多花样自动切换彩灯控制器设计.doc

武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化1003班 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 多花样自动切换的彩灯控制器设计 初始条件：1 运用所学的模拟电路和数字电路等知识；2 用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片等。要求完成的主要任务:1 现有8只彩灯，试设计一控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案：2 第1种花样为彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮,3 第2种花样为彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开;4 2种花样自动变换,循环往复。时间间隔为1秒。5 严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。时间安排： 第1天 下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；第24天 进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案； 第5天 提交电路图，经审查后领取元器件；第68天 组装电路并调试，检查错误并提出问题；第911天 结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；第1214天 补充完成课程设计报告和答辩。指导教师签名： 2012年 6月25日系主任（或责任教师）签名： 2012年 6月25日 前言 本次课程设计电工电子综合课程中，通常只介绍单元电路的设计、集成芯片的特性、功能等，而一个实用的电子系统通常是由多个单元电路组成的。因此，进行电子系统设计时，不但要考虑系统总体电路的设计，还要考虑系统各部分电路的选择、设计及它们之间的相互连接。由于各种通用和专用的模拟、数字集成电路的大量涌现，所以在电子系统的方案框图确定后，除少数电子电路的参数需要设计计算外，大部分只需根据电子系统框图各部分要求正确选用模拟和数字集成电路的芯片就可以了 电子系统的设计没有固定不变的步骤，它往往与设计者综合应用所学知识的能力、经验等有密切关系。常用电子系统设计通常包括：选择总体方案框图、单元电路设计与选择、电子元器件的选择、单元电路之间的连接、对电子系统进行电路搭试、对方案及单元电路参数进行修改、绘制总体电路，最后写出设计报告。 一个较为复杂的设计课题，通常需要对设计要求进行认真分析和研究，通过收集和查阅资料，在已学模拟和数字电子技术课程（电子技术）理论的基础上进行构思，从而提出实现设计要求的可能方案，并画出相应的框图。由于实现同一个设计要求的方案往往不止一个，这时就应对每一个设计方案的可行性及它们的主要优缺点进行比较，从而找出一个较为合理的设计方案。对于关键部分电路的可行性首先应在原理上要可行，而后还需进行电路搭试，只有搭试成功后才能确定电路的总体方案框图。 电子课程设计是对以前学科知识的综合，检验学生掌握电子学科的理论知识的程度，也是学科教学中的一个十分重要的环节。通过把理论与实践相结合，提高理论水平，锻炼实践动手能力。同时，对于学生对电子学科的学习兴趣也是有极大的激发作用，让同学在自己动手制作的过程中找到乐趣，加深对学科知识的理解及消化，为以后的学习打下良好的基础。 在当今的社会里，彩灯已经成为我们生活的一部分，能给我们带来视觉上的享受还能美化我们的生活。四花样彩灯控制器主要是通过电路产生有规律变化的脉冲信号来实现彩灯的各种变化。它的主要器件是寄存器。现如今寄存器是数字系统常见的重要部件，除在计算机中广泛用于存放中间数据外，它在其他方面的应用，目前在教材中只介绍可 构成环形或扭环形计数器。本次实验由于触发器具有记忆的功能，笔者将移位寄存器设计成彩灯控制电路。由于电路本身实用，如果再通过计算机仿真，笔者可以直观地看到循环彩灯控制效果。如果稍微改动控制电路，就可以改变电路的不同工作状态，控制彩灯变幻出不同的闪烁效果。控制电路是由笔者学习过的单元电路组合而成的，主要由555振荡电路产生一矩形脉冲，然后由74LS112来控制各电路输入信号通断，74LS138和74LS194组成各种花式.进而控制彩灯亮灭的顺序，从而出现彩灯花样自动切换。 