彩灯控制器的设计完整版.doc

华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 0 - - 目录目录 1 1、设计任务和要求、设计任务和要求 1 1 2 2、基本组成方框图、基本组成方框图 2 2 3 3、设计方案的选择与论证、设计方案的选择与论证 3 3 3.1 数列循环模块 3 3.2 数列显示模块 7 3.3 脉冲信号的产生 7 3.4 方案的确定 8 4 4、单元电路的设计及其原理、单元电路的设计及其原理 9 9 4.1 数列循环电路的设计 9 4.2 序列显示电路的设计 10 4.2.1 十进制自然序列的显示电路 10 4.2.2 奇数序列显示电路 10 4.2.3 偶数序列显示电路 11 4.2.4 音乐序列显示电路 12 4.3 脉冲产生电路的设计 12 4.4 二分频电路的设计 13 4.5 总电路图的设计 14 5 5、仿真分析、仿真分析 16 5.1 脉冲产生电路的仿真 16 5.2 二分频电路的仿真 17 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 1 - - 6、 pcb 板的制作板的制作 19 7 7、体会与心、体会与心 得得2020 8、参考文、参考文 献献21 附录附录 元件清单元件清单 2222 彩灯循环显示控制电路设计报告彩灯循环显示控制电路设计报告 1 1 设计任务设计任务和要求和要求 1以 led 数码管作为控制器的显示元件，它能自动地依次显示出数 字 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）和 0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音乐符 号数列） ，然后由依次显示出自然数列、奇数列、偶数序列，音乐符号序 列 如此周而复始，不断循环。 2.打开电源时，控制器可自动清零。 3.每个数字的一次显示时间基本相等，这个时间在 0.5s 到 2s 范围内 连续可调。 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 2 - - 2 2 基本组成方框基本组成方框图图 利用 555 定时器组成一个多谐振荡器，发出连续脉冲，作为计数器的时间脉冲 源。通过分频器改变时钟脉冲的频率，从而改变彩灯变化速度。用计数器的输出接 译码器以实现对自然序列、奇数序列、偶数序列、音乐序列的循环变化。最后有数 码管显示其结果。原理方框图如图 2.1 所示。 图 2.1 方框图 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 3 - - 3 3 设计方案设计方案的选择与论证的选择与论证 3.13.1 数列循环数列循环模块模块 方案一 设计数列的循环有很多种方法，这个方案就是利用移位寄存器将串行 数据右移和左移的特点来设计的。电路图如图 3.1 所示： 图 3.1 74ls 194 构成的循环电路原理图 这个电路图实现循环主要是依靠 74ls194 的移位功能来完成的。先让 开关 j1 拨至与电源相接，就是接入高电平，这样移位寄存器有了脉冲信 号之后就可以实现置数的功能，四个输出端为 1000，再将开关 j1 拨至与 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 4 - - 地相接也就是接入低电平，这时寄存器就可以实现移位的操作了，然后通 过脉冲信号的触发下，寄存器的输出就可以从 1000010000100001， 这样依次循环了。然后四个输出端用来控制计数器的信号控制端就可以控 制序列输出了。 循环电路的设计采用 74ls194 移位寄存器，通过 74ls194 移位寄存器 的四个输出端子分别控制四个计数器工作，74ls194 的功能表如表 4.1 所 示，引脚图如图 3.2 所示： 表 3.1 74ls194 的功能表 图 3.2 74ls194 的引脚图 方案二 这个电路图实现循环主要是依靠 74ls160 的计数功能来完成的。通过 输入输出 控制信号串行输入清零 clrs1s0右移左移 时钟 clk 工作状态 00 100保持 1010（1）右移 1100（1）左移 111置数 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 5 - - 进位端或门输出作为脉冲信号就可以可以控制 74ls160 来实现计数功能， 输出从 0001001000110100，这样依次用两个 74ls153 的四个输出端 依次去控制计数器的清零端。其电路图如图 3.3 所示： 图 3.3 用数选器器实现的循环电路 这个部分主要用到的是芯片 74ls160 计数器和 74ls153 数选器，它们 的功能表和引脚图分别如下图 3.4 图 3.5 和表 3.2 所示。 