《电工电子技术》课程设计-彩灯循环控制电路的设计与制作.doc

武汉理工大学电工电子技术课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： XXX 专业班级： 电气1106 指导教师： 罗惠谦 工作单位：武汉理工大学自动化学院 题 目： 彩灯循环控制电路的设计与制作 初始条件：（1）8个彩灯能够自动循环点亮。 （2）彩灯循环显示且频率快慢为1S。选作：设计具有控制彩灯左移，右移，全亮及全灭功能的电路要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1） 设计任务及要求（2） 方案比较及认证（3） 系统框图，原理说明（4） 硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明（5） 调试记录及结果分析（6） 对成果的评价及改进方法（7） 总结（收获及体会）（8） 参考资料（9） 附录：器件表，芯片资料时间安排：6月27日6月30日：明确课题，收集资料，方案确定7月1日7月4日：整体设计，硬件电路调试7月5日7月8日；报告撰写，交设计报告，答辩指导教师签名： 2013年 6月 27 日目录 摘要11 结构设计与方案选择21.1 方案设计 21.1.1 方案一21.1.1 方案二 31.2 方案的比较与选择 42单元电路设计62.1 脉冲产生电路62.2 循环控制与移位寄存器电路72.3 彩灯显示与全灭控制电路82.4 整体电路图与工作原理93 搭建调试与检测103.1 搭建 103.2 调试 103.2.1 调试方法103.2.2 调试步骤 123.2.3调试中故障及解决办法123.3 检测 13结束语14参考文献15附录1 器件表16附录2 芯片资料16附录2.1 74LS194的芯片资料16附录2.2 NE555定时器的芯片资料17摘要近年来，由于集成电路的迅速发展，在数字电路中，集成芯片使用频繁，在未来，集成度更高功能更完善的芯片会不断涌现，而流水彩灯因为价格低廉，易用且实用的特性也已经深入平常生活，在商业街，医院，广告牌等随处可见。绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的，流水彩灯控制可用多种方法实现，并且工业设计原理简单实用，根据不同要求，使用不同芯片，可以实现花样繁多的显示种类，本次课程设计以已经学到的专业知识为基础，用简单的数字逻辑电路来实现8个彩灯的左移、右移、全亮、全灭等多种点亮方式。与生活实际应用紧密相关。设计以双向移位寄存器74LS198做主体控制电路，其脉冲产生由555定时器构成的多谐振荡器构成，控制发光二极管，实现了所需要的功能。本文就本次课程设计的设计框图、设计电路图、单元电路图、工作原理、所用器件、电路调试等方面来进行介绍，最后对本次课程设计进行了总结。关键词：数字逻辑电路 循环 彩灯控制 双向移位寄存器彩灯循环控制电路的设计与制作1 结构设计与方案选择1.1 方案设计1.1.1方案一 彩灯显示电路 38线译码电路 二进制双向计数电路脉冲信号输入电路全灭控制电路 循环控制电路图1方案一的结构框图如上图，为方案一的结构框图，主体部分为双向计数电路，再辅以信号输入，译码，功能控制以及显示电路，就构成了彩灯循环控制电路。下面分别对每一个部分进行介绍：1)脉冲信号输入电路：选用CMOS门电路组成一个简单的多谐振荡器，产生周期为1s的脉冲波。2)二进制双向计数电路： 根据计数器的逻辑功能，改变它的工作模式，可以实现彩灯的左移，右移和全亮功能。3)38线译码电路：使用74LS138实现对计数的译码，通过3位二进制输入A B C ,共输出8种状态的组合，对8组彩灯进行控制。4)全灭控制电路：通过机械开关，断开彩灯的电源供应，从而达到全灭功能。5)循环控制电路： 通过机械开关，改变信号输入从而改变计数器的工作模式，实现功能转换的目的。按上述方案进行设计，原理图如图2所示。图2方案一的原理图1.1.2 方案二 脉冲产生电路移位寄存电路彩灯显示电路 全灭控制电路 循环控制电路图3方案二的结构框图如上图，为方案二的结构框图，主体部分为移位寄存电路，再辅以信号输入，功能控制及显示电路，就构成了彩灯循环控制电路。下面分别对每一个部分进行介绍：1)脉冲信号输入电路：选用NE555定时器组成的多谐振荡器产生所需频率为1Hz的脉冲。2)移位寄存器电路：由一片74LS198的8位双向移位寄存器实现，通过构成环形计数器，从而达到循环输出的目的。3)循环控制电路电路：通过机械开关对74LS198的工作模式以及清零端进行控制，实现移位寄存器电路输出转换的功能。