16路循环彩灯控制器.doc

南华大学电气工程学院 电子技术课程设计任务书 设计题目： 16路循环彩灯控制器 专 业： 本11通信01班 学生姓名: 周世闻 学号： 20114400123 起迄日期: 2013年12月9日 2013年12月20日 指导教师: 黄智伟 教研室主任： 王 彦 课 程 设 计 目 录一、内容摘要及关键词32、 课程设计任务书53、 课程设计方案及结构框图74、 课程设计原理8 五、各单元电路的设计、计算及说明8六、课题整体电路图13七、芯片功能及其原理介绍14八、所用元器件清单24九、课程设计的心得体会25十、参考文献26 摘 要 数字电路是一门专业的基础课程，它具有很强的理论性与十分广泛的工程应用，本次课程设计的主要目的是掌握数字电子技术的一些基础知识，能够在一定程度上应用数电子技术的相关知识解决实际问题。此次的课程设计是十六路循环彩灯控制器，此电路由四部分组成。如下：第一部分是由555计时器组成的信号发生器，控制频率的变化；第二部分是由74HC163计数器组成的计数部分，其时钟信号由555计时器提供；第三部分是由74HC154译码器组成的，计数器输出不同的计数结果，即可控制译码器译码得到不同的输出信号，决定彩灯的循环变化。如果使得计数器的控制端输入不同的控制信号，进行不同的计数，则在输出端可见不同的彩灯循环输出。而最后一部分则主要是由十六个彩灯构成的输出显示部分，显示在输入的信号不同时的输出结果，方便得出实验结果，进行此次实验设计的总结。 关键词：555计时器、74HC163计数器、74HC154译码器、彩灯、 控制器、原理。 summary Digital circuit is a professional foundation courses,it has a strong theoretical and very extensive engineering applications,the main purpose of this course is to master the design of digital electronic technology some of the basics, to a certain extent, the number of electronic technology applications relevant knowledge to solve practical problems. The curriculum is designed Sixteenth Street cycle lantern controller, this circuit consists of four parts. The first part is composed of the timer signal generator 555 controls the frequency change; The second part is composed of counting in part by the 74HC163 counter, the clock signal is provided by a 555 timer; The third part is a 74HC154 decoder composed of different counting result of the counter output, the decoder can control an output signal obtained by decoding a different decision cycling lantern.If the control of the counter so that the different control input signal, a different count, the type seen at the output cycle of the output lights. The last part is mainly constituted by the output of the sixteen lights display section not shown in the input signal while the output of a convenient experimental results obtained, the summary of the experimental design.Key words:555 control、74HC163 counter、74HC154 decoder、 LED lights、controller、principle。电子技术课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、 课程设计内容 题目：16路循环彩灯控制器 要求：输出功率 0.1W，电源电压为DC5V，利用按键控制彩灯循环显示。 注：可以采用555、74HC163和74HC154作为控制器，LED作为彩灯制作。二、课程设计要求1. 综合运用已学习过模拟电路和数字电路等知识，阅读相关集成电路芯片资料和相关文献，了解电子电路设计的有关知识，方法和特点，掌握基本的电子电路设计和芯片使用方法。2. 一人一题，所设计的电路必须制作成功，并且全部或者部分通过计算机仿真。课程设计必须自己独立完成，不得从网上下载，一经发现该课程成绩记零分。3. 课程设计设计说明书（报告）应包括有： 电路工作原理分析 电路元器件参数设计计算 电路调试说明 电原理图和PCB图（必须自己画） 元器件装配图（必须自己画） 元器件清单 自己的收获和体会 要求字数不得少于3500字 要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel等软件绘制电原理图（SCH）、元器件布局图和印制电路板(PCB)。 