多花樣自動(dòng)切換的彩燈控制器設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 多花樣自動(dòng)切換的彩燈控制器設(shè)計(jì) 初始條件：1 運(yùn)用所學(xué)的模擬電路和數(shù)字電路等知識(shí)；2 用到的元件：實(shí)驗(yàn)板、電源、連接導(dǎo)線(xiàn)、74系列芯片、555芯片等。要求完成的主要任務(wù):1 現(xiàn)有8只彩燈，試設(shè)計(jì)一控制器，要求彩燈能實(shí)現(xiàn)如下追逐圖案：2 第1種花樣為彩燈從右到左,然后從左到右逐次點(diǎn)亮,全滅全亮,3 第2種花樣為彩燈兩邊同時(shí)亮1個(gè)逐次向中間移動(dòng)再散開(kāi);4 2種花樣自動(dòng)變換,循環(huán)往復(fù)。時(shí)間間隔為1秒。5 嚴(yán)格按照課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。時(shí)間安排： 第1天 下達(dá)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，根據(jù)任務(wù)書(shū)查找資料；第24天 進(jìn)行方案論

2、證，軟件模擬仿真并確定設(shè)計(jì)方案； 第5天 提交電路圖，經(jīng)審查后領(lǐng)取元器件；第68天 組裝電路并調(diào)試，檢查錯(cuò)誤并提出問(wèn)題；第911天 結(jié)果分析整理，撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告，驗(yàn)收調(diào)試結(jié)果；第1214天 補(bǔ)充完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 2012年 6月25日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2012年 6月25日1武漢理工大學(xué)電工電子綜合課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)23電工電子綜合課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目 錄引言11設(shè)計(jì)意義及要求2 1.1設(shè)計(jì)意義3 1.2設(shè)計(jì)要求32方案設(shè)計(jì)4 2.1設(shè)計(jì)思路4 2.2方案設(shè)計(jì)5 2.2.1方案一及其電路圖5 2.2.2方案二及其電路圖6 2.3方案比較73部分電路的設(shè)計(jì)83.1脈沖輸

3、出信號(hào)83.2計(jì)數(shù)控制電路9 3.3 移位控制電路10 3.4 回饋控制電路114調(diào)試與檢測(cè)124.1調(diào)試中故障及解決辦法124.2調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果135 仿真操作步驟及使用說(shuō)明146 參考文獻(xiàn)167 附錄電路圖158 結(jié)束語(yǔ)209 本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表22引言 隨著時(shí)代的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)發(fā)展也越來(lái)越快速。電子領(lǐng)域的的發(fā)展也是相當(dāng)?shù)难杆佟Ｔ陔娮宇I(lǐng)域中，自動(dòng)化智能控制領(lǐng)域起著極其重要的作用。在現(xiàn)實(shí)生活中，在大街小巷隨處可見(jiàn)各式各樣的彩燈，這些彩燈自動(dòng)的完成自己的花樣變換，特別是霓虹燈。彩燈看著絢麗多彩，其實(shí)都是由一系列的不同顏色的燈構(gòu)成的，然后在設(shè)計(jì)的電路下按照一定次序逐次一個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)亮和熄滅

4、。設(shè)計(jì)的電路就需要應(yīng)用到數(shù)字邏輯電路，在一定的邏輯下自動(dòng)運(yùn)行。本次實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行多花樣自動(dòng)切換的彩燈控制器設(shè)計(jì)，彩燈從右到左,然后從左到右逐次點(diǎn)亮,全滅全亮，然后彩燈兩邊同時(shí)亮1個(gè)逐次向中間移動(dòng)再散開(kāi)，這2種花樣自動(dòng)變換,循環(huán)往復(fù)，而且時(shí)間間隔為1秒。該實(shí)驗(yàn)將會(huì)用到脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、計(jì)數(shù)電路、控制電路、移位寄存電路及其他門(mén)電路和顯示彩燈。多花樣自動(dòng)切換的彩燈控制器設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)意義及要求11設(shè)計(jì)意義（1）讓學(xué)生懂得設(shè)計(jì)的一些思想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索知識(shí)的思路。（2）讓學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。（3）在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生需要計(jì)算參數(shù)和查閱設(shè)計(jì)資料、學(xué)習(xí)仿真軟件，這讓學(xué)生綜合能力得到提高

