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、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21武漢理工大學(xué)電工電子綜合課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目 錄 1 設(shè)計(jì)意義及要求11.1 設(shè)計(jì)意義11.2 設(shè)計(jì)要求22 方案設(shè)計(jì)32.1 設(shè)計(jì)思路32.2 方案設(shè)計(jì)52.2.1設(shè)計(jì)方案一電路圖52.2.2設(shè)計(jì)方案二電路圖 簡(jiǎn)單說(shuō)明62.3 方案比較73 部分電路設(shè)計(jì)3.1 8155顯示單元93.2 A

3、DC0809轉(zhuǎn)換單元103.3 單片機(jī)處理單元113.4 脈沖輸出電路123.5 譯碼及顯示電路154 調(diào)試與檢測(cè)（包括遇到的問(wèn)題和解決辦法，重點(diǎn)方案一調(diào)試） 164.1 調(diào)試中故障及解決辦法（分析產(chǎn)生的原因）（不能拷貝） 174.2 調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果（調(diào)試及仿真過(guò)程的敘述） 185 仿真操作步驟及使用說(shuō)明 19 結(jié)束語(yǔ)20 參考文獻(xiàn)21 附錄 電路圖23本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 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 1.1設(shè)計(jì)意義對(duì)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，我們掌握一些關(guān)于數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，具備了在日常生活與學(xué)習(xí)中應(yīng)用數(shù)字技術(shù)解決問(wèn)題的基本態(tài)度與基本能力但是對(duì)于各種門(mén)電

4、路、元器件芯片的結(jié)構(gòu)及其工作原理等知識(shí)，我們的理解依然比較膚淺。通過(guò)為期兩周的課程設(shè)計(jì)，可以讓我們對(duì)課堂上的知識(shí)有更深入的理解，同時(shí)做到理論與實(shí)際相結(jié)合，增強(qiáng)了我們電子電路的設(shè)計(jì)能力。此外，課程設(shè)計(jì)能夠最直接有效的訓(xùn)練我們的創(chuàng)新思維，提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。1.2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) 2.1 設(shè)計(jì)思路 首先需要個(gè)脈沖源信號(hào)刺激，燈的移位功能可以采取雙向移位寄存器來(lái)實(shí)

5、現(xiàn)，要完成花樣的轉(zhuǎn)換，則要改變移位寄存器移位寄存器移位信號(hào)控制端的狀態(tài)，移位寄存器功能控制端通過(guò)外圍計(jì)數(shù)器電路的輸出結(jié)合邏輯門(mén)電路得到狀態(tài)變換信號(hào)，由于控制端的信號(hào)需要保持一定的脈沖時(shí)間，所以要在移位信號(hào)控制端設(shè)置狀態(tài)鎖存電路。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，即實(shí)現(xiàn)左移，右移，置數(shù)，清零循環(huán)。本設(shè)計(jì)方案的主控制電路為74LS90構(gòu)成的二十四進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。功能實(shí)現(xiàn)電路采用的是74LS194和74LS198芯片，主要實(shí)現(xiàn)移位功能?？傮w方案共分為五部分。第一部分為脈沖產(chǎn)生電路，第二部分為計(jì)數(shù)器反饋電路，第三部分為移位寄存器控制信號(hào)鎖存電路，第四部分為移位寄存器與LED連接電路，第五部分為反饋清零循環(huán)電路。2.2 方案

6、設(shè)計(jì) 2.2.1設(shè)計(jì)方案一和方案二功能框圖計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)左移循環(huán)右移循環(huán)全滅全亮從左右向中間逐次 對(duì)稱(chēng)點(diǎn)亮 從中間向兩邊散開(kāi)點(diǎn)亮 方案一電路圖見(jiàn)附錄圖2-1 2.2.2方案一（個(gè)人方案）工作原理與功能實(shí)現(xiàn) 555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖輸入至計(jì)數(shù)器和74LS194移位寄 存器脈沖輸入端。兩片74LS90，構(gòu)成27進(jìn)制計(jì)數(shù)器。一片74LS198的輸出端分別與八個(gè)二輸入的或門(mén)的一個(gè)輸入端連接，八個(gè)或門(mén)另一個(gè)輸入端與74LS194輸出端的連接如電路圖2-2所示。同時(shí)，74LS194雙向移位寄存器的八個(gè)輸出端與一個(gè)八輸入的或非門(mén)連接，74LS194的四個(gè)輸出端分別與一個(gè)四輸入的或非門(mén)輸入端連接，二

