电气电子毕业设计51常州轻工彩灯循环数字控制电路设计
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电气电子毕业设计51常州轻工彩灯循环数字控制电路设计,毕业设计论文
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毕业设计用纸 1 彩灯循环数字控制电路设计 目录 目录 . 1 一摘要 . 2 Abstract . 2 二目的、要求及任务 . 3 1.设计目的 . 3 2.设计要求 . 3 3.设计任务 . 3 三课题构想 . 3 四方案设计 . 4 1.基本原理 . 4 2.译码器，记数器， 555 定时器及或门和非门 . 4 五单元设计 . 10 1.LED 显示电路 . 10 2.振荡器 . 11 3.记数器 . 12 4.译码器 . 12 5.门电路 . 13 六系统完整的电路及原理说明 . 14 七仿真分析及结果 . 15 八调式过程 . 16 九制作 PCB 板 . 16 十体会 . 19 十一致谢 . 20 十二参考文献 . 21 nts 毕业设计用纸 2 一摘要 循环彩灯的电路很多，循环方式更是五花八门，而且有专门的可编程彩灯集成电路。绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的，例如，用中规模集成电路实现的彩灯控制电路主要用计数器，译码器，分配器和移位寄存器等集成。本次设计的循环彩灯控制器就是用计数器和译码器来实现， 其特点是控制器来控制四组发光二极管，使其能循环发光。 关键词： 计数器，译码器，集成 Abstract Circulate the electric circuit of the colorful light a lot of, circulate the way is more multifarious, and has specialized programmable colorful light integrated circuit. The colorful light control electric circuits of the great majority all carry out with the numerical electric circuit of, for example, the colorful light control electric circuit that uses a medium scale integrated circuit realization mainly uses to count a machine, translating the code machine, assigning a machine and moving to deposit a machine etc. integration. This designs circulating colorful light controller is to use to count a machine and translate the code machine to carry out, its characteristic is that control four groups of light diodes by the controller, let them give out circulating. Keywords： count a machine, translating the code machine, integration， light diode nts 毕业设计用纸 3 二目的 、 要求及任务 1.设计目的 (1) 深入理解掌握数字电子技术的基本原理，数字电路的设计分析方法。 (2) 进一步熟悉掌握 LSI、 MSI 集成数字电路功能、引脚及其使用方法。 (3) 学习了解数字电路的组装技术与技巧，组装工艺。 (4) 了解数字电路的测试方法，学会数字电路故障的分析和排除。 2.设计要求 1. 拟定四位数码状态序列循环变化方法及其产 生方案。 2. 画出电路框图、原理图，并选用 LSI、 MSI 数字集成电路对之进行设计。 3. 组装所设计的电路，并采用适当方法对其功能进行测试，分析排除可能产生的各种故障。 4. 总结自己所进行的研究设计及组装调试工作，撰写课程设计论文。 3.设计任务 首先根据个人审美，将四组不同颜色的彩色发光二极管布置成各式各样图案。 然后选用熟悉的 LSI、 MSI 数字集成电路，设计并组装一数字电路产生四位二 进制数码对彩灯进行控制，每一位控制一组彩灯的亮灭。要求电路所产生的四 位二进制数码以最佳状态序列循环变化，使彩 灯发光并形成多种多样的美丽动 感的画面。 三课题构 想 1本课题的目的是用中小规模的集成电路即用计数器和译码器来控制循环变化的四组彩灯。 2 输出有四路分别为 S1， S2， S3， S4，分别有 1 个， 2 个， 3 个， 4 个发光二极管。 