5、。（4）鞏固、深化了學(xué)生的理論知識(shí)。12設(shè)計(jì)要求（1) 現(xiàn)有8只彩燈，試設(shè)計(jì)一控制器，要求彩燈能實(shí)現(xiàn)如下追逐圖案：（2）第1種花樣為彩燈從右到左,然后從左到右逐次點(diǎn)亮,全滅全亮,（3) 第2種花樣為彩燈兩邊同時(shí)亮1個(gè)逐次向中間移動(dòng)再散開(kāi);（4) 2種花樣自動(dòng)變換,循環(huán)往復(fù)。時(shí)間間隔為1秒。2 方案設(shè)計(jì)21設(shè)計(jì)思路依照實(shí)驗(yàn)要求，需要彩燈從右到左,然后從左到右逐次點(diǎn)亮,全滅全亮，然后彩燈兩邊同時(shí)亮1個(gè)逐次向中間移動(dòng)再散開(kāi)，所以電路需要兩個(gè)四位雙向移位寄存器74ls194，然后將兩個(gè)以為寄存器進(jìn)行擴(kuò)展成實(shí)驗(yàn)要求的八位。由于是四位移位寄存器，所以計(jì)數(shù)電路就要實(shí)現(xiàn)四進(jìn)制計(jì)數(shù)，因此選擇兩個(gè)74ls161計(jì)

6、數(shù)器。由于兩個(gè)移位寄存器，并且按照實(shí)驗(yàn)要求，因此需要控制電路兩個(gè)數(shù)據(jù)選擇器74ls151分別控制移位寄存器。實(shí)驗(yàn)要求時(shí)間間隔為1秒，因此選用555定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后在根據(jù)要求運(yùn)用門(mén)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。22方案設(shè)計(jì)221設(shè)計(jì)方案一及電路圖原理分析：電路有四部分組成。第一部分是脈沖產(chǎn)生電路。其他三部分是計(jì)數(shù)電路、控制電路、移位寄存顯示電路。計(jì)數(shù)電路有兩片74ls161組成，下面一片計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)四進(jìn)制計(jì)數(shù)，從0000到0011，然后回到0000，上面一片計(jì)數(shù)器的使能端與下面一片計(jì)數(shù)器輸出端通過(guò)門(mén)電路相連,。這樣每次下面的計(jì)數(shù)器從0011變?yōu)?000時(shí)，上面的計(jì)數(shù)器就計(jì)數(shù)一次。對(duì)應(yīng)的74ls151數(shù)據(jù)選擇器

7、就會(huì)選擇不同的電平，從而改變移位寄存器的選擇功能，實(shí)現(xiàn)左移、右移、并行輸入等功能。當(dāng)彩燈從右到左,然后從左到右逐次點(diǎn)亮后需要全滅全亮，此時(shí)就需要運(yùn)用計(jì)數(shù)器各個(gè)輸出端的門(mén)電路來(lái)控制計(jì)數(shù)器清零或者置零，并且讓移位寄存器實(shí)現(xiàn)并行送入數(shù)據(jù)的功能，而且送入高電平全亮后立即改變?yōu)樗腿氲碗娖饺珳?。?dāng)彩燈兩邊同時(shí)亮1個(gè)逐次向中間移動(dòng)再散開(kāi)時(shí)，只需運(yùn)用門(mén)電路控制左右輸入點(diǎn)的電平。原理圖如2-2-1圖2-2-1222設(shè)計(jì)方案二及電路圖電路圖如圖2-2-2圖2-2-223方案比較通過(guò)比較兩個(gè)方案，小組方案較個(gè)人的方案更簡(jiǎn)便更以做成實(shí)物，可實(shí)現(xiàn)性高。個(gè)人的方案用了較多的邏輯門(mén)芯片使得電路圖更加復(fù)雜；小組方案使用芯片個(gè)

