如是第 19 种状态，U11 控制第 8 盏灯 亮，同时 U80 控制第 1 盏灯亮，就是两边同时亮一个灯，如此类推，效果就是灯逐次向 中间移动再散开。电路图如图 3.7 所示。 图 3.7 显示电路 3.4.23.4.2 74LS13874LS138 芯片介绍芯片介绍 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 14 74LS138 的引脚图和功能表如图 3.8 和表 3.3 所示。 图 3.6 74LS138 的引脚图 输入输出 E312EEA2A1A0 0 y 1 y 2 y 3 y 4 y 5 y 6 y 7 y 011111111 111111111 1000001111111 1000110111111 1001011011111 1001111101111 1010011110111 1010111111011 1011011111101 1011111111110 表 3.3 74LS138 的功能表 引脚介绍：A2A1A0 数据输入端，使能端， 数据输出端123EEE 0 Y 7 Y 当一个选通端（ E3）为高电平，另两个选通端（ E2、 E1）为低电平时，可将地 址端（A0、A1、A2）的二进制编码在 Y0 至 Y7 对应的输出端以低电平译出。 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 15 4 4 调试与检测调试与检测 4 41 1 调试中的故障及解决办法调试中的故障及解决办法 方案一调试现象：按照电路图，在 Proteus 上连好电路，点击仿真按钮，前 8 种状 态，D1 一直都亮着，后面 8 种状态 D8 一直亮着。全灭和全亮的顺序反了，变成了全亮在 全灭。 解决办法：因为开始设计是，两片 74LS138 的使能端都是正常接线，需接高的就接了高 电平，需接低的就接低电平，没有与相应的子计数器中的 74LS161 的使能端相连 ，而且 第三片 161 没有接非门，所以当输入前 8 种状态时，第二片 161 的=0000，即第 0123 QQQQ 二片 138 的 CBA=000 时，输出状态=11111110，所以 D1 一直都亮着。同理 01234567 YYYYYYYY 输入后面 8 种状态时，第一片 161 的=0000，第一片 138 的 CBA=000 时，输出状 0123 QQQQ 态=11111110，所以 D8 一直都亮着。将两片 138 的 E1 接到相应的 161 的 01234567 YYYYYYYY 使能端上，输入前 8 种状态时，第二片 161 和第二片 138 都不使能，输出状态 =11111111，所以 D1 就不会一直都亮着。同理，D8 也不是一直都亮着。 01234567 YYYYYYYY 全灭和全亮的顺序饭了，是因为第三片 161 的=0，通过三态门直接接到灯上，所 0 Q 以灯全亮，=1，灯全灭。在第三片 161 的接一个非门，全灭和全亮的顺序就会恢复 0 Q 0 Q 正常。 方案二中焊接好电路板后，将下载好的程序输入单片机中，花样变化正常，但是每 个状态变化的时间不是预定值 1s。检查电路发现电路没问题，是因为时间是由单片机定 时器控制的，所以将程序中定时器的参数值改变后在调试，发现彩灯按要求正常工作。 4.24.2 调试与运行结果调试与运行结果 改进电路后，运行结果正常，八盏彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮 （顺序为：D8、D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8 逐个 亮，然后全灭，再全亮） ；之后彩灯两边同时亮 1 个逐次向中间移动再散开（顺序为： D1D8、D2D7、D3D6、D4D5、D4D5、D3D6、D2D7、D1D8 逐次亮）; 2 种花样自动变换,循环 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 16 往复。时间间隔为 1 秒。 5 5 仿真操作步骤及使用说明仿真操作步骤及使用说明 5.15.1 各部件说明各部件说明 5.1.1U3 是 555 定时器，提供 T=1s 的时钟周期；U1，U2，U4：A 是 26 进制计数器； U5，U6，U7：A、B，U9：A、B，U10：A、B 是 5 线-32 线译码器；U11，U12，U13 分别是 8,8,2 进制计数器；U16，U17 是 3 线-8 线译码器；D1D8 是八盏彩灯。 5.1.2D0 为左边第一盏灯，以此类推，D8 为右边第一盏灯。 5.25.2 操作说明操作说明 点击仿真按键：八盏彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮（顺序为： D8、D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8 逐个亮，然后全 灭，再全亮） ；之后彩灯两边同时亮 1 个逐次向中间移动再散开（顺序为： D1D8、D2D7、D3D6、D4D5、D4D5、D3D6、D2D7、D1D8 逐次亮）; 2 种花样自动变换,循环 往复。时间间隔为 1 秒。 武汉理工大学电工电子综合课程设计课程设计说明书 17 结束语结束语 本次课程设计需要对题目的分析，将整体功能拆分成几个模块来实现，通过本次课 程设计，让我学到了很多东西，受益匪浅，不仅熟练了各种芯片的结构和功能，并能正 确进行电路仿真、调试和修改。在遇到问题是，自己先独立结果，在网上查找资料或去 图书馆查书，锻炼了自己的学习能力。如果实在不行，与小