数字电路课程设计之四花样彩灯控制器

1 课程设计说明书课程设计说明书 课程设计名称 课程设计名称 数字电路课程设计数字电路课程设计 课程设计题目 课程设计题目 四花样彩灯控制器四花样彩灯控制器 学学 院院 名名 称 称 信息工程学院信息工程学院 专业 专业 班级 班级 学号 学号 姓名 姓名 评分 评分 教师 教师 2020 年年 月月 日日 2 数字电路 课课程程设设计计任任务务书书 2020 1212 2020 1313 学年学年 第第 一一 学期学期 第第 6 6 周 周 7 7 周周 注 1 此表一组一表二份 课程设计小组组长一份 任课教师授课时自带一份 备查 2 课程设计结束后与 课程设计小结 学生成绩单 一并交院教务存档 题目题目四花样彩灯控制器 内容及要求内容及要求 基本要求 设计一四花样自动切换的彩灯控制器 要求实现 1 彩灯一亮一灭 从左向右移动 2 彩灯两亮两灭 从左向右移动 3 四亮四灭 从左向右移动 4 从 1 8 从左到右逐次点亮 然后逐次熄灭 5 四种花样自动变换 主要参考元器件 555 74LS93 74LS74 74LS153 74LS164 进度安排进度安排 1 布置任务 查阅资料 选择方案 领仪器设备 2 天 2 领元器件 制作 焊接 3 天 3 调试 验收 2 5 天 4 提交报告 2012 2013 学年第一学期 9 13 周 学生姓名 指导时间 第 6 7 周指导地点 E 楼 室 任务下达2012 年 月 日任务完成20 12 年 月 日 考核方式1 评阅 2 答辩 3 实际操作 4 其它 指导教师 系 部 主任 3 目目 录录 前言前言 第一章第一章 设计要求设计要求 1 1 设计课题及要求 第二章第二章 系统组成及工作原理系统组成及工作原理 2 1 系统组成框图 2 2 工作原理分析 第三章第三章 电路方案设计电路方案设计 3 1 电路图设计 3 2 方案比较 第四章第四章 单元电路设计与计算单元电路设计与计算 4 2 四种码产生电路 4 3 彩灯自动转换控制电路 4 4 花样输出电路 第五章第五章 实验 调试及测试结果分析实验 调试及测试结果分析 结论结论 参考文献参考文献 4 第一章第一章 设计要求设计要求 1 11 1 设计课题及要求设计课题及要求 一 一 题目 题目 四花样彩灯控制器 二 二 基本要求基本要求 设计一四花样自动切换的彩灯控制器 要求实现 1 彩灯一亮一灭 从左向右移动 2 彩灯两亮两灭 从左向右移动 3 四亮四灭 从左向右移动 4 从 1 8 从左到右逐次点亮 然后逐次熄灭 5 四种花样自动变换 三 主要参考元器主要参考元器 NE555 定时器 模十六计数器 74LS161 双 D 触发器 74LS74 与门 74LS08 非门 74LS04 四选一数据选择器 74LS153 八位移位寄存器 74LS164 5 第二章第二章 系统组成及工作原理系统组成及工作原理 2 12 1 系统组成框图系统组成框图 把四花样彩灯设计分为几个独立的功能模块进行设计 每一个模块完成特定 的功能 再把它们有机的组织起来构成一个系统完成彩灯控制器的设计 系统可 由四个模块组成 它们分别是 四种码产生电路 开关电路 数据输出 时钟 电路 设计框图如图 2 1 所示 各模块的组成及功能分析 1 1 四种码产生电路 由模十六计数器 74LS161 与门 74LS08 和非门 74LS04 组成 计数器的四个输出端接组合逻辑门从而产生四种码 2 2 自动转换控制电路 由双 D 触发器 74LS74 和四选一数据选择器 74LS153 组成 双 D 的两输出端接数据选择器的地址输入端 它能产生两位循环二进制 分频计数器 数据选择器 移位寄存器 多谐振荡器 多谐振荡器 多谐振荡器开关电路输 出 图 2 1 系统组成框图 6 码 每改变一种状态 数据选择器选择一种码输出 使彩灯花样自动循环 3 3 数据输出电路 由八位移位寄存器 74LS164 和八个彩灯组成 选择输出 的每一种码输入到寄存器的数据输入端 使码在寄存器的八个输出端自左向右 移动 实现彩灯的花样 4 4 时钟电路 由两个 555 和电阻电容组成 构成两个多谐振荡器 一个周 期为 0 721 秒 控制计数器和寄存器 另一个周期为 14 01 秒 控制双 D 触发 2 22 2 工作原理分析工作原理分析 从多谐振荡器出来的脉冲信号分为两路 一路作为计数脉冲送到模十六计 数器 另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器 