4. 所有的文档和表格必须采用Word形式。5. 同类型的设计题可以组成一个设计组，组员之间可以开展研究与讨论。雷同者均计0分。6. 阅读有关芯片英文参考资料，理解资料内容。7. 英文资料中的曲线、参数、方框图、引脚端封装等图（不包括电原理图和PCB图）可以直接采用（pdf文档中的图可放大300倍后裁剪到Word文档中），图中的英文可以采用英文（中文）方式翻译在图下。8. 英文资料中的一些词，如果翻译拿不准，可以采用英文（中文）方式标注。9. 设计资料中的有关的公式可以直接采用。10. 课程设计结束，需要交制作的作品、文字稿和电子稿，采用Word文档形式。11. 成绩评定： 按ABCDE分档，其中：优秀为A，良好为B，中等为C，及格为D，不及格为E。 课程设计设计说明书占60%，实物制作占40%。 2对课程设计成果的要求包括图表（或实物）等硬件要求：设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。3主要参考文献：（1） 黄智伟全国大学生电子设计竞赛技能训练M北京：北京航空航天大学出版社，2011（2） 黄智伟全国大学生电子设计竞赛制作实训M北京：北京航空航天大学出版社，2011（3） 黄智伟全国大学生电子设计竞赛系统设计M北京：北京航空航天大学出版社，2011（4） 黄智伟全国大学生电子设计竞赛电路设计M北京：北京航空航天大学出版社，2011（5） 黄智伟全国大学生电子设计竞赛 常用电路模块制作M北京：北京航空航天大学出版社，2011（6） 黄智伟等.基于NI multisim的电子电路计算机仿真设计与分析M北京：电子工业出版社，2007（7） 黄智伟.印制电路板（PCB）设计技术与实践M北京：电子工业出版社，2009（8） 高吉祥等.电子技术基础实验与课程设计M北京：电子工业出版社，2002（9） 吴运昌.模拟集成电路原理与应用M广州：华南理工大学出版社，2001年（10） 谭博学等. 集成电路原理及应用M北京：电子工业出版社，2003（11） 魏立军.CMOS 4000系列60种常用集成电路的应用M北京：人民邮电出版社，1993（12） 杨宝清.实用电路手册M北京：机械工业出版社.2002 （13） 陈有卿.报警集成电路和报警器制作实例M人民邮电出版社1996 （14） 肖景和.红外线热释电与超声波遥控电路M人民邮电出版社.20034课程设计工作进度计划：序号起 迄 日 期工 作 内 容1. 2013.12.9开始资料查找和阅读2电路方案选择，电路设计和计算，电路仿真3材料购买，电路设计和PCB设计4PCB制作，电路元器件安装5作品调试62013.12.20结束 课程设计设计说明书写作主指导教师黄智伟 日期： 2013年 10 月 25日三、课程设计方案：1、 课题解析：由设计要求及任务可知此次设计实际上是要我们在直流电源电压为5V和输出功率在0.1W以上时作出一个用按键控制的循环计数电路。而循环控制效果主要是使用一个74HC163、一个74HC154和一个555计时器三个芯片对16个LED彩灯进行控制构成。2、 课题全篇预设：把555定时器接成一多谐震荡器，其产生的脉冲信号输送到74HC163计数器上而计数器输出的信号则传送到74LS163译码器上，译码器产生的16个输出信号分别与16个LED彩灯相连，通过不同彩灯的点亮、点亮彩灯的频率以及彩灯的功率来确定此课程设计电路的各个元器件参数和器件的选择。电路结构框图：555多谐振荡器电路74HC163计数部分LED彩灯显示部分74LS138译码电路部分四、课程设计原理： 此次课程设计16路彩灯循环控制电路要求：输出功率大于等于0.1W，控制器多路输出，可使用开关按键来控制彩灯的循环显示。该电路由555计时器、74HC163计数器、74HC154译码器及LED彩灯显示电路四个部分组成。附加电容及电阻把555计时器连接成一个多谐振荡器，产生脉冲信号，并且调节彩灯循环点亮的频率。此脉冲信号连接到74HC163，进行计数。在两个元件之间可连上开关，用来控制计数器使能端、时钟信号输入端和后面计数器的时钟信号输入端，可以控制时钟信号的计数、清零、置数、保持。74HC163计数器的输出端则连接上74HC154译码器的输入端，进行4线16线的译码。显然，不同的计数器与译码器电路，得到的是不同的彩灯循环控制结果。若译码器不变，在计数器的控制端输入不同的控制信号，进行不同的计数，则在输出端可见不同的彩灯循环输出。最后则是把译码器的16个输出端分别连接上16个LED彩灯，进行输出显示，为了保护电路，因此在LED彩灯与电源之间接入一个负载，使电路在工作时不被烧坏。 五、各单元电路的设计、计算和说明 1、时钟脉冲产生电路此电路是由555计时器构成一个多谐振荡器，电路输出得到一个周期性的矩形脉冲，其周期为T=0.7（）CR1、R2、C定时元件，要使得输出功率大于等于0.1W则电阻值与电容值可设为：R1= 300K ；R2=300K ；C= 10nF 。 根据周期公式得：T=6.3 mS555芯片引脚功能如下：1 地（GND）2 触发3 输出4 复位5 控制电压6 门限（阈值）7 放电8 电源电压VCC时钟脉冲产生的电路图如下页所示： 时钟脉冲产生电路图其输出的仿真波形如下：2、计数电路 计数器接收555定时器产生的脉冲信号，对时钟脉冲进行计数，然后输出到译码器。本实验因需要十六进制数（16路彩灯），因此采用了74HC163计数器，又要进行可按键控制的彩灯循环，故在计数器的几个输入端口分别连接按键，这样就可以进行计数器清零、置数、计数、保持等操作，从而控制彩灯的点亮。