7、者的輸出反饋輸入到移位寄存器的SR,SL端。由于移位寄存器在上電的初始狀態(tài)為零，所以SR與SL的輸入信號(hào)為1，使得移位寄存器的移位輸入信號(hào)只有一個(gè)1，即使只有一個(gè)燈亮。74LS198的控制信號(hào)的初始狀態(tài)為S1=0，S0=1，實(shí)現(xiàn)左移功能；當(dāng)27進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0=00000111時(shí)，輸出通過(guò)門(mén)電路反饋至D觸發(fā)器，通過(guò)D觸發(fā)器的輸出改變移位寄存器移位控制信號(hào)為S1=1，S0=0，實(shí)現(xiàn)右移；當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到一定數(shù)值時(shí)，相繼完成清零，置數(shù)和清零，封鎖198的脈沖開(kāi)啟194的脈沖，完成花樣二，功能完成后通過(guò)計(jì)數(shù)器反饋清零（所有芯片），實(shí)現(xiàn)循環(huán)功能。方案一電路圖見(jiàn)附錄圖2-2

8、2.2.3方案二（小組方案）功能原理及功能實(shí)現(xiàn) 方案二與方案一大體相同 ，區(qū)別在于第二花樣的控制電路部分不同,方案二采用兩片譯碼器，它們輸出端的高低位錯(cuò)位連接到二輸入與門(mén)的兩個(gè)輸入端，連接電路如附錄電路圖2-2所示。2.3方案比較 方案一與方案二復(fù)雜程度差不多，主要是移位寄存器的控制端信號(hào)控制電路。但方案二所用的芯片比方案一多，但的實(shí)現(xiàn)功能相同。3. 3部分電路設(shè)計(jì) 方案一部分電路 3. 1脈沖產(chǎn)生電路 圖3-1 555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩電路 555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱(chēng)為 555，555 定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作

9、，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。555 定時(shí)器成本低，性能可靠，通過(guò)外接幾個(gè)電阻、電容,即可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。555 定時(shí)器的外引腳排列圖如圖3-1 所示。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3。555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相

10、輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時(shí) TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。 555定時(shí)器功能表如表3-1所示。 RD V6 V2 V0（V3） 0 × × 低電平 1<2/3Vcc>1/3Vcc 不變 1>2/3Vcc<1/3Vcc 不定 1<2/3Vcc<1/3Vcc 高電平 1>2

11、/3Vcc>1/3Vcc 低電平 表3-1 555定時(shí)器功能表 3.2計(jì)數(shù)器產(chǎn)生電路 圖3-2 計(jì)數(shù)產(chǎn)生電路 兩片74LS90構(gòu)成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，右邊為低位左邊位高位。脈沖由CKA輸入，脈沖與移位寄存器的脈沖同步。數(shù)值從Q1Q0Q3Q2Q1Q0輸出，清零信號(hào)由外圍電路反饋輸入。 74LS90的引腳圖如圖3-3所示，功能表如表3-2所示 圖3-3 74LS90的引腳圖 表3-2 74LS90功能表Reset Inputs復(fù)位輸入 輸出 R0(1) R0(2) R9(1) R9(2) QD QC QB QA H H L X L L L L H H X L L L L L X X H H H

12、L  LH X L X L COUNT COUNT COUNT COUNT L X L X L X X L 3.3第一花樣產(chǎn)生電路 圖3-4 移位寄存器輸出端電路 74LS198的移位信號(hào)控制端S1,S0與兩個(gè)二輸入的或非門(mén)的輸出端3,6連接，置數(shù)端全部接高電平1。初始狀態(tài)下，S1=1，S0=0，SR=SL=1，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到來(lái)之后，輸出端完成一個(gè)高電平信號(hào)的移入，同時(shí)移位控制端變?yōu)镾R=SL=0，使得移入信號(hào)只有一個(gè)1，即使只有一個(gè)燈被點(diǎn)亮，輸出實(shí)現(xiàn)左移。當(dāng)移位信號(hào)移動(dòng)到第八個(gè)輸出端時(shí)，移位控制信號(hào)端變?yōu)镾1=1,S0=0。當(dāng)下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，移位信號(hào)向右移，燈由左向右依次被點(diǎn)亮，