调节多谐振荡器的电阻可以 改变震荡频率 即改变彩灯移动的速度 得到不同的动态效果 多谐振荡器 双 D 触发器 数据选择器共同组成一个电子开关 多谐振荡 器输出的计数脉冲经双 D 触发器两位二进制计数器 在它的两个输出端得到 00 01 10 11 四种逻辑状态 这四个状态作为数据选择器的四个数据通道选 择信号 对应从模十六计数器输送到数据选择器的 QA QB QC QD 四个分频信 号 其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关 当双 D 触发器输出为 00 时 数据选择器输出 10000000 序列脉冲 为八分频信号 实现花样一 为 10 时 数据选择器输出 11000000 序列脉冲 为八分频信号 实现花样 二 为 01 时数据选择器输出 11110000 序列脉冲 为八分频信号 实现花 样三 为 11 时数据选择器输出 1111111100000000 序列脉冲 为十六分频 信号 实现花样四 调节开关电路的 CP 脉冲产生电路的电阻 可以改变开关的 切换时间用以选择每种花样出现时间的长短 数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端 在时钟脉冲的作用下 数据 在移位寄存器的八位并行输出端从 Q0 到 Q7 顺序移动 移动的八位控制信号直 接控制发光二极管的亮灭 就出现了八路四花样自动循环切换的流水彩灯 7 第第 3 3 章章 电路方案设计电路方案设计 循环彩灯电路设计方案有多种 这里考虑以下两种方案 方案一 方案一 用模十六计数器 74LS161 的输出端的最高位 QD作为双 D 触发器的时钟 可 以少用一个 555 定时器 计数器每计八个数 QD由低电平变为高电平 双 D 触 发器的状态改变 四选一数据选择器 74LS153 选择下一种码输出 彩灯变为另 一种花样 以后四种花样循环改变 如图 3 1 所示 图 3 1 比较方案 1 电路图 该方案设计原理符合逻辑 简单易懂使电路更清晰 增强了电路的可靠性 故选择该方案 U1A74LS04D 2 1 U1B 74LS04D 4 3 U1C 74LS04D 6 5 U1D74LS04D 8 9 U2B 74LS08D 4 5 6 U2C 74LS08D 9 10 8 U4 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 74LS153D U6 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 A 1 B 2 CLR 9 CLK 8 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 74LS164D 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 U3 74LS161D U7A 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 3 1PR 4 74LS74D U7B 2D 12 2Q 9 2Q 8 2CLR 13 11 2PR 10 74LS74D 8 方案二 方案二 该方案采用的是单片机原理 需要连的线比较少 图纸简洁 重在编程环 节 因而容易实现四花样自动切换的彩灯控制器的设计 但是 只看原理图是 不好理解设计思路的 尤其是在没有学过单片机的情况下 故不采用该方案 电路图如下 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 U1 80C51 R1 1k Q1 PNP LS1 SPEAKER 5V X1 CRYSTAL C1 22p C2 22p 5V C3 10u R2 2k R3 220R R4 220R R5 220R R6 220R R7 220R R8 220R R9 220R R10 220R D1 LED BLUE D2 LED GREEN D3 LED RED D4 LED YELLOW D5 LED BLUE D6 LED GREEN D7 LED RED D8 LED YELLOW 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 5V 模模式式控控制制键键 加加速速 减减速速 显显示示当当前前模模式式 图 3 2 比较方案 2 