通过这一综合训练培养了学生严肃认真的工作态度和科学作风,为今后从事电路设计和研制电子产品打下初步基础，检验学生的理论实践的能力，动手能力，分析和处理问题的能力，自学能力。通过本次课设提高了大家的动手和动脑能力，增强了大家对电子方面的学习兴趣及自学能力，本次课程设计使大家学到了很多，知道了自己在哪一方面的不足，为今后的学习提供了方向，使大家有了个质的提高。1.设计意义及要求 1.1设计意义 对数字电子技术基础学习，我们掌握一些关于数字电子技术的基础知识和基本技能，具备了在日常生活与学习中应用数字技术解决问题的基本态度与基本能力但是对于各种门电路，元器件芯片的结构及其工作原理等知识，我们的理解依然比较肤浅。通过对电工电子课程设计，使我们对课堂知识有更深入理解，同时联系理论与实践，加强动手能力与分析能力，还能锻炼我们的创新思维和团队合作能力。 1.2设计要求1) 现有8只彩灯，试设计一控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案：2) 第1种花样为彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮,3) 第2种花样为彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开;4) 2种花样自动变换,循环往复。时间间隔为1秒。2.方案设计 2.1方案一 2.1.1设计思路 首先需要一个1Hz的矩形脉冲发生器，其次可以联合使用74LS194和74LS138来实现流水灯的追逐，74LS112和逻辑门来作为各花式电路的开关，各分花式电路按序连接后实现循环 2.1.2设计方案 方案一方框图多谐振荡电路输出电路译码电路计数电路控制电路图2.1 方案一电路总图图2.2 2.2方案二 2.2.1设计思路 使用单片机即可用简洁电路和少量原件实现要求功能的电路 2.2.2设计方案 图2.3 2.3方案比较 方案一是采用数电模块，使用元件多，连线复杂，但功能明确，容易看懂 方案二采用单片机，电路简单，但编程麻烦 这次设计主要考查对数电知识的应用，所以采用方案一3.部分电路设计3.1部分元件管脚图74LS194 图3.1.1 图3.1.2 H高电平 L-低电平 X-任意电平 -低到高电平跳变a-dA-D端的稳态输入电平Qa0-Qd0规定的稳态条件建立前Qa-Qd的电平Qan-Qdn时钟最近的前Qa-Qd的电平 74LS138 图3.1.3 74LS138为3线-8线译码器，当以个选送端（G1）为高电平，另两个选通端G2A和G2B为低电平时，可将地址端（A，B，C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出如图3.4 74LS138功能表 图3.1.4 图3.1.5 图3.1.63.2时钟电路设计 图3.2555 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 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，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 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 根据555定时器工作原理，振荡周期： T=0.7（R1+2R2）C ，取C1=47nF，C2=10uF，R1=R2=48k，如图连接，便可产生周期为1s，高低电位所占比例均分的矩形脉冲3.3左移花式电路设计 图3.3 利用JK触发器的置反功能实现对该部分电路的开闭，利用74LS192实现对74LS138芯片计数，而74LS138与输出电路相连，最终实现彩灯从右往左的追逐花式 ，计数完成后，74LS192输出端由0111变为1000，Q2发出下降沿脉冲，锁闭74LS112，同时激活下级电路的JK触发器使其工作 3.4右移花式电路设计 图3.4电路原理同左移花式电路相类似，只是74LS192及74LS138初始处于未正常工作状态即初电位与左移电路中的同类芯片相反，在得到左移电路的启动信号后，芯片进入工作状态，产生花式电路信号，74LS138与输出显示电路相连，同时计数完成后，发出信号锁闭此电路同时激活下级电路3.5全亮全灭及两侧接近花式电路设计同前述电路利用JK触发器的锁闭功能，74LS192的计数功能和74LS138的译码功能，将两个此类电路相连接并合理利用74LS138的输出端，便可产生所需时间间隔的花式电路初始时电路各芯片与右移电路芯片初始状态相同处于未工作状态，在接收到激活信号后，状态改变电路开始工作。