13、直到移位信號(hào)1被移出輸出端，實(shí)現(xiàn)全滅功能，同時(shí)移位控制端變?yōu)镾R=SL=1下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，輸出端被置為Q7Q6Q5Q4QQ3Q2Q1Q0=11111111,使八個(gè)燈全部被點(diǎn)亮。當(dāng)燈點(diǎn)亮完成后，移位寄存器的脈沖輸入被封鎖，74LS198停止移位。74LS198引腳圖如圖3-5，功能表如表3-3。 圖3-5 74LS198引腳圖 輸入動(dòng)作CLEARS1S0CKHLH右移HHL左移HHH保持HLLxHOLDLxxx清除 表3-3 74LS90功能表 3.4第二花樣產(chǎn)生電路當(dāng)?shù)谝换庸δ芡瓿蓵r(shí)，即處于全滅狀態(tài)，74LS198的脈沖被封鎖，停止移位。同時(shí)第二花樣主控制器件74LS194的移位信號(hào)控制端

14、S1，S0由S1=0，S0=0變?yōu)镾1=0，S0=1,實(shí)現(xiàn)信號(hào)左移，即燈由兩邊向中間依次對(duì)稱(chēng)點(diǎn)亮，當(dāng)中間的兩個(gè)燈被點(diǎn)亮的同時(shí)，移位信號(hào)控制端變?yōu)镾1=1，S=0;當(dāng)下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，移位信號(hào)右移，燈由中間向兩邊依次散開(kāi)點(diǎn)亮。當(dāng)兩邊的燈被點(diǎn)亮?xí)r通過(guò)計(jì)數(shù)器反饋信號(hào)將所有的芯片清零，實(shí)現(xiàn)功能循環(huán)。 圖3-6 74LS194移位寄存器輸出電路 為了實(shí)現(xiàn)只有一個(gè)燈被點(diǎn)亮，將移位寄存器的輸出端反饋接到一個(gè)四輸入的或非門(mén)的4個(gè)輸出端，再將或非門(mén)的輸出端接到移位寄存器信號(hào)的輸入端，是移位寄存器開(kāi)始工作的移進(jìn)的信號(hào)為1.在下一個(gè)脈沖到來(lái)之前，移位寄存器信號(hào)的輸入端變?yōu)榱?，所以下一次移進(jìn)的信號(hào)為0。 74LS19

15、4的引腳圖如圖3-7所示 3.5顯示部分電路 圖3-7 74LS194引腳圖 圖3-8 LED連接電路 或門(mén)的輸入端分別與兩個(gè)移位寄存輸出端連接，通過(guò)或門(mén)對(duì)移位寄存器的輸出信號(hào)進(jìn)行選擇。 3.6反饋控制部分電路 通過(guò)與門(mén)反饋1，形成反饋控制信號(hào)，形成上升沿信號(hào)觸發(fā)D觸發(fā)器，改變移位寄存器移位信號(hào)控制端的信號(hào)和清零端的狀態(tài)。使移位寄存器完成移位，置數(shù)，清零等操作。由于移位寄存器的移位控制端信號(hào)需要保持一定的脈沖時(shí)間，所以用7474雙D 觸發(fā)器的輸出作為移位寄存器移位信號(hào)控制端的信號(hào)輸入。 圖3-9 74LS198移位信號(hào)控制端輸入 圖3-10 74LS194移位信號(hào)控制端輸入計(jì)數(shù)器反饋清零移位寄