如下图所示即为计数电路的电路图： 计数电路图 计数器的输出端仿真时序图如下页： 3、译码电路译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码编译成对应的输出高、低电平信号或者另一些代码。译码器的输入端口与74HC163的输出端口QA、QB、QC、QD相接，通过译码器与计数器端口连接的顺序来控制彩灯点亮的顺序。74HC154译码器构成的译码电路图如下：译码电路其输出端的仿真时序图如下： 4、显示电路此次课程实验设计采用发光二极管代替彩灯来进行循环显示。因为74HC154译码器输出端为低电平有效，所以LED显示部分采用共阳极接法，负极分别接在74HC154译码器的输出端上。LED显示部分的电路图如下图所示：六、课题整体实验电路仿真图： 16路循环彩灯控制器电路图 原理图七、芯片功能及原理具体介绍： （一）555计时器介绍： 图一：555计时器的内部结构 图二：外引脚排列图 DIP封装的NE555 555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V16V工作，7555可在318V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图一和图二所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。 555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为2VCC/3，A2的同相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则A1的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。 555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200mA。比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。DIP封装的555芯片个引脚功能如下表：引脚名 称 功 能1GND（地）接地，作为低电平（0V）。2TRIG（触发）当此引脚电压降至1/3 VCC（或由控制端决定的阈值电压）时输出端给出高电平。3OUT（输出）输出高电平（+VCC）或低电平。4RST（复位）当此引脚接高电平时定时器工作，当此引脚接地时芯片复位，输出低电平。5CTRL（控制）控制芯片的阈值电压。（当此管脚接空时默认两阈值电压为1/3 VCC与2/3 VCC）。6THR（阈值）当此引脚电压升至2/3 VCC（或由控制端决定的阈值电压）时输出端给出低电平。7DIS（放电）内接OC门，用于给电容放电。8V+, VCC（供电）提供高电平并给芯片供电。555计时器可以在以下三种状态工作： 、单稳态模式：在此模式下，555功能为单次触发。应用范围包括定时器，脉冲丢失检测，反弹跳开关，轻触开关，分频器，电容测量，脉冲宽度调制（PWM）等。如下图： 图三：单稳态触发器波形图 暂稳态的持续时间（即延时）决定于外接元件R、C的大小：=1.1RC 即通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。 （a)多谐振荡器电路 (b)工作波形 图四 、无稳态模式：在此模式下，555以振荡器的方式工作。这一工作模式下555芯片常被用于频闪灯、脉冲发生器、逻辑电路时钟、音调发生器、脉冲位置调制（PPM）等电路中。如果使用热敏电阻作为定时电阻，555可构成温度传感器，其输出信号的频率由温度决定。 多谐震荡器没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。如图四，在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是VCCR1R2C地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，T导通，C放电，放电回路为CR2T地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得：输出高电平时间 ：T=()*； 输出低电平时间：T=；振荡周期 ：T=()； 输出方波的占空比：；、双稳态模式（或称施密特触发器模式：在DIS引脚空置且不外接电容的情况下，555的工作方式类似于一个RS触发器，可用于构成锁存开关。（二）74HC163芯片介绍 此芯片为可预置同步复位4位二进制计数器。 其特点为:l 同步计数和装载；l 两个计数使能输入为n位级联；l 正边沿触发时钟；l 同步复位；l 输出能力：标准；l 类别：MSI； 74HC163是高速Si-gate CMOS设备,且引脚兼容的低功率肖特基TTL（LSTTL）。他们是在符合JEDEC标准没有7A。该74HC163是同步的可预置设有一个内部的查找先行进位,可用于高速计数的二进制计数器.所提供的所有触发器的时钟频率上同时正向优势的时钟（CP）同步操作.输出（Q0到Q3计数器）可能是预设为一高或低的水平.在并行使较低水平输入（PE）禁止计数的行动,并导致数据的数据输入（D0到D3）被加载到柜台上的正向优势的时钟提供的设置和保持时间的要求为PE满足预设无论的水平计数使能输入（CEP CET）。 对于“163”清除功能是同步的。 在主复位输入（MR）设置所有四个较低水平触发器（Q的输出0到Q3）为低电平后,下一个正跳变的时钟（CP）输入（前提是该集的建立和保持时间的要求MR得到满足）.这个动作发生时,不管水平PE,CET和CEP输入。此同步复位功能只有一个外部NAND门,使设计人员可以修改最大计数。