多路彩燈控制器的設(shè)計(jì)

多路彩燈控制器的設(shè)計(jì)一課程設(shè)計(jì)題目（與實(shí)習(xí)目的）（1）題目：多路彩燈控制器（2）實(shí)習(xí)目的：1．進(jìn)一步掌握數(shù)字電路課程所學(xué)的理論知識(shí)。2．熟悉幾種常用集成數(shù)字芯片，并掌握其工作原理，進(jìn)一步學(xué)會(huì)使用其進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。3．了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想和方法，學(xué)會(huì)科學(xué)分析和解決問題。4．培養(yǎng)認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和實(shí)事求是的工作態(tài)度。5．作為課程實(shí)驗(yàn)與畢業(yè)設(shè)計(jì)的過度，課程設(shè)計(jì)為兩者提供了一個(gè)橋梁。二任務(wù)和要求實(shí)現(xiàn)彩燈控制的方法很多，如EPROM編程、RAM編程、單板機(jī)、單片機(jī)等，都可以組成大型彩燈控制系統(tǒng)。因?yàn)楸敬螌?shí)習(xí)要求設(shè)計(jì)的彩燈路數(shù)較少，且花型變換較為簡(jiǎn)單，故采用移位寄存器型彩燈控制電路。（1）彩燈控制器設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)8路移存型彩燈控制器，要求：1.彩燈實(shí)現(xiàn)快慢兩種節(jié)拍的變換；2.8路彩燈能演示三種花型（花型自擬）；3.彩燈用發(fā)光二極管LED模擬；4.選做：用EPROM實(shí)現(xiàn)8路彩燈控制器，要求同上面的三點(diǎn)。（2）課程設(shè)計(jì)的總體要求1．設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)題目要求；2．電路在功能相當(dāng)?shù)那闆r下設(shè)計(jì)越簡(jiǎn)單越好；3.注意布線，要直角連接，選最短路徑，不要相互交叉；4.注意用電安全，所加電壓不能太高，以免燒壞芯片和面包板。三總體方案的選擇（1）總體方案的設(shè)計(jì)針對(duì)題目設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過分析與思考，擬定以下二種方案：方案一：總體電路共分三大塊。第一塊實(shí)現(xiàn)花型的演示；第二塊實(shí)現(xiàn)花型的控制及節(jié)拍控制；第三塊實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生。主體框圖如下：方案二：在方案一的基礎(chǔ)上將整體電路分為四塊。第一塊實(shí)現(xiàn)花型的演示；第二塊實(shí)現(xiàn)花型的控制；第三塊實(shí)現(xiàn)節(jié)拍控制；第四塊實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生。并在部分電路的設(shè)計(jì)上與方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。主體框圖如下：（2）總體方案的選擇方案一與方案二最大的不同就在，前者將花型控制與節(jié)拍控制兩種功能融合在一起，是考慮到只要計(jì)數(shù)器就可以實(shí)現(xiàn)其全部功能的原因，且原理相對(duì)簡(jiǎn)單。這樣設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)在于：設(shè)計(jì)思想比較簡(jiǎn)單。元件種類使用少，且都較熟悉易于組裝電路。缺點(diǎn)則是：中間單元電路連線過于繁多，容易出錯(cuò)。且可能出現(xiàn)線與關(guān)系。要避免這些，則勢(shì)必造成門電路使用過多。導(dǎo)致電路不穩(wěn)定，抗干擾能力下降。而后者則將以上兩種功能分開設(shè)計(jì)，各單元電路只實(shí)現(xiàn)一種功能。其優(yōu)點(diǎn)在于：電路設(shè)計(jì)模塊化，易于檢查電路，對(duì)后面的電路組裝及電路調(diào)試帶來方便。缺點(diǎn)則是：節(jié)拍控制電路采用可編輯邏輯電路，原理相對(duì)復(fù)雜，不易理解?；ㄐ涂刂齐娐泛?jiǎn)單，花型也比較簡(jiǎn)單?；谝陨显颍由蠟榱舜_保短時(shí)間內(nèi)完成課程設(shè)計(jì)，我選擇了連線少，易于組裝和調(diào)試的方案二。