3用 同步四位二进制 计数器的异位置零端 将输出的第 14 种到第 16 种状态nts 毕业设计用纸 4 除去。也就是说四位二进制计数器 改为 13 进制的计数器。 4用译码器将这 13 种状态译出，来控制 S1， S2， S3， S4。 5对于电路的改善，用简单的门电路作延时部分。 四 方案设计 1.基本原理 1 设计任务中所要求的 3 种循环方式并不复杂，用中小规模集成电路 就能实现。本控制应由方式选择，振荡器，控制电路，延时电路， 等组成，其框图如图 1 所示： ： （图 1） 彩灯循环数字控制电路设计与实现的原理框图 1 设 计电路的状态序列： 2.译码器，记数器 ， 555 定 时器 及或门和非门 震荡器 译码器 记数器 门电路 LED显示 1101 0110 1011 11010 0011 0010 1010 0101 nts 毕业设计用纸 5 1 本设计采用 74LS138 集成块作为译码器。该译码器的功能表如下： 74LS138 与 74HC 的引脚图 1， 2， 3脚为输入端， 16 脚 接电源， 8 脚 接地端， 7， 15， 14， 13， 12， 11，10， 9脚为输出端，而 4， 5， 6脚为附加的控制端。当 S1=1. =0时， Gs输出为 高电平 （ S=1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如上表所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多片连接起来以扩展译码器的功能。将 A2A1A0作为“地址“输入端，那么从 S1送来的数据只能通过由 A2A1A0 所指定的一根输出线送出来。例如当 A2A1A0=101时，门 G5的输入端除了接至 Gs输出端的一个以外全是高电平，因此 S1的形式从 输出，而不会被送到其他任何一个输出端上。 2 本设计的计数器用的是 74160 集成块。 它的功能表如下： 计数 顺序 电路状态 等 效十进制数 输出 C Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 2 0 0 1 0 2 0 3 0 0 1 1 3 0 nts 毕业设计用纸 6 4 0 1 0 0 4 0 5 0 1 0 1 5 0 6 0 1 1 0 6 0 7 0 1 1 1 7 0 8 1 0 0 0 8 0 9 1 0 0 1 9 1 10 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 10 0 1 1 0 1 1 11 1 2 0 1 1 0 6 0 0 1 1 0 0 12 0 1 1 1 0 1 13 1 2 0 1 0 0 4 0 0 1 1 1 0 14 0 1 1 1 1 1 15 1 2 0 0 1 0 2 0 74160 的引脚图如下所示： 3， 4， 5， 6 脚为输入端， 14， 13， 12， 11 脚为输出端， 9 脚为置数端， 2脚为输入时钟信号端， 1 脚为 置零端， 7， 10 脚为控制端， 15 脚为进位端。当CLR 短为低电平时，输出信号无条件置为低电平。当 LD 端为低电平时，等下一个电平到来时，输出信号无条件置为低电平。 当 PE， TE 端分别为 0， 1时输出信号保持不变，且进位端也不变；为 X， 0时输出信号保持不变且进位信号置为 0；只有当 PE， TE 端都为 0时计数器才开始记数。本设计就是利用计数器的异步置数端，用置数法将十进制的计数器改进成八进制的计数器。 3 本设计的 555 定时器采用的是 CB555 集成块。它的功能表如下： 输入 输出 nts 毕业设计用纸 7 0 低 导通 1 低 导通 1 不变 不变 1 高 截止 1 高 截止 CB555 定时器的引脚图如下： 1 脚为接地端， 2 脚为比较器 C2 的输入端。 3 脚为输出端。 4 脚为置零端。5 脚为控制电压输入端。 6 脚为比较器 C1 的输入端。 7 脚为三极管的集电极输出端。 8 脚为电源。 设 TR1 端的电压为 VI2， THR 端的电压为 VI1， C1 和 C2 的电压比较的基准分别为 VR1， VR2， VC1 和 VC2 分别为比较器 C1， C2 的输出电压。 当 VI1 VR1， VI2 VR2 时， VC1=1， VC2=1，触发器的状态保持不变，因而 TD 和输出的状态也维持不变。 当 VI1 VR1， VI2 VR2 时， VC1=1， VC2=0，所以触发器被置 1， Vo 为高电平，同时 TD 截止。 当 VI1 VR1， VI2 VR2 时， VC1=0， VC2=0，触发器处于 Q=Q 反 =1 的状态， Vo 处于高电平，同时 TD 截止。 4或门和非门 本设计的或门采用的是 CT74LS32。 74LS32 的引脚图如下所示： nts 毕业设计用纸 8 74LS32 的特点如下： 上表为它随温度变化的特性。 上表为 74LS32 的安全系数。 本设计的 非门采用 74LS04， nts 毕业设计用纸 9 nts 毕业设计用纸 10 五 单元设计 1.LED 显示电路 LED 显示电路如图 3 所示。 