循环彩灯电路设计课程设计.docx

成绩课程设计说明书设计题目： 循环彩灯电路设计 课程名称： 学 院： 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2013 年 月 日课 程 设 计 任 务 书设计题目循环彩灯电路设计学生姓名 所在学院 专业、年级、班 设计要求： 1、设计制作一个循环彩灯电路； 2、彩灯数量为8个； 3、循环彩灯控制方式：8个彩灯一亮一灭，从左向右移动，彩灯亮灯和灭灯时间均为1秒； 主要元件：555定时器、74LS161、74LS164、74LS151、74LS138、LED 学生应完成的任务：设计循环彩灯的工作原理，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。 参考文献： 1 童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2005. 2 臧春华.电子线路设计与应用M.北京:高等教育出版社,2005. 3 邱关源，罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006. 4 秦长海.张天鹏.翟亚芳数字电子技术M.北京：北京大学出版社2012. 5 谷树忠.刘文洲Altium Designer教程M.北京：电子工业出版社，2010. 工作计划：5月27号30号完成原理图的设计；5月30号31号进行PCB设计；6月3号4号制 作PCB板；6月4号6号电路板安装与调试，提交课程设计报告。 任务下达日期：2013 年 5月 27 日 任务完成日期：2013 年 6月 6 日 指导教师（签名）： 学生（签名）：循环彩灯电路设计摘 要：循环彩灯电路设计主要由74LS161十六进制计数器，74LS164移位寄存器、555定时器、74LS151数据选择器、74LS00反相器组成。先用Multism软件对设计的电路进行仿真，再用Aultism软件进行元件封装，最后制作PCB板。用74LS161十六进制构成八进制计数器，74LS151进行数据选择，74LS164移位寄存，用555定时器构成多谐振荡器来控制计时，产生周期为一秒的脉冲信号，从而实现8个彩灯一亮一灭，从左向右移动，彩灯亮灯和灭灯时间均为1秒；关键词：555定时器、循还彩灯、74LS151数据选择器、74LS164移位寄存器目 录1. 设计背景11.1了解数字电路系统和数字电路的定义及组成11.2掌握时钟电路的作用及基本构成11.3熟悉Multism和Aultism软件的功能和使用12. 设计方案22.1课题分析22.2构思总体设计方案23. 方案实施23.1原理图设计23.2电路仿真53.3 PCB制作63.4安装与调试64. 结果与结论75. 收获与致谢76. 参考文献87. 附件87.1电路原理图87.2 PCB布线图97.3元器件清单10指导教师评语：1212 1. 设计背景 1.1 数字电路系统和数字电路的定义及组成数字电子技术是信息、通信、计算机、自动控制等领域工程技术人员必须掌握的基本理论和技能。数字电路系统的主要内容：数制、逻辑门电路、逻辑代数、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲波形、数字系统设计、数模/模数转换电路、半导体存储器等。数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。输入电路主要作用是将被控信号转换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。比如数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。 1.2 时钟电路的作用及基本构成多谐振荡器是产生矩形脉冲的典型电路，常用来做脉冲信号源。多谢振荡器没有输入端，接通电源便自激振荡。多谢振荡器起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，他们交替变化，输出连续的矩形脉冲信号。用555定时器构成的多谢振荡器，先用555定时器构成施密特触发器，然后将施密特触发器的输出端经RC积分电路接到施密特触发器的输入端。可以通过调节RC的大小来产生所需周期大小的脉冲信号。1.3 Multism和Aultism软件的功能和使用Multisim以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。所以可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。