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 6 - - 表 3.2 74ls153 的功能表 图 3.4 74ls153 的引脚图 图 3.5 74ls160 的引脚图 这两种方案都可以实现数列的循环，第一种方案需要拨动开关，而第 二种就不需要可以自动依次产生数列。另外第一种开关使其依次产生序列 还需要一个脉冲控制，而在设计总体的电路的时候四个计数器也需要有脉 冲信号的触发，这样的话就要多设计一个方波脉冲的产生电路，另外还要 与计数器的脉冲信号匹配，因为 74ls194 的移位是要一个计数器的全部数 列产生完后才下一个脉冲，这样不是很好与计数器的脉冲频率想匹配。但 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 7 - - 是第二个方案就很好的解决了这个问题，这个方案的数列循环部分就是依 靠芯片 74ls160 和 74ls153 也就是一个计数器还有一个数选器来实现的。 74ls160 的脉冲信号是由计数器的进位端来控制的，这样就很好解决了方 案一的问题，只有当一个计数器的全部数列输出完了之后才会有脉冲信号 过来触发 74ls160 让它进入下一个状态，这样就是由电路自己控制的，不 会产生方案一的问题。 3.23.2 数列显示数列显示模块模块 这个部分是利用 74ls160d 计数器来实现的。根据数列不同的特点来 连接电路的。其中主要使用的是 74ls160d 来实现的，其功能表与管脚排列 如图 3.5 所示。 表 3.3 74hc160 3.33.3 脉冲信号的产生脉冲信号的产生 产生信号脉冲的方法很多，这里我在设计的时候选用的是用多谐振荡 器，它是一种在接通电源后，就能产生一定频率和一定幅值矩形波的自激 clrloadenpentclkabcdqaqbqcqdrco 000000 1000posabcd1 1111poscount1 111qa0qb0qc0qd01 111qa0 qb0qc0qd01 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 8 - - 振荡器，常做为脉冲信号源。由于不用接输入信号就可以产生所需要的矩 形波，所以在设计的时候就选用这个方案。而选用的电路是用 555 定时器 构成的，因为 555 定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形 式，用它组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小， 这样使产生的矩形波更稳定。电路图如图 4.6 所示。 555_vir tu a l tim er g n d d i s o u tr s t v c c t h r c o n t r i 1k r 1 11k r 2 10nf c 100nf c f 1 12v vs 3 1 5 4 0 图 3.6 脉冲信号产生电路图 3.43.4 方案的确定方案的确定 在数列循环的部分我采用的是用一个四进制计数器和两个数选器来 实现的，这样避免了脉冲的混乱。 在数列显示部分用的是芯片 74ls160 的计数器的计数功能实现的。 在脉冲信号产生的环节则就是采用 555 定时器构成的多谐振荡器。 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 9 - - 4 4 单元电路的设计及其原理单元电路的设计及其原理 4.14.1 数列循环电路的设计数列循环电路的设计 在这个部分主要是应用了一个四进制的计数器和两个数选器，这个部 分的作用是为了使自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐序列的循环显示。 其中四个 74ls160 计数器的进位端与 74ls160 的 cp 相接，这样就可以通 过进位端状态由 0 变为 1 的瞬间给它一个脉冲触发，而另一个脉冲端则是 与其输出端 qa 相接的，这样的接法是为了使 74 ls160 实现 8421bcd 码十 进制计数的功能。然后再让 74ls160 的输出端 qa，qb 分别与数选器 74ls153 相接，这样可以用数选器来控制计数器的动作状态，它可以决定 由哪个 74ls160 计数器来工作。当 qa,qb 为“0” ， “1”时，这时数选器的 输出端就只有 y0为 1，然后再接产生自然序列的计数器的清零端;这样就 可以实现只有自然序列输出的功能，同理当 qa,qb 为“0”,“1”时，这 是译码器的输出端就只有 y1为 0，接一个反相器然后再接产生奇数序列的 计数器的清零端，这样就可以实现只有奇数序列输出的功能; 当 qa,qb 为 “1”,“0”时，这是译码器的输出端就只有 y2为 0，接一个反相器然后 再接产生偶数序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有偶数序列输出 的功能; 当 qa,qb 为“1”,“1”时，这是译码器的输出端就只有 y3为 0，接一个反相器然后再接产生音乐序列的计数器的清零端，这样就可以 实现只有音乐序列输出的功能。