8、數(shù)較少，簡(jiǎn)潔，但小組方案運(yùn)用的知識(shí)更加深入，個(gè)人的方案充分地運(yùn)用到了自己目前所學(xué)到的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。3 部分電路設(shè)計(jì)31脈沖輸出信號(hào)脈沖輸出信號(hào)源由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成，通過(guò)電容得充放電工作。電路圖如圖3-1圖3-1 電容充電過(guò)程所用時(shí)間為t1=0.7(r1+r2)c2。電容放電過(guò)程時(shí)間為t2=0.7r2c2。因此脈沖周期時(shí)間t=0.7(r1+2r2)c2。c1為47nf，c2為10f，r1為48，r2為48。通過(guò)計(jì)算t=0.7（r1+2r2）c2=1.008s這與實(shí)驗(yàn)要求相似，因此符合實(shí)驗(yàn)。32計(jì)數(shù)控制電路74ls161計(jì)數(shù)器控制電路工作原理如下：當(dāng)時(shí)鐘脈沖信號(hào)輸入時(shí)，下面的計(jì)數(shù)器由0

9、000依次計(jì)數(shù)到0011第四個(gè)脈沖上升沿到來(lái)時(shí)由于反饋置零變?yōu)?000。此時(shí)上面的計(jì)數(shù)器著由0000計(jì)數(shù)為0001。然后如此反復(fù)進(jìn)行，直到上面的計(jì)數(shù)器變?yōu)?100后，接著下面的計(jì)數(shù)器由0000變?yōu)?001再變?yōu)?000，與此同時(shí)，上面的計(jì)數(shù)器變?yōu)?101，這是由于將輸出端用門(mén)電路實(shí)現(xiàn)了反饋功能。此后又恢復(fù)正常四進(jìn)制計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)控制電路如圖3-2圖3-233移位控制電路移位控制電路如圖3-3所示，電路有兩部分組成。一部分是由兩片數(shù)據(jù)選擇器74ls151芯片組成的控制左右移動(dòng)的電路。隨著送入的數(shù)據(jù)不同實(shí)現(xiàn)的功能就不同。同時(shí)，從計(jì)數(shù)器的輸出端與數(shù)據(jù)選擇器的輸出端通過(guò)門(mén)電路控制移位寄存器實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)要求的功

10、能。第二部分就是由兩片74ls194芯片實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)和并行輸出的功能。當(dāng)其輸出端為高電平時(shí)對(duì)應(yīng)的彩燈亮，低電平時(shí)著熄滅。圖3-334回饋控制電路回饋控制電路如圖3-4。在該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中。有了不少的回饋控制電路。其中主要的是將計(jì)數(shù)器的輸出端作為回饋的重要部分，然后通過(guò)邏輯門(mén)電路與其它芯片的輸出端連接起來(lái)回饋到一些輸入端，比如計(jì)數(shù)器的清零端、計(jì)數(shù)器的置數(shù)端，移位寄存器的工作方式控制端、左移右移串行數(shù)據(jù)輸入端。圖3-44 調(diào)試與檢測(cè)41調(diào)試中故障及解決方法該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為了三部進(jìn)行的，因此調(diào)試也是分步進(jìn)行的。（1）首先設(shè)計(jì)的是實(shí)現(xiàn)彩燈從右到左,然后從左到右逐次點(diǎn)亮，這一步只要將兩個(gè)移位寄存器進(jìn)行擴(kuò)展就能

11、實(shí)現(xiàn)，并將左右移動(dòng)串行數(shù)據(jù)輸入端的接入相應(yīng)的電平即可。因此調(diào)試也沒(méi)多大故障出現(xiàn)。（2）接著實(shí)現(xiàn)的花樣是全亮全滅。在這一步，我剛開(kāi)始使用反饋置零法去讓下面四進(jìn)制的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)變零，同時(shí)再讓上面的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)一次的功能。但在調(diào)試的時(shí)候出現(xiàn)了一些問(wèn)題，比如上門(mén)面的計(jì)數(shù)器提前計(jì)數(shù)一次，下面的計(jì)數(shù)器置零后就一直置零。因此我換為反饋清零法，比用邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)讓上面計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，這樣就實(shí)現(xiàn)了全滅全亮的而不影響后面的脈沖計(jì)數(shù)。（3）第三步是彩燈兩邊同時(shí)亮1個(gè)逐次向中間移動(dòng)再散開(kāi)，這步主要的調(diào)試任務(wù)是如何改變左移右移串行輸入端的電平高低和移位寄存器的工作方式。在這一步我首先就想到了用邏輯門(mén)。當(dāng)進(jìn)行仿真時(shí)，發(fā)現(xiàn)彩燈