16、存器D觸發(fā)器反饋清零計(jì)數(shù)器輸出端信號(hào) 圖3-11 反饋清零電路3.7方案二部分電路方案二部分電路與方案一大體相同，主要區(qū)別在于第二花樣主控制電路不同，主控制器件為3-8線譯碼器74LS138，如圖3-12所示。 圖 3-12 譯碼器控制第二花樣電路第二花樣的功能通過(guò)兩個(gè)3-8線譯碼器實(shí)現(xiàn)，由于3-8線譯碼器輸出低電平有效，所以它們高低位錯(cuò)位連接到二輸入與門(mén)的兩個(gè)輸入端，然后在對(duì)應(yīng)連接到八個(gè)或門(mén)的一個(gè)輸入端。兩個(gè)譯碼器的輸入信號(hào)由74LS190-U19構(gòu)成的八進(jìn)制計(jì)數(shù)器輸出端給出，由于要先完成第一花樣功能，所以在第一花樣未完成之前要封鎖該八進(jìn)制計(jì)數(shù)器的脈沖。通過(guò)二十七進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出反饋信號(hào)產(chǎn)生

17、上升沿觸發(fā)D觸發(fā)器，解除脈沖的封鎖，八進(jìn)制計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)兩個(gè)譯碼器開(kāi)始同時(shí)工作，由于高低錯(cuò)位連接，所以燈被從兩邊向中間點(diǎn)亮，然后散開(kāi)。最后被清零，完成循環(huán)。 74LS138譯碼器引腳圖，如圖3-13所示。 圖3-13 74LS138引腳圖 74LS138譯碼器功能表如表3-4所示。 表 3-4 74LS138功能表 4調(diào)試與檢測(cè) 4.1調(diào)試中故障及解決辦法 方案一的電路按照功能一步步連接，每完成一項(xiàng)功能調(diào)試仿真一下，在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在左移的過(guò)程燈還未亮到第八個(gè)燈時(shí)，燈就開(kāi)始轉(zhuǎn)向點(diǎn)亮即移位信號(hào)開(kāi)始右移，通過(guò)仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)反饋信號(hào)提前一個(gè)脈沖到來(lái)。通過(guò)讓反饋信號(hào)在下一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)反饋即可解決。當(dāng)

18、反饋信號(hào)到來(lái)時(shí)改變了移位寄存器移位信號(hào)控制端的狀態(tài)，但是通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)燈的移位方向只改變了一下，然后又變回原來(lái)的移動(dòng)方向。通過(guò)分析電路發(fā)現(xiàn)是由于控制端的信號(hào)只保持了一個(gè)脈沖，即與門(mén)的反饋信號(hào)只保持一個(gè)脈沖。但移位信號(hào)控制端的狀態(tài)需要保持把個(gè)脈從，因此通過(guò)雙D觸發(fā)器解決信號(hào)保持問(wèn)題。在仿真過(guò)程中用示波器觀察某些門(mén)電路的輸出端波形,發(fā)現(xiàn)有毛刺出現(xiàn)，這是競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象導(dǎo)致的，通過(guò)加入非門(mén)可以解決。但毛刺現(xiàn)象也可以被利用起來(lái)，通過(guò)加入雙D觸發(fā)器，可以消除毛刺的不良影響。4.2 調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果打開(kāi)protues仿真電路圖，進(jìn)行了仿真, 兩種花樣的仿真效果截圖如圖4-1所示。 從右向左移動(dòng) 從左向右移動(dòng) 全滅

19、 圖4-1 調(diào)試仿真效果圖 全 亮 兩邊向中間亮 中間向兩邊點(diǎn)亮 圖4-1 調(diào)試仿真效果圖 5仿真操作步驟及使用說(shuō)明操作步驟D1-D8為L(zhǎng)ED顯示部分。打開(kāi)PROTEUS界面，點(diǎn)擊運(yùn)行仿真按鈕即可進(jìn)行仿真。D1-D8的電平變化狀態(tài)如下花樣一右向左移:10000000 左向右移: 01000000 00000010 00100000 00000100 00010000 00001000 00001000 00010000 00000100 00100000 00000010 01000000 00000001 10000000全滅 00000000全亮 11111111中間向兩邊點(diǎn)亮10000001 0010010001000010 0100001000100100 1000000100011000 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)與制作，充分運(yùn)用了數(shù)電知識(shí)，通過(guò)對(duì)各種芯片與門(mén)電路的應(yīng)用，加深了對(duì)邏輯器件的功能