其产生序列的功能就是这样实现的。其电 路图如图 3.2 所示。 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 10 - - 4.24.2 序列显示电路的设计序列显示电路的设计 4.2.14.2.1 十进制自然序列的显示电路十进制自然序列的显示电路 由于 74hc160 本身就是一个十进制计数的芯片，因此对于这个部分 就只需按照其功能表来接电路就可以实现十进制自然序列输出了。在脉冲 信号的触发下，计数器的输出端的状态依次为 0000000100100011010001010110011110001001，然后 再将计数器的输出端和数码管的输入端口相接就可以在数码管上面看到依 次显示从 0 到 9 了。其序列显示电路图如图 4.2 所示。 图 4.2 自然数列的现实电路图 4.2.24.2.2 奇数序列显示电路奇数序列显示电路 将奇数 1，3，5，7，9 用 8421bcd 码分别表示为：“0001” ， “0011” ， “0101” ， “0111” ， “1001” ，可以发现最后一位都为 1，因此可以 u3 dcd_hex u5 74ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 vcc 5v v1 50 hz 5 v 10 0 67 8 9 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 11 - - 在上述十进制自然序列的基础上将数码管的最低位接高电平就可以实现奇 数序列了。虽然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但 是由于数码管最低位接高电平，在数码管显示的则是奇数列，但是显示的 时间间隔是正常自然序列的 2 倍，为了实现相邻显示时间间隔相等，我们 可以利用二分频电路解决上述问题。其序列显示电路图如图 5.3 所示。 图4.3奇数序列的现实电路图 4.2.34.2.3 偶数序列显示电路偶数序列显示电路 将偶数 0，2，4，6，8 用 8421bcd 码分别表示为“0000”， “0010”， “0100”,“0110”,“1000”, ,可以发现最后一位都为 0，因此可以在上述十进制 自然序列的基础上将数码管的最低位接低电平就可以实现偶数序列了。虽 然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但是由于数码管 最低位接高电平，在数码管显示的则是偶数列，但是显示的时间间隔是正 常自然序列的 2 倍，为了实现相邻显示时间间隔相等，我们可以利用二分 频电路解决上述问题。其序列显示电路图如图 4.4 所示。 u1 dcd_hex_dig_green u2 74ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 v1 50 hz 5 v vcc 5v 1 0 vcc 2 3 4 u 5 74ls160d q a 1 4 q b 1 3 q c 1 2 q d 1 1 r c o 1 5 a 3 b 4 c 5 d 6 e n p 7 e n t 1 0 l o a d 9 c l r 1 c l k 2 vc c 5v u 6 d c d _h e x_d ig _b lu e v2 50kh z 5 v 9 vc c 0 12 11 10 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 12 - - 图 4.4 偶数序列的现实电路图 4.2.44.2.4 音乐序列显示电路音乐序列显示电路 音乐序列的特点是从 0 显示到 7 后又再变为 0，这里可以将数码管的 最高位固定接低电平就可以实现了。因为 74ls160 的输出端只有三个与数 码管相接，当 74ls160 的输出为“1000”和“1001”时，这时由于数码管 最高位是固定接低电平的，也就是数码管的输入端仍是“0000” ， “0001” 。 这样数码管的显示就又变成 0 和 1 了。其序列显示电路图 4.5 所示： 图 4.5 音乐数列的现实电路图 4.34.3 脉冲产生电路的设计脉冲产生电路的设计 由于上述设计中所用到的芯片全要有脉冲信号的触发才能完成相应的 功能，所以就需要用到脉冲产生电路。