三色跑灯控制器.doc

赣南师院物理与电子信息学院课程设计报告书姓名： 张联飞 班级： 电子科学与技术06级 学号： 060803036 时间： 2008年 12月 31 日 论文题目三色跑灯控制器课程论文要 求1.电路要有20个发光二极管，其中红色10个，绿色10个分为两排跑灯；2.两排跑灯中，任意时刻都只能有一个灯熄灭；3.跑灯在跑动时两排都是一个接一个熄灭；4.两排跑灯在跑动过程中，对应的一排两个灯不能同时熄灭，以保证可以看到三色灯；5.跑灯的跑动速度可调。目 录前 言4一、方案设计与论证51.1方案一、用焊接电路板验证实验51.1.1用555产生的脉冲震荡信号控制发光二极管的亮灭。51.1.2 用CD4017芯片控制着发光二极管61.1.3 具体的总的方案及电路图61.2方案二 、用MAX+plus II软件进行仿真调试81.2.1 设计原理和要求81.2.2 CD4017引脚功能芯片81.2.3 CD4017内部电路图及引脚图及其功能101.2.4 在MAX+plus II软件中具体的的实验总电路图11二、方案选择（选方案二）12三、安装与调试步骤123.1 安装步骤123.2 调试13四、结论与心得134.1 结论134.2 心得体会14五、参考文献15设计过程前 言电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。 在许多领域中控制器均得到普遍应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机，还可以用来做为各种药丸、药片，胶囊在指定时间提醒用药等等，由此可见控制器在现代社会的应用是相当普遍的。焊接电路板比较用MAX+plus II软件来说成本高，不容易修改，等缺点。 在三色跑灯控制电路中，规定了电路要有20个发光二极管，其中红色10个，绿色10个分为两排跑灯；两排跑灯中，任意时刻都只能有一个灯熄灭；跑灯在跑动时两排都是一个接一个熄灭；两排跑灯在跑动过程中，对应的一排两个灯不能同时熄灭，以保证可以看到三色灯；跑灯的跑动速度可调。设计主要要完成两排跑灯中，任意时刻都只能有一个灯熄灭，跑灯在跑动时两排都是一个接一个熄灭；两排跑灯在跑动过程中，对应的一排两个灯不能同时熄灭。 整个电路的设计借助于Multisim仿真软件以及数字电路相关理论知识，并在Multisim下设计和进行仿真，得到了预期的结果。主要使用了MAX+plus II软件及其实验箱来进行设计实验验证。一、方案设计与论证1.1方案一、用焊接电路板验证实验1.1.1用555产生的脉冲震荡信号控制发光二极管的亮灭。根据设计任务要求设计一个跑动速度可调的一个双排20跑灯电路，并且两排不能相应的两灯同时熄灭。为了满足设计要求，我们可以用555时基电路集成块组成一个多谐振荡电路来产生脉冲震荡信号，然后再用两块十进制计数器/分配器CD4017，分别用它10个输出端接上10个发光二极管，芯片555产生的脉冲震荡信号通过CD4017控制发光二极管的亮灭。 555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。本课程设计中利用它构成多谐振荡器，即将Vi1和Vi2连在一起接成施密特触发器，然后再将Vo经RC积分电路接回输入端就可以了，为了减轻门G4的负载，在电容C的容量较大时不宜直接由G4提供电容的充、放电流。为此，在下图中将TD与R1接成一个反相器，它的输出VO与VO在高、低电平状态上完全相同，由此接成多谐振荡器。此电路中，电容上的电压VC将在VT+与VT-往复震荡，VC和VO的波形由VC的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间T2各为故电路的震荡周期为：T=T1+T2=（R1+R2）CLn2震荡频率为:f=1/T=1/(R1+2R2)CLn2故电路的震荡周期为：T=(R1+2R2)Cln2 震荡频率为：f=1/T=1/(R1+2R2)Cln2通过改变滑动电阻器R2的参数即可以改变震荡频率。上图中改变范围的大小为：当滑动电阻器滑片滑上最下端时，频率最高，为fmax=1/Tmin=3HZ当滑动电阻器滑片滑向最上端时，频率最低，为fmin=1/Tmax=1HZ因此电路的震荡频率为13HZ。1.1.2 用CD4017芯片控制着发光二极管CD4017两片芯片的Q0Q9输出端分别控制着发光二极管D1D10及D11D20的亮灭，14号脚接芯片555输出的脉冲信号，控制CD4017输出端Q0Q9的高低电平，使每一时刻每个CD4017的输出端有一个高电平输出。