四單元電路的設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)所使用的元件及工具：74LS161（四位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器）----------------------2個(gè)；74LS194（移位寄存器）------------------------------2個(gè)；74LS151（八選一數(shù)據(jù)選擇器）---------------------------1個(gè)；74LS74（雙D觸發(fā)器）----------------------------------1個(gè)；74LS20（雙四輸入與非門）----------------------------3個(gè)；74LS04（六非門）------------------------------------2個(gè)；發(fā)光二極管---------------------------------------------8個(gè)；555-----------------------------------------------1個(gè)；電容：4.7μf----------------------------------------------1個(gè)；0．01μf---------------------------------------------1個(gè)；電阻：150kΩ------------------------------------------------------------1個(gè)；100Ω----------------------------------------------1個(gè)；4.7kΩ-----------------------------------------1個(gè)；實(shí)驗(yàn)板一個(gè)；萬用表一個(gè)；鉗子一個(gè)；導(dǎo)線若干。2.各個(gè)單元電路（1）花型演示電路由二片移位寄存器194級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。其八個(gè)輸出信號(hào)端連接八個(gè)發(fā)光二極管，用其輸出信號(hào)控制發(fā)光二級(jí)管的亮滅實(shí)現(xiàn)花型演示。三種花型變換樣式（2）花型控制信號(hào)電路由二片161級(jí)聯(lián)的模128（三種花型節(jié)拍每種顯示兩遍，再總體重復(fù)一遍的總節(jié)拍數(shù)）計(jì)數(shù)器。161的級(jí)聯(lián)用的是同步，并用^QH清零。當(dāng)三種花型全新顯示一遍后（總共64拍）161的輸出變?yōu)?0000100所以將161高位片的Q2（即QG）信號(hào)輸給節(jié)拍控制電路的151的A來通過節(jié)拍控制電路改變第二遍花型顯示的頻率。161的CP脈沖來自節(jié)拍控制電路中74的輸出端Y。電路圖如下：（3）節(jié)拍控制電路由一片151和一片74級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。整體上實(shí)現(xiàn)脈沖頻率的變換，即交替產(chǎn)生快慢節(jié)拍。令74的Vcc，CLR，PR都接高電平，將^Q的輸出接到D端，Q端的輸出接到151的D1端。令151的D0,D2,D3,D4,D5,D6,D7,B,C,G’,GND接低電平，Vcc接高電平，D0接時(shí)鐘信號(hào)的CP脈沖，A端接由花型控制電路的QG輸出。所以Y端的輸出就為：Y=CP·^A+Q·A(Q是74D觸發(fā)器的輸出端)由D觸發(fā)器具有記憶功能，記錄上一個(gè)狀態(tài)，所以在每一個(gè)CP脈沖的上升沿，Q輸出為上一次的記錄（即一個(gè)脈沖）。也就比時(shí)鐘信號(hào)電路的CP脈沖慢了一拍。所以通過A為0或1選擇Y端輸出的脈沖的頻率。A端接的是161的高位片的QG即當(dāng)?shù)竭_(dá)第64拍時(shí)QG為1接下來的65~128拍為變慢后的脈沖輸出。電路圖如下:（4）時(shí)鐘信號(hào)電路由一片555加上適當(dāng)電容及電阻實(shí)現(xiàn)。電容取：4.7μf0.01μf電阻?。?50kΩ4.7kΩ電路圖如下：五總體電路圖（見附頁）六電路組裝完成后，實(shí)際測(cè)量的各個(gè)單元電路的輸入、輸出信號(hào)波形1．基本CP脈沖產(chǎn)生電路波形圖與分頻電路波形圖2.測(cè)試波形:(列依次為CP脈沖,低位片194A,B,C,D,高位片194A花型一：花型二：花型三：七電路組裝、調(diào)試過程中發(fā)生的問題及解決的方法。我的數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)總共用了4天完成的，這4天每一天都有所收獲，都有所進(jìn)步。