通Multisim和虚拟仪器技术，工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计。Altium designer软件是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。 通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，DXP提供了全面的设计解决方案。因此我们可以使用DXP和Aultism软件进行设计和仿真。 2. 设计方案2.1 课题分析充分了解循环彩灯设计要求，明确循环彩灯设计系统的全部功能、要求及技术指标；熟悉处理信号与控制对象的各种参数、关系和特点。根据循环彩灯的原理构思总体设计方案。2.2 设计方案通过555定时器构成多谐振荡器产生周期为1s的矩形脉冲，74LS161十六进制的计数器改为八进制的计数器进行计数，74LS151对八进制数000-111选择输出，74LS164移位寄存器对输出的信号移位寄存，并与八个发光二极管相连接，从而控制彩灯一亮一灭，从左向右移动，彩灯亮灯和灭灯时间均为1秒。3. 方案实施3.1 原理图设计1. 时钟电路设计555集成时及电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，可连接成多谐振荡电路，产生单位脉冲，用于触发计数器。555定时器的逻辑符号图如图1所示。GND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2图1 555定时器的逻辑符号图555定时器可以很方便地构成多谐振荡器，由555定时器构成的时钟信号产生电路如图3所示。根据振荡周期计算公式可,该电路的振荡周期为1秒。可采用阻止分别为51K、47K的电阻R1、R2.TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U1NE555D51KR2Res347KR4Res322nFC1Cap10uFC2CapVCC图2 由555定时器构成的时钟信号产生电路2. 驱动电路设计由74LS161计数器和74LS151数据选择器以及74LS164移位寄存器组成,用以驱动发光二极管正常工作，并且在时钟电路的控制下让八个发光二极管循环工作。设计原理：把555定时器的输出端接74LS161计数器的CLK端，在上升沿的作用下，输入数据被送入计数器。将74LS161计数器的输出端分别接74LS151数据选择器的地址输入端，输出端接74LS164移位寄存器的串行输入端，74LS164的CLK移位脉冲与驱动电路的输入端相连，实现彩灯的循环。CLR异步清零端与74LS161的Q3以及CLR端相连，因为，CLR=1，CLK处于上升沿，输入端代码AB才被送入寄存器，Q3与CLR端连一个反相器。74LS的输出端与8个彩灯相连。这样就完成了循环彩灯的循环控制。驱动电路图如图3所示。D31D22D13D04Y5W6STB7GND8C9B10A11D712D613D514D415VCC16U3SN74LS151DCLR9CLK8A1B2QA3QB4QC5QD6QE10QF11QG12QH13VCC14GND7U4SN74LS164NCLR1LD9ENT10ENP7CLK2RCO15P03Q014P14Q113P25Q212P36Q311VCC16GND8U2DM74LS161AN123U5ASN74LS00N图3 驱动电路3. 输出电路设计输出电路有8个发光二极管和2个100的电阻和两个高电平组成。只有当从驱动电路过来的是低电平，才可以让发光二极管导通发光。输出电路如图4所示。D1LED0D2LED0D3LED0D4LED0D5LED0D6LED0D7LED0D8LED0100R1Res3100R3Res3GNDGND图4 输出电路图3.2 电路仿真根据原理，用Multism软件绘制相应的逻辑电路图，并进行仿真。在各单元电路设计的基础上，按照总体电路图在仿真软件Multisim上选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。将电路在Multisim上连接好后，为各个电阻和电容选取适当值，通过555定时器构成多谐振荡器产生周期为1s的矩形脉冲，然后打开Multisim的开关，根据红绿灯亮灭情况及显示计时装置情况判断电路是否正常。通过老师的指点和我们的坚持努力，经过反复修正仿真，我们的电路原理终于能正常工作。 图 5：仿真图3.3 PCB制作在布线前要在Altium Designer中完成对电路图个元件的封装。在封装时，要注意，因为对于同一个元件可能又多种封装方式。封装时根据所给元件的类型选择合适的封装对各个元件进行封装。封装完成后，把原理图导入PCB板。