1.1.3 具体的总的方案及电路图在上图中，IC1为555时基电路，它组成多谐振荡器。IC2及IC3为十进制计数/分配器CD4017。当IC1产生的脉冲振荡信号输出给IC2，IC3的CLK端时，IC2及IC3便开始同步计数输出。IC2的Q0Q9输出端分别连接10只红色发光二极管LED1LED20的负极，各发光二极管的正极连接在一起，通过R2接电源正极。当IC2IC3计数时，其输出端Q0Q9便会依次出现高电平，使所对应的发光二极管熄灭，而其余处于低电平输出端的相应连接的发光二极管被点亮。由于IC2的Q0Q9输出端分别与IC3的Q1Q0端一一对应相连，这样使得每两个相对应的输出的红绿色光二极管组成了一个变色管，当该变色管中的红、绿发光二极管同时被点亮时，变色管便会橙色。在IC2IC3的各输出端中，在任意时刻，它们总会有一个输出端输出高电平，而其余输出端均为低电平，所以在IC2、IC3的每两个对应的输出端同为低电平时，该两个对应输出端上所连接的发光二极管成为变色管，发出橙色光。当每两个对应输出端的一个为高电平，另一个为低电平时，该高电平使变色管中的某色发光二极管熄灭，而使该变色管呈现出低电平输出端所连接的发光二极管显示出的相应颜色的光来。因为IC2、IC3的高电平输出端不同时处于同一只变色管中，因此每一只变色管均不会因为其中两只红、绿发光二极管同时熄灭，而无颜色显示。当IC2、IC3的高电平处于两个变色管的相应端时，使两只变色管分别显示出绿色、红色，并随着两个高电平依次跃进，该红、绿两色跑灯也随之跑动显示，而其余变色管均呈现橙色，因此电路将呈现出红、绿两色跑灯在橙色背景下显示跑动的情景。调节RP1，可改变IC1振荡电路的频率，使它在13HZ内变化，使跑灯因跑动速度不同而呈现各种不同的效果。由于硬件的成本高，而且芯片不容易买到，所以不使用以上方案进行最终的实验验证。1.2方案二 、用MAX+plus II软件进行仿真调试1.2.1 设计原理和要求根据设计任务要求设计一个跑动速度可调的一个双排20跑灯电路，并且两排不能相应的两灯同时熄灭。而且可控其变化速度，为了满足设计要求，我们可以用MAX+plus II软件画出CD4017的内部电路图，进行仿真，调试。由于MAX+plus II软件中没有CD4017，可以通过画出其内部电路图来实现电路图。原理和硬件进行验证相似，在实验过程中没有用到555定时器，实验脉冲由实验箱供给，从而实验更加简单，容易。1.2.2 CD4017引脚功能芯片CD4017引脚功能芯片有10个译码输出Q01Q91; MR为清零端,CPO和CP1是2两个时钟输入端,3个输出控制端:Y0、Y1、Y2。每个译码输出一般处于低电平，且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平；每个高电CD4017内部电路图及引脚图如上图平输出维持一个时钟周期；每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲，因而进位信号可作为下一级计数器的时钟信号，在清零端加高电平或正脉冲时，只有输出端为高电 平，其余各输出端都作为低电平“0”。11.2.3 CD4017内部电路图及引脚图及其功能CD4017引脚功能芯片有10个译码输出Q0Q9; MR为清零端,CPO和CP1是2两个时钟输入端,3个输出控制端:Y0、Y1、Y2。每个译码输出一般处于低电平，且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平；每个高电平输出维持一个时钟周期；每输入10个时钟脉冲，输出一个进位脉冲，因而进位信号可作为下一级计数器的时钟信号，在清零端R加高电平或正脉冲时，只有输出端Q0为高电平，其余各输出端都作为低电平“0”。CD4017的真值表如下：时钟时钟允许复位输出状态LXXXXXHXLXLLHLLLL不变不变计数器复位Q0=H，Q1Q9=L进入下一级不变进入下一级 1.2.4 在MAX+plus II软件中具体的的实验总电路图在使用MAX+plus II软件时，找出电路图的错误是十分容易的。电路图只有三个输入分别接高电平与时钟脉冲控制电路的开始和发光二极管的亮灭和其亮灭的速度，从而实现电路的设计要求。 调试的过程是要分别在不一样的脉冲速度下实现不同的速度保证能实现电路设计。在接线时，为实现电路的设计要求，进行一些输出的修改，从而实现设计要求。