电路图 9 第四章第四章 单元电路设计与计算单元电路设计与计算 4 14 1 时钟脉冲产生电路时钟脉冲产生电路 时钟脉冲产生电路由 555 定时器 两个电阻和两个电容构成 555 定时器 是一种多用途的数字模拟混合集成电路 利用它可以方便的构成施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器 由于使用灵活 方便 所以 555 定时器在波形的 产生于变换 测量与控制等多种领域都得到广泛应用 时钟脉冲产生电路主要 由 555 定时器芯片来实现 时钟电路图如图 4 1 所示 图 4 1 时钟电路 用 555 定时器构成多谐振荡器 电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲 其 周期为 U1 1 DIS 7 OUT 3 RST 4 8 THR 6 CON 5 TRI 2 GND VCC 555 VIRTUAL R1 1kohm R2 51kohm C1 0 01uF C2 10uF 5V VCC 10 T 0 7 R1 2R2 C 4 1 要用两个 555 产生两个时钟脉冲 一个控制 74LS161 模十六计数器和八位移 位寄存器 要能看到彩灯的流动 其周期设为 1 秒左右 电阻值和电容值可设为 R1 1K R2 51K C 0 01 F 由公式 4 1 计算得 T 0 721S 时钟电路的输出一路作为计数脉冲送到模 16 计数器 74LS161 另一路作为 移位时钟脉冲加到移位寄存器 74LS164 另一个 555 产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换 其周期设为模十六 计数器的 20 倍 改变 R1 R2 的阻值即可 可设为 R1 1K R2 1M C 0 01 F 由公式 4 1 计算得 T 14 42S 11 4 24 2 四种码产生电路四种码产生电路 四种码产生电路如图 4 2 所示 U1 QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 CLK 2 CLR 1 LOAD 9 74LS161N U2A 1 2 3 74LS08N U2B 4 5 6 74LS08N 2 1 1 U3A 74LS04N 4 3 1 U3B 74LS04N 6 5 1 U3C 74LS04N 8 9 1 U3D 74LS04N 5V VCC 图 4 2 四种码产生电路 12 根据彩灯要实现的四花样 可确定移位寄存器输出的二进制码 即四种码产 生电路要产生的码 如表 4 1 所示 表 4 1 四种码 要产生 这四种码 可由十六 进制计数 器接组合 逻辑门产 生 十六 进制计数 器的真值 表如表 4 2 所示 工作原理 四种码产生电路由 74LS161 构成十六位计数 器 74LS08 是 2 输入四与门集成电路芯片 74LS04 是带有 4 个非门的芯片 用来控制和改变 74LS161 输出的数据 使计 数器迅速复位 最终产生四种不同的码 来实现彩灯的四花 样 数据从 74LS161 十六位计数器的输出端 QA QB QC QD 输 出 经过与门和非门用来控制和改变 74LS161 输出的数据 花样状态要求 周期 位 码 1一亮一灭 从左向右移动810000000 2两亮两灭 从左向右移动811000000 3四亮四灭 从左向右移动811110000 4 从 1 8 从 00 左到右逐次 点亮 然后逐次熄灭 161111111100000000 13 最终输入到四选一数据选择器 74LS153 的数据输入端 IC0 IC1 IC2 IC3 表 4 2 计数器真值表 输出 序 号 原状态 S t Q4 Q3 Q2 Q1 次态 N t Q4 Q3 Q2 Q1 Z1Z2Z3Z4 14 由表 4 2 分析得 Z1 Q3Q2Q1 Z2 Q3Q2 Z3 Q3 Z4 Q4 4 34 3 彩灯自动转换控制电路彩灯自动转换控制电路 要实现彩灯四花样的自动转换 就要使四选一数据选择器 74LS153 循环地 输出 Z1 Z2 Z3 Z4 也就要使它的地址输入端输入四种状态并循环转变 可 用双 D 触发器实现 双 D 触发器的两个输出端 Q1 Q2 的状态方程为 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 15 Q 1n 1 Q2n 4 2 Q2n 1 Q 1n 4 3 设双 D 