起初想預(yù)習(xí)但不知道都該看些什么也不知道從何看起，因?yàn)閷?duì)自己要設(shè)計(jì)的東西一點(diǎn)思路都沒有。所以第一天去了只知道要用到CP脈沖產(chǎn)生電路，因?yàn)闀嫌型旰玫碾娐穲D直接照著連就OK。可是問題并不是想的那么簡(jiǎn)單，因?yàn)槲乙婚_始操作就不知道怎樣布線才合理，常出現(xiàn)看著電路圖不知道這條線該走哪兒連過去，看過老師的示范后，對(duì)老師的布線法真是無限敬佩，聰明呀。所以當(dāng)然要學(xué)習(xí)了，于是自己也那樣連了。連完時(shí)鐘電路后，滿以為會(huì)很成功，因?yàn)槲业碾娐愤B得很簡(jiǎn)潔。結(jié)果是加電后LED二極管居然常亮，檢查電路沒什么問題，我開始不知所措，于是去咨詢其他同學(xué)，發(fā)現(xiàn)好多同學(xué)都有和我一樣的問題，有同學(xué)說那可能是線的而問題，也可能是板子的問題，也可能是電容的正負(fù)極插反了…不管是什么問題，一個(gè)個(gè)排除吧。最終其實(shí)也沒很確切的知道問題的所在，因?yàn)椴煌姆椒ǘ荚谠嚲唧w是哪個(gè)也不確定了。我覺得最可能是電容的正負(fù)極和LED的插穩(wěn)與否的問題。第二天去我拿了個(gè)數(shù)碼管來測(cè)試，結(jié)果連好了的電路加電測(cè)試結(jié)果卻完全是錯(cuò)誤的顯示，我檢測(cè)了電路測(cè)試了電位，都正確。老師過來看時(shí)讓我加電他看看，結(jié)果居然是我給的電壓太高了，我在加電是不小心把電壓調(diào)的很高，自己還沒在意，幸好沒把芯片很板子燒壞。在接下來的幾天中我看了一些參考書籍，大概有了自己的思路，于是開始一一試驗(yàn)，我用了<<數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)——數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)指南>>（北京郵電學(xué)院出版社高書莉編）所提供的三種花型，所以剛開始的幾天就一直在想怎樣將三種花型銜接起來，前兩天是一直都沒相處具體的解決方法。后來我就不停地分析花型的變化與161加法器數(shù)值的增加兩者之間的規(guī)律。我發(fā)現(xiàn)自己好像有點(diǎn)太急于求成首先就把問題帶到了最不容易解決的地方，于是我改變了思路開始不復(fù)雜的先簡(jiǎn)單化，三個(gè)花型的演示先不管，一個(gè)花型弄好再說。說行動(dòng)立馬行動(dòng)，先連好了時(shí)鐘信號(hào)電路再連了161的級(jí)聯(lián)電路，先用清零端制1同步CP脈沖，還連了194的級(jí)聯(lián)電路直接給低位片和高位片都加右移信號(hào)。先測(cè)試了161的工作狀態(tài)是否正常，正常后又測(cè)試了194的移位寄存功能，都正常。說明芯片和板子都很正常。將下來的一天我又通過分析找到了前兩種花型通過節(jié)拍控制其變化的方式，于是按照自己的設(shè)計(jì)連了電路圖，測(cè)試過電壓后，加電測(cè)試。結(jié)果完全正確，那一刻真挺欣慰，覺得這也是一件挺開心的事情。接下來的問題就是如何把第三種花型也加進(jìn)去。因?yàn)槲疫x的第三種花型稍有點(diǎn)復(fù)雜，因?yàn)閮蓚€(gè)194是同步級(jí)聯(lián)的但在花型顯示中看到是似乎是第一個(gè)先工作等到前4個(gè)燈都亮后高位片的194才開始工作，所以考慮將它怎樣加入費(fèi)了我好長(zhǎng)時(shí)間。問題的關(guān)鍵還是在如何用最少的門電路將其加入。最后的設(shè)計(jì)我用了12個(gè)芯片，應(yīng)該是很多了，可是依據(jù)我設(shè)計(jì)的花型，也只能得到這樣的設(shè)計(jì)，到目前為止我也只找到這樣的最簡(jiǎn)連接方案。其實(shí)在電路組裝過程中，遇到的最大問題是，芯片分布不夠合理，無法很好的布線。于是在分析了我的設(shè)計(jì)后計(jì)算了要用芯片的個(gè)數(shù)和個(gè)芯片之間的關(guān)系，按照各個(gè)控制電路的走向較合理的插好了芯片。其次就是布線，因?yàn)橐蟛粶?zhǔn)交叉，且橫平豎直，所以在保證連通的情況下，在布線上也下了不少工夫，雖然布線的成績(jī)不高只得到B+，但我想我是用心考慮過的，而且盡力做到我認(rèn)為很合理的布線，也就是用線的顏色有點(diǎn)混亂，因?yàn)橛昧撕芏鄰闹懊姘迳喜鹣聛淼呐f線，所以整個(gè)板子看起來有點(diǎn)雜亂。也因?yàn)槲业脑O(shè)計(jì)中要用3個(gè)74L00和2個(gè)74L04，12個(gè)與非門電路的連接卻是非了我好大的功夫。于是連線也就不十分合理了。