4) 全灭控制电路：通过机械开关，断开彩灯的电源供应，从而达到全灭功能。按上述方案进行设计，原理图如图4所示。图4 方案二的原理图1.2 方案的比较与选择通过仿真，方案一和方案二都能完成预定的功能。从方案的耗材方面考虑，方案二的电路用的集成电路块数较少，比较节省器件。从方案的优化方面比较，两个方案都能实现左移，右移，全亮，全灭四种功能。但是方案一使用环形多谐振荡器，它简单，易于搭建，但是频率不稳定电压易产生变化。方案二采用555产生秒脉冲。NE555电源范围宽，而且脉冲的精度比较高，适合电路，并且使用范围广，成本低廉。 从方案的复杂程度比较，方案二的基本理论与思路都比方案一简单，方案一胜在结构清晰，但是从框图上看就很复杂，不利于后期调试最后，经过综合考虑，决定采用方案二。2 单元电路设计2.1 脉冲产生电路多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。555定时器是一种多用途的数字模拟混合电路，由于它使用灵活、方便，利用它能方便地构成多谐振荡器，所以决定用NE555来构成多谐振荡器，来产生1HZ的脉冲。用555定时器接成多谐振荡器，即将555的2、6端并联，再与RC构成的充放电电路的串联点连接，将7端接到放电点。输出信号的时间参数是： （1-1） =0.7（R1+R2）C1 （1-2） =0.7R2C1 （1-3）式（1-2）中为VC由上升到所需的时间，式（1-3）中为电容C放电所需的时间。参数选择如下：R1=3.3K，R2=5.1K,，C1=100uF。则得到的脉冲的频率为1.06Hz （1-4）该频率可满足实验要求。用NE555构成可产生1Hz脉冲的多谐振荡器的原理图如图5所示：图5 脉冲产生电路2.2 循环控制与移位寄存器电路主体芯片使用74ls198，它除了具有存储代码的功能外，还具有移位功能。即在其内存储的代码能在移位脉冲的作用下依次左移或右移，还支持并行输入和并行输出。用74ls198设计的移位寄存器电路的原理图如图6所示：图6循环控制与移位寄存器电路 对于这个寄存器而言，使用环形计数器的接法，将QA与SL SER，QH与SRSER可以使芯片实现循环输出的功能，将S0、S1都接高电平，置数“0111，1111”；再将S0调置低电平，实现0111，1111 1111，1110 1111，1101 1111，1011 1111，0111 1110，1111 1101，1111 1011，1111 0111，1111左移循环；相反，将S1接低电平，S0接高电平，则可实现左移循环，而通过74LS198的清零端即可实现所有彩灯全亮功能。2.3 彩灯显示与全灭控制电路用发光二极管来实现彩灯的闪烁，8盏灯的阴极分别与74LS198的8个输出端连接，二极管的阳极与保护电阻相连接电源。连接二极管时要注意阴极和阳极的区分，免得出现二极管不亮时，盲从的检测，当74LS198的任意一个输出端输出为低电平时，与其相连接的发光二极管点亮。当电源提供端的开关断开时，LED灯全灭，如图7所示。图7 彩灯显示与全灭控制电路2.4 整体电路图和工作原理由上述单元电路图构成了整体电路图如图8所示。图8 整体电路原理图工作原理：1）左移循环点亮：S4闭合，S3打向高电平，先将S1，S2打向高电平，进行置数，这时只有D1亮，将S0打向低电平，彩灯开始向左循环点亮。2) 右移循环点亮：S4闭合，S3打向高电平，先S1，S2打向高电平，进行置数，这时只有D1亮，将S1打向低电平，彩灯开始向左循环点亮。3）全灭：S4断开，则8盏彩灯全灭。4）全亮：S4闭合，S3打向低电平，可以使8盏灯全部点亮。3 搭建,调试与检测3.1 搭建在完成理论设计后，我们进行了实际组装，由于市场中采购不到所需的74LS198，我们只能使用74LS194，即4位双向移位寄存器，通过级联完成八位输出，其他部分均能正常搭建，74Ls194级联的原理图如图9所示。图9 74ls194级联的八位移位寄存器3.2 调试一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装，往往也难达到预期的结果。这是因为在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观因素（如元件值的误差，器件参数的分散性，分布参数的影响等），必须通过不断的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足，然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。