导入PCB板后，再对元件的位置重新手动摆放，使尽量少的线重叠，以减少布线时的跳线出现。按照要求采用电源线和地线要求采用0.8mm或是0.6mm,如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或0.3mm。信号线采用0.5mm，如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或0.3mm。焊盘的内径用0.8mm或0.85mm。外径根据需要进行修改，一般为X方向1.6 mm，Y方向2.0mm，或是X方向2.0 mm，Y方向1.6mm。合理布线，在尽量少的采用跳线下应整齐美观。至此完成了PCB的制作。3.4 安装与调试在电路的安装过程中注意元器件特别是发光二极管及74LS161，74LS151，74LS164、NE555P，电容是否接反，否则会造成元器件的损坏，使电路板不能正常工作，因此在安装过程中一定要与PCB板上的电路接法相吻合。电路完成安装后，开始进行焊接。电路焊制工程中焊锡千万不要与铜融合以防止短路，电路完成安装后，进行第一次调试，发现电路工作不理想，发现一些问题，仔细检查后发现电路中存在断路，用跳线把断开处焊接好之后，用万用表测时后发现电路断开处正常工作。进行第二次调试，发现电路不稳定，用万用表调试后发现电路中存在短路，仔细检查发现铜和焊锡的少量融合，于是吸锡后重新焊接，如此反复检查，进行调试后发现问题得到解决，第三次调试时发现，电路显示仍旧不工作，进行若干次修改，问题仍没得到解决。 4. 结果与结论经过原理了解分析，进行方案论证。然后开始实施，首先用Mulism进行仿真，结果成功。之后开始进行原理图设计，接着把原理图导入PCB工程，开始进行布线调整，然后开始制板，最后进行焊接，发现问题进行调试，最后还是有问题。由于设计的原因，结果不好。把设计构想落实到Multisim仿真软件上，发现电路仿真很成功，于是进行PCB制板，电路的具体安装后，进行调试后发现电路有断路现象和短路现象，仔细观察焊接处，予以解决。在调试过程中，故障是不可避免的，或产生故障的原因很多，情况也很复杂，有的是一种原因引起的简单故障，有的上多种原因相互作用引起的复杂故障，因此需要掌握故障的一般诊断方法，故障诊断过程就是以故障现象出发，通过反复测试，做出分析判断，逐步找出故障的过程其元器件布局不合理，导致连接线出现问题。或由于考虑不周全，有众多因素干扰，造成试验误差，从而导致结果失败。5. 收获与致谢 经过这次为期两个星期循环彩灯的课程设计学习，首先对原理进行了解，开始进行方案设计，再经过理论验证，然后开始进行原理图设计与仿真，之后又行了PCB制作，最后进行焊接与调试。，在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程识到了自己的不足，使自己明白还多东西还需加强学习，弥补不足。同时还锻炼了自己思维能力与分析解决问题的能力。经过课程设计使我受益匪浅。使我我对Altium Designer和Multisim的使用更加的方便，进一步加深了对所用到的各种元器件的功能的理解，这对我以后的学习会很有帮助。通过这次课程设计，我更深的理解了数字电路的相关知识。并使理论知识得到实践。同时，这次课程设计不仅锻炼了我分析问题，解决问题的能力，而且也锻炼了我的动手操作能力。以及体会到小组合作一起讨论问题，一起思考的快乐。课程设计使我设培养了我的计思维, 增强了实际操作能力。如果不能认真谨慎的工作，我们的设计不会达到预期的效果。还有不论遇到什么困难，不要对自己失去信心。学会了做事要学会整体规划，一定要注重细节，否则很有能因为一点小的错误而造成所有的努力付诸东流。在此非常感谢学院安排这次实践活动，在两周的课程设计中非常感谢张天鹏老师、翟亚芳老师的耐心指导在设计中给出的宝贵建议和意见，以及同小组成员坚持和努力。6. 参考文献1 童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2005. 2 臧春华.电子线路设计与应用M.北京:高等教育出版社,2005.3 邱关源，罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4 秦长海.张天鹏.翟亚芳数字电子技术M.北京：北京大学出版社2012.5 谷树忠.刘文洲Altium Designer教程M.北京：电子工业出版社，2009.7. 附件7.1 电路原理图电路原理图如图6所示TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U1NE555DD31D22D13D04Y5W6STB7GND8C9B10A11D712D613D514