nts 毕业设计用纸 11 O15 O14 O13 O12 O11 O10 O9 O8 O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 图 3 LED 显示电路 O0） O15 为译码器的输出。 4514 共有 16 个输出，而双色发光二极管只有 8个，因此每两个输出接同一个发光二极管，接法如图 3 所示。发光二极管为双色三极发光二极管，其限流电阻有 3 种连接方法（ 16 个限流电阻， 8 个限流电阻，1 个限流电阻），本控制器采用 8 个限流电阻的方法。发光二极管的极限 电流一般为 2030mA，发光二极管的压降约为 2V，通过发光二极管的电流可取为1015mA，以保证发光二极管有足够的亮度，而且这样又不易损坏发光二极管。 2.振荡器 振荡器有多种振荡器电路，图 4 所示的振荡器比较简单常用 ，其中 左 图为CMOS 非门构成的振荡器， 右 图为 555 构成的振荡器。 CMOS 非门构成的振荡器的振荡周期 T=1.4RC， 555 构成的振荡器的振荡周期 T=0.7（ R1+2R2） C。 比较两个振荡电路： 左边的用两个反相器和积分延时电路组成的振荡器虽然简单，但是功能nts 毕业设计用纸 12 少， 操作也麻烦， 不易于改装。而 右边的振荡器是由 555 定时器和电容，电阻组成的振荡电路，由于 555 定时器有置零端使操作方便，而且 555 定时器还可以改装成单稳电路和施密特触发器。所以我们选择用右边的振荡电路来做振荡器。 3.记数器 计数器的连接如下图所视： 将输入信号 A， B， C， D，和 GND 全部接地。 将置零端 CLR，电源端VCC，及附加控制端 ENP， ENT 端都接高电平 。时钟信号输入端 CLK 接振荡器输出的信号。 再将最高位的输出信号经反相后接到置数端 LOAD,用最高位的输出信号来控制置位 。当计数器记到 9 时，最高位输出为高电平，经反相变为 低电平，而置数端为低电平有效。等下一个电平到来时，计数器将输入端的信号直接复制到输出端，即输出又回到 0000。这样就把十进制的计数器变为了八进制的计数器。 4.译码器 译码器的连接电路如下所示： nts 毕业设计用纸 13 A， B， C 脚接计数器的输出信号， G2A， G2B和 GND 端都接地。 G1，和 Vcc 端接电源 Y0 Y7 为译码器的输出端。输出端和门电路相连后作整个电路的输出。输入三位二进制数码，控制输出的八种状态。 5.门电路 门电路的连接电路如下所示： 门电路由非门和或门组成，将 译码器的输出信号变为我们想要的 八个组态。 nts 毕业设计用纸 14 六 系统完整的电路及原理说明 系统完整的电路图如上所示。 原理： 整体的原理为打开电源后，先是振荡器工作产生计数器的时钟信号，计数器是由十进制的计数器改进而成的八进制的计数器，它产生了 8种二进制数码。然后由译码器将这八种数码译出，使得输出的信号随时钟有规律的变化。然后门电路利用译码器输出信号的变化规律， 转化为四个控制信号来控制四个发光二极管，使二极管随着时钟信号按我们设计的状态序列变化。 具体的说来， CB555 组成的振荡电路产生连续不断的时钟信号给计数器进行记数。计数器 74160 为十进制的记数器 ，通过它的异步置数端将十进制的计数器转化为八进制的计数器。输出的信号为：第一个时钟到来时 输出 000，第二个时钟到来时输出为 001 以次类推第三个到第八个时钟来时的输出信号。 本设计的译码器用的 74LS138， 由 该 译码器的功能表 可知，当计数器输出为 000时，译码器输出为 Y0 为 0， Y1 到 Y7 都输出1，当计数器输出为 001时，译码器输出为 Y1 为 0其余的输出都为1 .要让译码器的输出变为控制二极管的控制信号，我们插入了门电路，当第一个时钟信号到来时， 要 达到的状态为 1001即使二极管 Q0 和 Q3亮而其他的两个灯都不亮 ，我们将 Y0 的输出接反相器后，引两个信号到二极管 Q0 和 Q3，使 Q0 和 Q3 在第一个时钟信号到来时发光。当第二个时钟信号到来时， Y1 输出为 0其余的输出都为 1， 要达到的状态为 0011即使二极管 Q2 和 Q3 都发光，而其他的两个二极管都不亮。我们将 Y1 接反相器后，引两个信号 到二极管 Q2 和 Q3，使 Q2 和 Q3 在第二个时钟信号到来时 发光。 当第三个时钟信号到 来时，要达到的状态为 0110即使二极管nts 毕业设计用纸 15 Q1 和 Q2 亮而其他的二极管不亮，我们将 Y2 的输出接反相器后，引两个信号到二极管 Q1 和 Q2，使 Q1 和 Q2 在第三个时钟信号到来时发光。 同理当第四，五，六，七，八个时钟信号到来时，分别将 Y3 接非门后接二极管 Q0，Q2 和 Q3；将 Y4 接非门后接二极管 Q0， Q1 和 Q3； 将 Y5 接非门 后接 二极管 Q0 和 Q2；将 Y6 接非门后接二极管 Q1 和 Q3；将 Y7 接非门后接二极管Q2。将这些线用非门和或门连接好。