其中，U29的Y1所在即为全灭信号，不与任何相连，使其影响不了电路；Y2输出全亮信号，输出与所有灯泡相关联。该级电路完成运转后发出信号，锁闭本级电路激活左移花式电路，实现自动循环。 图3.5 3.6显示电路设计 图3.6 由于整个电路是采用分电路相互衔接的方式来实现所需花式，各花式输出端分别连接至显示电路，所以需要逻辑门来整合及防止反向电流影响JK触发器的开闭。因为使用74LS138发出输出信号，其在吴信号传输状态下输出为1，故而使用与门和非门相组合，与门可能接收到的信号只有11，10两种，当输入为11时，此时该处未收到亮灯信号，经非门处理后灯泡处为低电压；当输入为10时，经逻辑门处理后灯泡处获得高电压，从而灯亮，达到所需情况的灯泡亮灭 4.调试与检测 4.1调试中故障及解决方法 在左移电路中，运行电路后发现最右边的灯亮光时间极短，因为一旦电路运行后，74LS194立即计数到1导致74LS138的Y0产生信号时间极短，所以舍弃Y0直接从Y1开始接入电路，而运行一周后，Y0便可产生正常时长的信号，空置Y0可以实现作为两次循环相分隔的灯全灭状态。由于上述原因，导致分电路中的周期为奇数。此时可以选择舍弃更多输出端以谋求产生常用周期，也可以采用引入逻辑门的方法来获得奇数周期。我在此选用的是第二种方法。 图4.1在Y6出连出一个非门回连到JK触发器，当计数达到Y6时此时值为7，同非门连接后Y6能发出一个下降沿脉冲至触发器，使其值反置后实现锁闭 4.2调试与运行结果调试完成后，运行仿真。灯泡运行方式为从右往左，追逐闪亮，完成第一花式；而后又从左往右追逐闪亮，展示第二花式；经过1个周期时长的全灭后再全亮；接着两边同时亮，移动到中间后又移回两边，这步时长7s；此后，经1s灯泡全灭后，循环运行第一花式。 5仿真操作步骤及使用说明打开文件，运行仿真，D1-D8为LED灯显示运行花式，8个等按下列顺序运行，其中，1为亮，0为灭。花样一000000000000000100000010000001000000100000010000001000000100000010000000花样二01000000001000000001000000001000000001000000001000000001 花样三0000000011111111花样四10000001010000100010010000011000001001000100001010000001再循环至花样一 结束语通过这次课程设计，加深了对课本知识的理解，也改进了自己动手能力方面的不足，明确了今后学习的方向和重点。在设计过程中，由于对芯片的不熟悉，其管脚图曾反复查看多次；选择元件时，由于和自己设计思路不吻合，也多次起草再否定，走了很多的弯路。对应用程序的陌生，使得我在将纸质设计图转至电脑上仿真时花了不少时间，事倍功半。但矛盾正是进步的动力，运用自己不熟悉的元件和程序后，能强化它们在大脑中的印象，当以后遇到类似情况时，能更快作出判断和选择。而仿真软件的运用，更让我在对电路图的分析和处理能力上获得很大提高，也体会到理论和实践的差异，以后处理问题将更加谨慎细致。通过和同学们一起查找资料，制作运用单片机的小组方案，扩大了我的知识面和强化了我在短时间内选择性获取所需知识的能力，对自己的能力更加自信，也意识到团队合作的强大和重要。最后，感谢指导老师在设计中提供的帮助。 参考文献 【1】 周新民 工程实践与训练教程（电工电子部分） 武汉理工大学出版社 2009.8 【2】 伍时和，吴友宇，凌玲 数字电子技术基础 清华大学出版社 2009.4 【3】 李广弟，朱月秀，王秀山 单片机基础 北京航空航天大学出版社 2011.7 【4】 张欣 单片机原理与C51程序设计基础教程 清华大学出版社 2010.7附录一 电路图一附录二 小组方案附录三 小组程序代码#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint z) /*简单的延时程序*/uint x,y;for(x=0;xz;x+)for(y=0;y1;i-) 、 /*8循环，依次向右点亮8盏灯*/P3=a;delay(900);a1;i-) /*8循环，依次向左点亮8盏灯*/P3=a;delay(900);a=1;a|=0x80;P3=0x00;delay(900);P3=0xff;delay(900);b=0x80;c=0x01;f