調(diào)試過程中，第一輪用萬用表歐姆檔測(cè)試，就遇了實(shí)驗(yàn)板上有插孔不通的情況，導(dǎo)致芯片不能正常工作。相對(duì)于別的辦法，我選擇了導(dǎo)線顯示連通，因?yàn)槠涓魑?，更易?shí)現(xiàn)。對(duì)于高阻導(dǎo)線則只能換掉。第二輪接電后，用萬用表的電壓檔測(cè)試單元電路的狀態(tài)。如：時(shí)鐘信號(hào)電路的信號(hào)是否正常產(chǎn)生，控制信號(hào)電路中的計(jì)數(shù)器能否正常計(jì)數(shù)，D觸發(fā)器能否每2拍翻轉(zhuǎn)一次……最后在整體上測(cè)試一遍。在整個(gè)調(diào)試完成后，卻遇到的新問題：彩燈演示時(shí)有時(shí)正常有時(shí)混亂。在排除其它可能的情況下，我仔細(xì)檢查各端子的連接情況，發(fā)現(xiàn)清“0”端在清“0”后懸空了。將其插到電源正極后，發(fā)現(xiàn)問題解決了。八分析和總結(jié)。本次課程實(shí)習(xí)我雖然用了一個(gè)星期的時(shí)間就全部做完，但整個(gè)過程我都認(rèn)真的完成了，而且從中收獲很多?？梢钥偨Y(jié)為以下的幾點(diǎn)：1，對(duì)數(shù)字電路知識(shí)的鞏固與提高這次課程設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)的一些相關(guān)知識(shí)，在整個(gè)實(shí)習(xí)過程中，都離不開對(duì)數(shù)字電路課程知識(shí)的再學(xué)習(xí)。我在最開始，就先將實(shí)習(xí)用到的知識(shí)通過翻閱數(shù)電書回顧了一遍（這也是對(duì)這門課的復(fù)習(xí)，給以后的復(fù)習(xí)備考減少了很多負(fù)擔(dān)），這樣的回顧讓我對(duì)知識(shí)的理解更加透徹，對(duì)后來的快速設(shè)計(jì)起了很好的鋪墊作用。2，學(xué)會(huì)了理論聯(lián)系實(shí)際課程設(shè)計(jì)，通過選擇的題目，根據(jù)要求，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)將其付諸實(shí)踐來完成。這并不是在課堂上的單純聽懂，或者課后看書過程中的深入理解，這需要的是一種理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。理論知識(shí)往往都是在一些理想狀態(tài)下的假設(shè)論，而實(shí)際的動(dòng)手操作則完全不同，需要考慮實(shí)際中的很多問題。有些知識(shí)在理論上可能完全沒錯(cuò)但到了實(shí)際中則不然。比如在動(dòng)筆做題時(shí)我們是不用考慮導(dǎo)線的電阻的，但在實(shí)際中，導(dǎo)線電阻有時(shí)是會(huì)帶來時(shí)延造成花型變化的錯(cuò)亂，所以我們應(yīng)盡量在連接電路時(shí)選擇最短路徑。3，學(xué)會(huì)了如何運(yùn)用電路板、芯片、導(dǎo)線等組裝各種功能的電路；雖然這不是第一次用電路板，因?yàn)橹暗恼n內(nèi)實(shí)驗(yàn)也用過，但當(dāng)時(shí)的運(yùn)用也只是插些導(dǎo)線和電阻電容之類的，用了電路板的很小部分。這次的實(shí)習(xí)中應(yīng)用了整塊板子，實(shí)習(xí)后對(duì)電路板的組成完全了解了，并能熟練運(yùn)用。實(shí)習(xí)中通過對(duì)電路的連接也懂得了如何通過設(shè)計(jì)的分析對(duì)所連電路的整體布局，如何更好的放置芯片在最合適的位置。在導(dǎo)線的連接上，如何選擇導(dǎo)線走向是關(guān)鍵，我們應(yīng)該盡量保證所連電路的簡(jiǎn)捷，寧短勿長(zhǎng)，合理布線。一個(gè)完美的作品不僅要能很好的完成要求實(shí)現(xiàn)功能，還要在感官上給人美的享受。所以站在美的角度對(duì)自己的電路進(jìn)行改良是很必要的。4，和同學(xué)的互相協(xié)作共同進(jìn)步在實(shí)習(xí)中經(jīng)常會(huì)遇到一些自己可能暫時(shí)無法想明白的問題，請(qǐng)教同學(xué)或老師是很好的做法，節(jié)省時(shí)間也會(huì)從別人上上學(xué)到更多。在設(shè)計(jì)時(shí)和同學(xué)相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人對(duì)問題的看法總有差異，我們可以從交流中獲得不同的idea，其他人的設(shè)計(jì)一定有比你出色的地方，很好的借鑒，并在大家的商討中選擇最優(yōu)方案最終一定會(huì)得到最好的設(shè)計(jì)方法。5，其他課程實(shí)習(xí)設(shè)計(jì)是開端