触发器的初始状态 Q1Q2 00 由 Q1 Q2 的状态方程式 4 2 和 式 4 3 可得 Q1 Q2 的状态变换顺序为 00 01 11 10 00 实现四 分频 用双 D 触发器的输出端 Q1 Q2 控制选择器的地址输入端 使数据选择器 自动选择一种码输出 实现彩灯花样的自动控制 自动转换控制电路如图 4 3 所示 U1A 74LS74N 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 U1B 74LS74N 2D 12 2Q 9 2Q 8 2CLR 13 2CLK 11 2PR 10 U2 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 74LS153N 5V VCC 图 4 3 自动控制电路 令 Q1Q2 AB 74LS153 数据选择器的功能表如表 4 3 所示 B Q2 A Q1 1Y 16 表 4 3 数据选择器功能表 工作原理 数据从多谐振荡器的输出端输出 输入到双 D 触发器的时钟信 号输入端 然后从双 D 触发器的输出端 输出到双四选一数据选择器 74LS153 的地址输入端 由表 4 3 可知 数据选择器的地址输入端 A B 循环转变 输出 端 1Y 循环选择四种码 Z1 Z2 Z3 Z4 输出 使彩灯的四花样自动循环改变 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 Z1 Z3 Z4 Z2 Z1 17 4 44 4 花样输出电路设计花样输出电路设计 当输入移位寄存器数据输入端的码为 10000000 时 清零后在移位脉冲 CP 的作用下 寄存器数码移动情况如表 4 4 所示 表 4 4 寄存器数码移动情况表 CPRiQAQBQCQDQEQFQGQH 111000000 0 2001000000 300010000 0 400 0010000 5000001000 6000000100 7000000010 8000000001 工作原理 输出电路由八位移位寄存器 74LS164 八个彩灯和八个驱动电 阻构成 寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码 这四种码在移位寄 存器的八位并行输出端从 QA 向 QH 移动 输出四种彩灯花样 由表 4 4 可看出 输入码中的那位高电平 1 从寄存器的输出端 QA 经八个移位脉冲 CP 作用后 逐渐到了 QH 使输出端所连接的彩灯依次点亮 实现了彩灯依次点亮的花样 当输入另外的三种码时 寄存器的数码移动原理相似 所以就不累赘了 18 第五章第五章 实验 调试及测试结果分析实验 调试及测试结果分析 由于设计采用的芯片门电路比较多而且复杂 所以在连线这一块上 常常 会有所忽略 导致整个电路无法实现要求的彩灯切换花样的变换 这时 就需 要根据调试结果的推断哪里接线出了问题并且仔细检查改后的连线 在调试中 有时还会出现灯的亮暗不正常的情况 原因可能是四种码的产生电路不能产生 符合要求的四种码 检查模十六计数器的 CP 脉冲是否稳定 看 74LS161 是否能 计数 即 QA QB QC QD是否周期性的高低电平变化 前面没问题 再检查与 门 74LS08 和非门 74LS04 是否能实现它们逻辑功能 首次调试时 发现彩灯亮 暗变化太快 这时通过改变与 555 芯片相连的电阻的阻值来解决问题 对于选 通器件 74LS153 等不常见的元器件芯片功能的不了解可能会影响设计的复杂度 这是我们通过上网查资料来了解芯片功能 以便更好地简化电路 在调试中找 不出出错的原因时 我们通过小组成员相互帮忙来解决问题 19 结论结论 通过这两周对四花样自动切换的彩灯控制器的设计 我对待问题的分析与 解决能力有了很大的提高 由于我们在数字电路这门课上学的只是一些基础知 识 并没有深入地研究 所以在这个课程设计的元器件上 我们选的基本上是 些常用的元器件芯片 设计原理简单 但是设计起来还是有点复杂 需要足够 的耐心和细心 尽管这个课程设计项目比较复杂 设计起来很辛苦 但是这两周忙碌的生 活挺充实的 功夫不负有心人 我们终于还是搞出来了 在独立思考的同时 对于个人难解的问题我们小组互帮互助 互相交流 才使得设计圆满完成 通过这次设计 学到了很多东西 如查找资料 设计比较 从各种图中提 取所需 焊接时出学到了好多 如如何在一定大小的板子上正确摆放好芯片 如何布线等等 调试时也是 知道了用工具