级联计数器的最大时钟频率为由CP被确定到TC的传播延迟和CEPCP set-up时间,根据下面的公式： 此芯片的引脚功能表如下：PEParallel Enable (Active LOW) Input并行启用（低电平）输入P0P3Parallel Inputs并行输入CEPCount Enable Parallel Input 计数启用并行输入CETCount Enable Trickle Input计数启用涓流输入CPClOCk (Active HIGH Going Edge) Input时钟输入MRMaster Reset (Active LOW) Input主复位（低电平）输入SRSynchronous Reset (Active LOW) Input同步复位（低电平）输入Q0 Q3Parallel Outputs (Note b)并行输出（注b ）TCTerminal Count Output (Note b)终端计数输出（注b ） 选择开关方式真值表如下：CETCEP 工作模式LXXXRESET (Clear)清零HLXXLOAD (Pn Qn)置数HHHHCOUNT (Increment)计数HHLXNO CHANGE (Hold)保持（不变）HHXLNO CHANGE (Hold)保持（不变） 图五：74HC163逻辑引脚图 图六：引脚配置图七：74HC163内部结构框图图八：工作波形图九：状态图 （三）74HC154译码器介绍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。 74HC154是4线16线译码器，它具有：l 16线多路分配功能；l 4位二进制码输入译码至16个互斥输出功能；l 兼容JEDEC标准no.7A；l 其温度范围在-40+85或-40+125；l ESD：（1）HBM（EIA/JESD22-A114D超过2000V）； （2）MM（EIA/JESD22-A115-A超过 200V）。l 将4个二进制编码输入译成16个彼独立的输出之一；l 将数据从一个输入线分配到16个输出的任意一个而实现解调功能；l 输入箝位二极管简化了系统设计；l 与大部分TTL和DTL电路完全兼容。 原理：这种单片4线16线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。当两个选通输入G1和G2为低时,它可将4个二进制编码的输入译成16个互相独立的输出之一。实现解调功能的办法是：用4个输入线写出输出线的地址，使得在一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。当任何一个选通输入是高时，所有输出都为高。下表列出了此译码器的一些操作条件：Symbol符号Parameter参数Value 数值Unit 单位VCCSupply Voltage电源电压2 to 6VVIInput Voltage输入电压0 to VCCVVOOutput Voltage输出电压0 to VCCVTopOperating Temperature:操作温度：-40 to +85tr,tfInput Rise and Fall Time输入上升和下降时间VCC = 2 V0 to 1000nsVCC = 4.5 V0 to 500VCC = 6 V0 to 400 其引脚图、逻辑及封装图如下： 图十：74HC154引脚及功能封装图图 图十一：74HC154逻辑图74HC154的功能表如下：其引脚功能表概括如下：引脚端 NoSYMBOL符号NAME AND FUNCTION名称及功能1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15,16,17Y0 to Y15Outputs输出(Active LOW)低电平18,19G1, G2Enable Inputs(Active LOW)使能输入(低电平)23,22,21,20A to DAddress Inputs地址输入12GNDGround接地(0V)24VCCPositive Supply Voltage电源电压八、所用的原件及器材的清单：种类数量 芯片NE555174HC163AP1CD74HC154EN1电阻300K23001电容0.01uF2LED灯红色彩灯5绿色彩灯5黄色彩灯6电路板SYB-1201开关6A125VAC5九、本次课程设计的心得体会：在做本次课程设计时，我感觉时间过得非常的快，很忙碌但是很充实，虽然在上个学期开始的时候，学校安排了我们进行了两周的实习操作，而在本学期则安排了理论方面的仿真，但是等到自己开始动手的时候才感觉到差别，才发现许多的很重要的细节地方被我们忽略掉了。对于一个课程设计，在我看来可以按照以下顺序来进行：先仔细的阅读课程设计的内容。了解设计的目的、要实现的功能以及本次实验的具体要求，这一步是至关重要的，需谨慎！其次进行电路的大概构思。思考要实现实验要求的功能需要哪一些元器件，以及这些元器件的使用限制，元器件连接的前后顺序；再将电路原理图的大概模型画出来，检查一下是否有错误。在这一步，我们应该翻阅相关书籍，摸透其基本思路。做好了这一步，实验原理的设计就做好了一半。再是进行器件、器件间连接的的细节化处理，使得实验设计臻于完善，完成最后的电路原理图。然后进行此次电路设计的仿真。电路的仿真能够在一定的程度上看出我们所做设计是否合格，但是也不能全部的肯定我们的电路就是完美的了。因为实物与模拟之间是有很大差别的，但是仿真也是不可或缺的一部分。做完了仿真就到了进行实物制作阶段了，然后进入检测调试环节。这一步对于我们来说也是最困难最容易出错的一步。在实物制作的时候，一般会出现许许多多的问题，却不是什么大问题。但有时就是这些小问题令我们的电路不