这样每个译码器的输出都接了一个非门后再用或门连接。当一个时钟信号到来时译码器只有一个输出为低电平， 输出信号全部都反相了，即只有一路信号能使二极管发光 而其他路都为低电平不起作用。 七 仿真分析及结果 1 从元器件库中 调出各种电阻、电容、集成块 . 发光二级管等元器件 ,元器件调出后， 对元器件的位置进行调整，使布局比较合理。循环彩灯控制 电路在 EWB 上的仿真电路如下图所示： 由于计数器和门电路要一定的时间才能反映过来所以通过调节振荡器的电阻和电容，使时钟信号达到我们的要求，使门电路和计数器来得急反映，使发光二极管的变化容易观察。 在画原理图时要注意，由于 CMOS 集成电路的输入端不允许悬空，因此应工具逻辑要求将不用的输入端接高电平或低电平，如 4013 的 CP1， D1 不用，应接地， 4516 的 MR， CE 接地， 4514 的数据锁存 端 EL 接电源，禁止端 E 接地。 2仿真结果 当闭合电源开关时，发光二极管就按下表发光。 CP 信号 Q0 Q1 Q2 Q3 1 亮 暗 暗 亮 2 暗 暗 亮 亮 nts 毕业设计用纸 16 3 暗 亮 亮 暗 4 亮 暗 亮 亮 5 亮 亮 暗 亮 6 亮 暗 亮 暗 7 暗 亮 暗 亮 8 暗 暗 亮 暗 八 调式过程 搭完毕后检查是否有多线，少线错线，元器件的位置。极性是否正确，检查正确后再通电调试。三脚双色发光二级管中间的最长脚为公负极，第二长脚为红色正极，最短的脚为绿色正极。通电调试主要从以下几个方面 进行： 1). 检查振荡器是否振荡。如果双色发光二级管灯亮并且左右移动，说明振荡器工作；如果双色发光二级管只有固定的一盏灯亮，则应检查振荡器是否振荡。用示波器检查振荡器的输出，或用指针式万用表直流电压挡测量振荡器输出。如果示波器能检查出振荡波形，或万用表指针左右摇摆，则说明振荡器已经工作。 2). 观察计数器能否计数，若不能计数，检查 C4 是否接错或已经损坏，若置数得的时间太久（ LED7 绿灯两地太久），则应减少 C4 的容量或 R19 的阻值。接循环方式 C，检查计数器能否置零，若不能，检查 C3， R5 等元器件。 3）观察是否有线路不通或存在短路的可能，要一一进行排除。这样才能使电路正常工作。 九 制作 PCB 板 1 仿真确定电路无误后就开始做 PCB 板。按照仿真过的电路在 PROTEL软件中先绘制其 原理图。原理图如下所示： nts 毕业设计用纸 17 2经 ERC 检测后，将做好的原理图制成网表。然后再新建一个 PCB 图。将网表导入 PCB 图中。 这样就导入了，当然我们根据板子的大小和美观我们对导入的元件进行了合理的布局。得到了如下图所示的 PCB 图： nts 毕业设计用纸 18 3 做好了 PCB 图后，接下来我们就按照做板子的程序 进行制作。先将 PCB图打印出来 . 4.原理图常见错误： （ 1） ERC 报告管脚没有接入信号： a. 创建封装时给管脚定义了 I/O 属性； b.创建元件或放置元件时修改了不一致的 grid 属性，管脚与线没有连上； c. 创建元件时 pin 方向反向，必须非 pin name 端连线。 （ 2）元件跑到图纸界外：没有在元件库图表纸中心创建元件。 （ 3）创建的工程文件网络表只能部分调入 pcb：生成 netlist 时没有选 global。 （ 4）当使用自己创建的多部分组成的元件时，千万不要使用 annotate. 5.PCB 中常见错误： （ 1）网络载入 时报告 NODE 没有找到： a. 原理图中的元件使用了 pcb 库中没有的封装； b. 原理图中的元件使用了 pcb 库中名称不一致的封装； c. 原理图中的元件使用了 pcb 库中 pin number 不一致的封装。如三极管： sch中 pin number 为 e,b,c, 而 pcb 中为 1， 2， 3。 nts 毕业设计用纸 19 （ 2）打印时总是不能打印到一页纸上： a. 创建 pcb 库时没有在原点； b. 多次移动和旋转了元件， pcb 板界外有隐藏的字符。选择显示所有隐藏的字符， 缩小 pcb, 然后移动字符到边界 内。 （ 3） DRC 报告网络被分成几个部分： 表示这个网络没有连通，看报告文件，使用选择 CONNECTED COPPER 查找。 另外提醒朋友尽量使用 WIN2000, 减少蓝屏的机会；多几次导出文件，做成新的 DDB 文件， 减少文件尺寸和 PROTEL 僵死的机会。如果作较复杂得设计，尽量不要使用自动布线。 元件清单： 名称 型号 数量 参数 计数器 74LS160 1 / 定时器 CB555 1 / 译码器 74LS138 1 / 或门 74LS32 3 / 非门 74LS04 2 / 电容 C / 1 22uf 电容 C1 / 1 0.01uf 发光二极管 / 19 / 电阻 R / 1 5.1 欧姆 电阻 R1 / 1 1K 欧姆 十 体会 在课程设计的过程中，较多的时间是用来查阅资料，因为还是第一次做电子课程设
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