12、從兩邊亮后就混亂的亮。后來(lái)檢查是由于在列真值表是出了錯(cuò)誤倒數(shù)用了錯(cuò)誤的邏輯門(mén)。后來(lái)改正過(guò)后就能正常工作。42調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果經(jīng)過(guò)多次調(diào)試后，電路的運(yùn)行結(jié)果基本符合了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，彩燈從右到左,然后從左到右逐次點(diǎn)亮,全滅全亮，然后彩燈兩邊同時(shí)亮1個(gè)逐次向中間移動(dòng)再散開(kāi)，這2種花樣自動(dòng)變換,循環(huán)往復(fù)，而且時(shí)間間隔大約為1秒。5 仿真操作步驟及使用說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)仿真采用的是7.8版本的proteus, 仿真的時(shí)候直接點(diǎn)擊開(kāi)始就可以進(jìn)行仿真了。在仿真過(guò)程中，要時(shí)刻盯著電路圖的運(yùn)行，看是否符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。仿真時(shí)，第一個(gè)脈沖上升沿來(lái)之前，燈處于全滅狀態(tài)，上升沿來(lái)時(shí)，第一盞燈亮。當(dāng)?shù)匕藗€(gè)脈沖上升沿來(lái)到時(shí)，第八

13、盞燈亮。第九個(gè)脈沖上升沿來(lái)時(shí)，有跳變?yōu)榈谄弑K燈亮。直到又回到第一盞燈亮后，接著就全滅，然后全亮，然后再次全滅，最后彩燈兩邊同時(shí)亮1個(gè)逐次向中間移動(dòng)再散開(kāi)，循環(huán)剛才的過(guò)程。功能如表5-1。橫排為四進(jìn)制計(jì)數(shù)器在脈沖到來(lái)時(shí)的變化。豎排是在每一橫排結(jié)束后脈沖到來(lái)時(shí)的變化。00000001001000110000全滅僅燈1亮僅燈2亮僅燈3亮0001僅燈4亮僅燈5亮僅燈6亮僅燈7亮0010僅燈8亮僅燈7亮僅燈6亮僅燈5亮0011僅燈4亮僅燈3亮僅燈2亮僅燈1亮0100全滅全亮無(wú)效狀態(tài)無(wú)效狀態(tài)0101全滅僅燈1、8亮僅燈2、7亮僅燈3、6亮0110僅燈4、5亮僅燈3、6亮僅燈2、7亮僅燈1、8亮表5-16

14、參考文獻(xiàn)1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字部分（第五版），高等教育出版，2006.12 伍時(shí)和.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，2009.43 周新民.工程實(shí)訓(xùn)與訓(xùn)練教程（電工電子部分），武漢理工大學(xué)出版社，2009.84 梁宗善.新型集成電路的應(yīng)用-電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)，華中理工大學(xué)出版社，2007.125 陳永甫主編.數(shù)字電路基礎(chǔ)及快速識(shí)圖.人民郵電出版社，2006.56 劉修文主編.實(shí)用電子電路設(shè)計(jì)制作300例.中國(guó)電力出版社，20057 附錄 電路圖所需芯片為555、74ls161、74ls194、74ls151及相關(guān)門(mén)電路1）555芯片555定時(shí)器內(nèi)部由分壓器、兩個(gè)電壓比較器、基本rs

15、觸發(fā)器、晶體管及緩沖器組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-1-1。555定時(shí)器邏輯符號(hào)如圖7-1-2。1腳是接地端gnd，2腳是低電平觸發(fā)端（也稱(chēng)觸發(fā)端），3腳是輸出端out，4腳是復(fù)位端，5腳是電壓控制端，6腳是高電平觸發(fā)端（也稱(chēng)閾值端），7腳是放電端，8腳是電源端vcc。集成555定時(shí)器的功能555定時(shí)器功能表見(jiàn)表7-1-3。圖7-1-1 圖7-1-2表7-1-3 2）74ls161當(dāng)清零端cr=“0”，計(jì)數(shù)器輸出q3、q2、q1、q0立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)cr=“1”且ld=“0”時(shí)，在cp信號(hào)上升沿作用后，74ls161輸出端q3、q2、q1、q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端d3，