我这里用到的是用 555 定时器设计 vcc 5v v1 50 hz 5 v u1 74ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 u2 dcd_hex_yellow 1 vcc 2 3 4 0 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 13 - - 的多谐振荡器，多谐振荡器的优点是在接通电源之后就可以产生一定频率 和一定幅值矩形波的自激振荡器，而不需要再外加输入信号了。而用 555 定时器设计的多谐振荡器也有很多优点，由于 555 定时器内部的比较器灵 敏度较高，而且采用差分电路形式，这样就使多谐振荡器产生的振荡频率 受电源电压和环境温度变化的影响很小。其电路图如图 4.6 所示。 555_vir tu a l tim er g n d d i s o u tr s t v c c t h r c o n t r i 1k r 1 11k r 2 10nf c 100nf c f 1 12v vs 3 1 5 4 0 图 4.6 脉冲产生电路 4.44.4 二分频电路的设计二分频电路的设计 因为奇、偶序列数字显示时间间隔是自然序列和音乐序列的 2 倍，为 了实现显示数字时间间隔相等的要求，可以使用二分频电路，让自然序列 和音乐序列的显示时间与奇偶电路的显示时间相等。 d 触发器可以构成二分频电路。由于 d 触发器的状态方程为 q*=d， 将 d 触发器的 d 端均接输出 q*端，则从输出端 q 输出的是二分频后的时间 脉冲，其时间间隔为原脉冲的 2 倍。其电路图如图 4.7 所示。 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 14 - - 图 4.7 二分频电路 4.54.5 总电路图的设计总电路图的设计 这个电路图可以实现设计的要求，可以依次输出自然数列，奇数序列， 偶数序列还有音乐数列，而且还可以循环输出，数码管的显示的间隔时间 也可以通过调节脉冲信号的频率来进行调整。 电路图中四个 74ls160 的输出端口分别与四个与门相接，然后再将四 555_vir tu a l tim er g n d d i s o u tr s t v c c t h r c o n t r i 1k r 1 11k r 2 10nf c 100nf c f 1 12v vs 6 5 3 1 u 1a 74ls74d 1 d 2 1 q 5 1 q 6 1 c l r 1 1 c l k 3 1 p r 4 2 8 xsc1 a b ex t trig + + _ _ + _ 4 0 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 15 - - 个门电路的输出端分别与数码管的输入端相接。其中产生自然数列和音乐 数列的脉冲信号的频率是产生奇数序列和偶数序列的脉冲信号的频率是 2 倍，这是因为为了实现数字显示时间间隔相等的要求，这里利用二分频器 很好地实现了这一功能。 当打开电路的开关后，首先就是输出自然序列，这时是 u1 先工作， 它的清零端接的是“1“，这时就是它处在计数的操作，然后输出通过与 或门相接再接至数码管的输入端，就可以依次显示从 0 到 9，当 u1 的输出 要从 9 变到 0 的瞬间，它的进位端的状态是”1” ，然后通过一个或门接至 74hc390 的脉冲输入端，这时从“0”变至“1” ，恰好有一个脉冲，就可以 通过译码器使 u4 开始工作即开始计数，它从 9 变至 1 时，又通过进位端 给 74hc390 一个脉冲，然后就通过译码器又使 u8 开始工作，它从 0 变至 8，当它从 8 变至 0 时，它的进位端又变至“1” ，就又可以给 74hc390 一 个脉冲信号，最后就通过译码器控制 u9 的工作，输出音乐数列。如此周 而复始的这样循环，就可以实现我们需要的功能了。其电路图如图 4.8 所 示： 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 16 - - u1 74ls153d 2y 9 2c0 10 2c1 11 2c2 12 2c3 13 a 14 b 2 1g 1 1y 7 1c0 6 1c1 5 1c2 4 1c3 3 2g 15 u2 74ls153d 2y 9 2c0 10 2c1 11 2c2 12 2c3 13 a 14 b 2 1g 1 1y 7 1c0 6 1c1 5 1c2 4 1c3 3 2g 15 u3 74ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 u4a 4072bp_5v u5 74ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 u6 74ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 u7 74ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 