二、方案选择（选方案二）用MAX+plus II软件进行实验，电路图中少了使用到555定时器，由实验箱提供脉冲信号，一定程度上降低了实验的难度，从而使设计更简单，方便，快速，减少了很多使用硬件上的可能容易出错的地方，用焊接电路板验证设计，焊接出错的可能性更大，不容易修改等，由于各种条件限制，选用方案二进行设计验证。三、安装与调试步骤3.1 安装步骤 1、打开MAX+plus II软件，启动File/New菜单，新建文件，选择Graphic Editor File ，单击OK按钮，进行原理图编辑。 2、选择芯片型号，然后选择Start开始编译，生成下载文件。3、电路仿真与时序分析，选择MAX+plus IICompiler菜单，进入编译功能。4、管脚的重新分配与定位，启动MAX+plus IIFloorplan Editor菜单命令，出现芯片管脚自动分配画面。 5、按图在实验箱上进行连接，实现设计要求。 6、得到的电路仿真结果波形图如下：3.2 调试在实验的过程中，需要调节发光二极管的亮灭速度，在调节时，应该有规律的调节，方能更好的看到实验得到的结果是否符合设计要求，应该调节输入的时钟信号。连接的接线在实验前应该整理好，挑出不符合要求的电线，检查发光二极管是否正常。四、结论与心得4.1 结论（1）、利用555定时器可接成多谐震荡电路时，先将555接成施密特触发器，再将施密特触器的反向输出端经RC积分电路接回到它的输入端，就构成多谐震荡器。CD4017每一时刻Q0Q9只有一个高电平输出，NE5553的时钟信号从3号脚输出，送到CD4017的CLK端，控制CD4017的高电平输出的引脚从Q0到Q9发生跳动。（2）、用MAX+plus II 10.2软件进行仿真调试，要先确定电路图的正确，在软件里画出电路图，保证电路图没有错误，由于软件里没有找到CD4017，所以需画出其内部电路图，最后在进行仿真和在实验箱上进行验证。（3）、虽然焊接电路板验证可以更形象的体现出设计要求，但条件的限制，使得最终使用MAX+plus II软件和其实验箱进行设计验证。4.2 心得体会通过这次课程设计，使我受益匪浅。既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片的使用。在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。同时，也培养了我认真严谨的工作作风。在此次课程设计中，我们将课本理论知识与实际应用联系起来。按照书本上的知识和老师讲授的方法，首先和同学一起分析研究此次电路设计任务和要求，然后按照分析的结果进行实际连接操作，检测和校正，再进一步完善电路。在其中遇到一些不解和疑惑的地方，还有出现的一些未知问题，我们都认真分析讨论，然后对讨论出的结果进行实际检测校正，对一些疑难问题我们也认真向老师询问请教，和老师一起探讨解决。使用MAX+plus II 10.2软件进行仿真调试能使我们的实验与设计更加简单快捷。通过此次电路设计，我们加深了对课本知识的认识理解，对电路设计方法和实际电路连接也有了一定的初步认识。同时通过这次课程设计，还认识到拿到一个课程设计任务后，入手的问题就是规划多种设计方案，并从中选择一种实施方案。方案的选择是十分重要的，只有采用了优秀的设计方案才能制作出优秀的设计产品。对没有经过仔细论证的设计方案就盲目的下手做设计，往往会在设计过程中走许多弯路，或者根本得不到预期的效果。实践是检验理论知识的唯一标准。有时候由理论数据得出的结果可行，但在实际操作中不一定完全可行。正如这个课程设计，当电路按照理论焊接出来后，功能并没有完全实现，这与电路板布线和组合逻辑电路等因素有关。电路的合理布局可以让电路更美观，而且这样可以使电路出错时花最少的时间检查出错的地方所在，所以在课程设计中我们不能有一点的马虎。理论知识需要实践作为奠基，所以只有在实践中才能检验出来理论的正确性。在课程设计的过程中，我觉得软件进行设计比硬件更加方便快捷，成本更低，在出现问题时更改更容易，从而使设计效率大大的提高，但由于软件是已经确定下来的逻辑，对创新没有太大的好处，软件与硬件的结合，才能更好的为设计服务，从而达到我们设计的要求。总之，这次课程设计收获是很大的。通过这几天的努力，我终于设计并调试出“三色跑灯控制器”电路，从开始的无从下手到处查阅资料，到试着开始设计各个单元电路，再到细节问题的处理及改进，每一步都是一大提高。在设计中困难重重，特别是许多的细节问题很是棘手。但是结果证明，只要不断的努力，不断的思考是一定能实现目标的。五、参考文献1、数字集成电路应用300例黄继昌 编著北京 人民邮电出版社2、数字电子技术基础 阎石 主编 高等教育出版社3、电子线路设计、实验、测试