3.2.1 调试方法电子电路调试方法有三种：虚拟调试，单元调试和整体调试（1）虚拟调试法虚拟调试是利用EDA技术，通过特定的仿真程序，把设计好的电路方案进行完全的电路搭建，模拟出实际功能，然后通过其分析数据，观察结果，与理论预期进行比对，虚拟调试的优点：成本低廉，易于操作，结果可信度高 利用Multisim仿真，脉冲输入电路的结果如图10所示。图10 脉冲输入源的仿真结果左移的仿真结果如图11所示。图11 左移仿真右移的仿真结果如图12所示。图12 右移仿真（2）单元调试法分块调试是把总体电路按功能分成几个模块单元，对每个单元分别进行调试。单元模块调试的顺序最好按信号的流向，一块一块进行，逐步扩大调试范围，最后完成总调。单元调试的优点：问题出现范围小，可及时发现，易于解决。（2）整体调试此种方法是把整个电路组装完毕后，不进行分块调试，实行一次性总调。3.2.2调试步骤（1）电路仿真 对照电路图使用仿真软件进行仿真，确认无误后，比预期结果进行比对，不行的话，就修改电路。成功的话，则进行实体安装。（2）检查电路 对照电路图认真检查电路，首先查看电源是否接错或与地短接，然后检查各芯片是否安装牢固，最后对照电路图认真查看各芯片的管脚是否接错、漏接或出现多接线的现象。（3）接通电源观察 在做好第一步的基础上进行下一步。接通电源，如果出现异常现象立即关闭电源，按第一步重新检查电路对出现事故的电路部分进行着重的检查，直至发现并排除错误。（4）工作开关断开的情况下的调试 当第二步完成后，在断开开关的情况下用一个发光二极管检测脉冲信号的输出，各芯片的初始输出是否正确，如果存在问题，查找出原因并解决。（5）工作开关闭合的情况下的调试闭合工作开关，观察显示结果是否正确，如果存在问题继续调试。调试结束后观察调试后的结果是否符合设计要求。3.2.3调试中故障及解决办法第一次调试的结果是一上电，2号LED灯亮了，并且通过S0，S1的控制，不能循环，但是清零端可以正常控制全亮，但是却不能再变回原来要的左移右移工作状态。首先第一个问题，我们觉得是置数出问题，通过检查电路，发现原来是U2的15，14号引脚接错了灯，导致置数出问题了。第二个问题，我们根据理论分析，可能是脉冲输出有问题，通过把输出接到指针式万用表那里，观察有无震荡，我们发现，没有震荡，说明，这个单元的脉冲输出肯定有问题。接下来，我们自己检查，首先对照电路，没有问题，然后我们觉得可能是面包板的接触问题，所以，我们换了个地方有重新安装了一遍，最后发现能正常使用了。最后调试到各部分电路正常的工作，通过对开关的控制，可以依次实现四种功能。3.3 检测 将电源接通，看彩灯的闪烁情况，根据所出现的异常，每根导线的检测，再将相关的芯片检测。控制4个开关，观察功能是否稳定正常。 实际电路图如图13所示。图13 实际电路图结束语这次电工电子课程设计是我第一次做课程设计，对于我而言意义非凡。它让我从书本的理论中跳脱出来，实际动手，去设计，去思考，去制作搭建，也让我明白了一个小组的团队精神的重要性，一个分工明确，目标一致，雷厉风行的团队能大幅提高工作的质量。在这次课程设计中，我感触最深的就是资料的获取。第一次设计这个东西，很难有完全独立自主，肯定要去参看前人的成果，可是前人的成果毕竟是他们的，不是自己的。必须通过消化吸收，才算掌握了。多去图书馆，院里的资料室翻看相关的书籍，对于我来说帮助甚大，我原本想设计一个网上所有的文档都不曾有的电路，最后发现原件成本高，调试难是大阻碍，所以退而求其次，综合选择方案，课设最重要的是让我们能够理论联系实际，我的理论是一片198就能实现功能，但是实际是198买不到，只有194，那没办法，只有改设计了。在搭建调试过程中，观察、判断、实验、再判断的方法培养了我解决问题的能力，通过学习仿真软件，也让我明白了EDA软件在电子设计中越来越重要的地位！而作为班长，本次设计，也暴露出了班级的一些问题，一些同学平时学习不认真，要到动手设计了，开始了各种抱大腿，却没有想过通过课设，通过假期时间，自己再去认真学，这没有从根本上解决自己理论不会，软件不会的问题。从而带来的另一个后果，就是30号交的方案，以网上百度为多，有的甚至临时百度了下就去打印，就交了。劝说更加显得苍白无力。希望在下学期的理论课程学习中，多督促，多引导，让他们能够真真正正学到知识，敢动手，培养他们独立自主，求知的精神。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力。参考文献1孙余凯.巧用555定时器实用电路180例:电子工业出版社,20082伍时和.数字电子技术基础:清华大学大学出版社,20093康华光.电子技术基础（数字