u8 74ls160d qa 14 qb 13 qc 12 qd 11 rco 15 a 3 b 4 c 5 d 6 enp 7 ent 10 load 9 clr 1 clk 2 u10a 4072bp_5v u11a 4072bp_5v u12a 4072bp_5v u13a 4072bp_5v u14 dcd_hex_blue vcc 5v u16a 4069bd_5v u17a 4069bd_5v u15a 4012bd_5v 3332 31 30 26 24 23 22 0 14 13 000 11 10 9 7 6 5 4 3 21 17 15 16 18 19 20 21 28 29 u21a 74ls74d 1d 2 1q 5 1q 6 1clr 1 1clk 3 1pr 4 34 555_virtual timer gnd dis outrst vcc thr con tri 1k r1 11k r2 10nf c50nf cf 37 36 35 25 27 0 vcc 8 12 图 4.8 总电路图 5 5 仿真仿真分析分析 5.15.1 脉冲产生电路的仿真脉冲产生电路的仿真 555 定时器脉冲产生的电路和仿真结果如图 5.1 和图 5.2 所示。 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 17 - - 555_vir tu a l tim er g n d d i s o u tr s t v c c t h r c o n t r i 1k r 1 11k r 2 10nf c 100nf c f 1 12v vs 3 1 5 4 0 图 5.1 555 脉冲产生电路 图 5.2 555 仿真图 脉冲产生电路的周期 t=2ms 5.25.2 二分频电路的仿真二分频电路的仿真 检测二分频电路的周期，电路原理图和仿真图如图 5.3 和图 5.4 所示。 5 5 5 _ vir tu a l tim er g n d d i s o u tr s t v c c t h r c o n t r i 1 k r 1 1 1 k r 2 1 0 nf c 1 0 0 nf c f 1 1 2 v vs 6 5 3 1 u 1 a 7 4 ls7 4 d 1 d 2 1 q 5 1 q 6 1 c l r 1 1 c l k 3 1 p r 4 2 8 xsc1 ab ex t trig + + _ _ + _ 4 0 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 18 - - 图 5.3 二分频电路 仿真所得 t（a）=0.5ms t（b）=1ms 图 5.4 二分频电路的仿真 经测试之后，电路可以实现设计要求，可以实现从自然数列，奇数 数列和音乐数列的循环显示，而且数字之间的显示时间间隔也可以通过改 变脉冲信号的频率来改变。电路由一个缺点就是不能实现清零的作用，每 次打开电源它的起始的数列是未知的，这点还需要改进。 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 19 - - 6 6 pcbpcb 板的制作板的制作 本次电路原理图我使用的是 multisim 11.0 这款软件，除此之外，它还外带一款 pcb 板制作软件 ultiboard 11.0，我就是通过这款软件制作了我的 pcb 板。首先，在 multisim 11.0 中点击菜单栏中的 transfer 选项，再选择 transfer to ultiboard 中的第 一项，出现一个对话框，点击保存，然后下面两项点击 ok，软件自身开始导入封装， 这些都完了，选择菜单栏中 autoroute，下拉菜单选择 start atuplacement，它本身开 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 20 - - 始自动布局。最后就是自动布线了，选择工具栏中 start/resume autorouting the board，开始自动布线。我制作的 pcb 板是双层面板。结果如图 6.1 所示。 pcb 板图 7 7 体会与心得体会与心得 这次的课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过 的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法， 以及自己处理分析电路，设计电路的能力。我相信是对我的一个很好的提 华北科技学院课程设计华北科技学院课程设计 - - 21 - - 高。这次的课程设计让我懂得了我们身边的很多电路，例如频率计、交通 灯、数字钟这些都是我们自己可以实现的，突然感觉自己学的东西很 有用，我相信这样就可以激发我以后的学习兴趣，这样有利用今后更好地 学习。 通过