16、d2，d1，d0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)cr=ld=ep=et=“1”、cp脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。其引腳圖如圖7-2-1，功能表如表7-2-2.圖7-2-1表7-2-33）74ls151數(shù)據(jù)選擇端（abc）按二進(jìn)制譯碼，以從8個(gè)數(shù)據(jù)（d0-d7）中選取1個(gè)所需的數(shù)據(jù)。只有在選通端e為低電平時(shí)才可選擇數(shù)據(jù)。151有互補(bǔ)輸出端（y、w），y輸出原碼，w輸出反碼。其管腳圖和功能表如下74ls151引腳圖74ls151功能表 4）74ls194d3 、d2 、d1 、d0 為并行輸入端；q3 、q2 、q1、q0 為并行輸出端； s r右移串行輸入端；s l為左移串行輸入端； s1

17、、s 0為操作模式控制端；cr為直接無(wú)條件清零端；cp為時(shí)鐘脈沖輸入端。其功能表和引腳圖如下74ls194功能表74ls194引腳圖設(shè)計(jì)方案原理圖8 結(jié)束語(yǔ)時(shí)間飛逝，課程設(shè)計(jì)馬上就要結(jié)束了。這是我第一次進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，剛開(kāi)始心里十分的驚慌，擔(dān)心自己不能勝任這份艱巨的任務(wù)。但在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我慢慢地變得平靜了，對(duì)于電路圖的設(shè)計(jì)有層次有條理的進(jìn)行就可以慢慢地分析出來(lái)。在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我學(xué)到了許多的知識(shí)，同時(shí)也提高了自己綜合方面的能力。首先，我對(duì)一些芯片了解得更加透徹了。課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行了鞏固和深入的了解。這次課程設(shè)計(jì)，我能夠獨(dú)立地運(yùn)用所學(xué)的數(shù)字電路、模擬電路等各方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)

18、，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和圖書(shū)館收集資料，進(jìn)行分析探索，從而成功的設(shè)計(jì)吃實(shí)驗(yàn)所要求的電路圖。設(shè)計(jì)電路比按照電路實(shí)驗(yàn)要更加的艱難，這就要求自己對(duì)所涉及的電子元件要有很深入地了解。其次，這次課程設(shè)計(jì)充分地聯(lián)系了實(shí)際，讓我以理論的知識(shí)解決實(shí)際的問(wèn)題。在此過(guò)程中，它不僅培養(yǎng)了自己分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，更重要的是讓我經(jīng)歷了一次磨練，讓我懂得如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，還提高了我接受新知識(shí)的能力。最后，此次課程設(shè)計(jì)讓我明白我們所學(xué)的知識(shí)比不是與生活遙不可及的，而是息息相關(guān)的。他極大程度的激發(fā)了我對(duì)電子設(shè)計(jì)的興趣。當(dāng)看著自己的電路圖仿真跟實(shí)驗(yàn)要求一樣時(shí)，心里特別的激動(dòng)，一股勝利的感覺(jué)油然而生。這使得自己更加的自信，對(duì)課程設(shè)計(jì)有開(kāi)始的驚慌變成了喜愛(ài)。雖然我設(shè)計(jì)的電路圖看起來(lái)有些亂，也沒(méi)增加其他額外的功能，但最為初學(xué)者，我還是比較肯定我的成功。我也相信在今后的人生中，自己會(huì)在這些經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下會(huì)更加的自信。本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表姓 名性 別男專(zhuān)業(yè)、班級(jí)課程設(shè)計(jì)題目：多花樣自動(dòng)切換的彩燈控制器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)答辯或質(zhì)疑記錄：1、555定時(shí)器構(gòu)成的脈沖信號(hào)源如何提高其脈沖頻率？答：由于555定時(shí)器構(gòu)成的脈沖信號(hào)源的脈沖周期為t=0.7(r1+2r2)c2，所以如果要提高其脈沖頻率就需要減小周期的時(shí)間。因此只要相應(yīng)的適當(dāng)?shù)臏p小電阻r1、r2的阻值和電容c2的電容值就行了。2