数电课程设计彩灯控制器毕业设计

电子课程设计 -彩灯控制器 学院：太原科技大学华科学院 班级：电子132201H班 姓名：xxxxxx 学号：2013xxxxx 指导老师：xxxxx 2015.12.302目 录一、设计任务与要求2二、总体框图23、 选择器件44、 功能模块16 1、花型控制电路的设计16 2、花型演示电路的设计20 3、节拍控制电路的设计21 4、时钟信号电路的设计22五、总体设计电路图236、 硬件调试277、 课程设计总结28八、参考资料30彩灯控制器1、 设计任务与要求 1.设计任务 （1）进一步学习数字电子技术课程所学理论知识。 （2）熟悉几种常用的集成数字芯片，并掌握其工作原理，会用其进行 电路的设计。 （3）了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。 （4）根据设计要求完成一个彩灯控制电路的设计，并通过硬件调试进 行验证。2.设计要求 （1）所设计的8路彩灯能出现三种花型，能够完成三种花型的自动闪 烁循环变换。 （2）第一个花型是：8路彩灯分两半，分别从左到右依次点亮，全亮 后再分别从左到右依次熄灭。循环两次。 （3）第二个花型是：从中间到两边一次点亮，全亮后再从中间到两边 依次熄灭。循环两次。 （4）第三种花型是：从左到右依次点亮，全亮后再从左到右依次熄灭。 循环两次。 （5）彩灯用发光二极管LED模拟。2、 总体框图 设计彩灯控制器整体系统框图如图1所示。 多谐振荡器/脉冲发生器 数据选择器 计数器 移位寄存器 D触发器 输出 图1 系统原理框图 1.整体思路 该循环彩灯的设计制作由时钟信号CP电路、花型控制电路、花型演示电路、节拍控制电路构成的集成电路来实现。本课程设计要实现三路不同花样的输出，则整个电路共由时钟电路、计数电路、开关电路、方向控制、数据输出五个模块构成。以时钟电路产生基础时为其他芯片提供基础时序脉冲。由两个十六进制计数器进行置数，形成不同的花型变化。另外，由数据选择器和双D触发器构成开关电路，最后由移位寄存器输出到八路LED上，LED共阴极输出（高电平有效）。由555定时电路输出两路一定频率的脉冲，一路输入到74LS161四位二进制可预置同步加法计数器中，一路输入到74LS194移位寄存器中。将74LS161的输出通过与非门和非门来控制双向移位寄存器74LS194，并将数据选择器的输出结果输入到移位寄存器中，以此来控制LED灯的亮灭方式。 2.每一模块的功能 时钟信号CP产生电路：由555定时器构成的多谐振荡器来产生。 花型控制电路：由74LS161四位二进制同步计数器完成。 花型演示电路：由74LS194 双向移位寄存器完成（可左移右移完成花型变化）。 节拍变化电路：由7LS151八选一数据选择器完成，节拍的快慢变化可由 74LS74 双上升沿D触发器完成，它可实现二分频。 3.根据设计要求及思路拟定了以下两种方案方案一：总体电路共分三大块。第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现时钟信号的产生。结构框图如图2所示。结构框图如下：时钟信号CP产生电路花型控制电路花型演示电路 图2方案二：在方案一的基础上将整体电路分为四块。第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现节拍控制；第四块实现时钟信号的产生。并在部分电路的设计上与方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。结构框图如图3所示。结构框图如下： 图3 4.总体方案的选择方案一与方案二最大的不同就在，方案一是基于基本要求而设计的，方案二加入了节拍的变化，花型控制电路和花型演示电路的CP都是节拍控制之后的CP。两种方案的基本思路相同，将整个设计电路的功能模块化，设计思想比较简单。元件种类使用少，且都较熟悉易于组装电路。这么设计的出发点是：电路设计模块化，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试都很方便。花型控制电路简单，花型也比较简单。由于在设计的构想时期，已经确定将电路模块化，设计的过程中又已经将节拍控制电路设计出来，通过仿真软件也实现了设计要求分频。方案二同时完成了分频的目的，只要确保每一模块实现其功能方案二并不难也不复杂，为了确保短时间内完成课程设计和高效率，我选择了方案二。3、 选择器件本课程设计所用的器件如表一所示。 表一 本次课程设计所用的仪器 种类 元件 数目芯片电容LM55574LS15174LS7474LS16174LS19474LS0474LS004.7F100nF1个1个1个2个2个4个4个 1个 1个电阻4.7K150K50 1个 1个 8个二极管发光二极管（红、橙、绿、蓝）普通二极管2个*41个 1.由定时器555组成的多谐振荡器 555定时器的内部结构框图和符号图如图4所示，555定时器的引脚图如图5所示。 图4 555定时器的内部结构框图和符号图（1）1接地(GND)端；（2）2是触发端；（3）3是输出端；（4）4是复位端；（5) 5是控制端；（6）6是阈值端；（7）7是放电端；（8）8是电源电压Vcc；(9)比较器1，比较器2；（10）、是与非门；（11）是缓存器。 由图4所示的内部结构框图可知，它由比较器1、比较器2、与非门与组成的SR锁存器和放电三极管组成。555 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。555定时器的工作原理：由左上图可见，当第5脚悬空时，第8脚所接的电源电压Vcc经三个5k的电阻分压，电压比较器同相输入端的电压为 ，该电压是电压比较器的参考电压；电压比较器反相输入端的电压为 ，该电压是电压比较器的参考电压。当输入电压 ； 时，电压比较器反相输入端的输入电压小于同相输入端的参考电压，比较器输出电压为正极性的信号，即高电平信号“1”；电压比较器同相输入端的输入电压小于反相输入端的参考电压，比较器输出电压为负极性信号，即低电平信号“0”；RS触发器被置位，输出电压u0等于1。当输入电压 ，ui2从 时，电压比较器反相输入端的输入电压小于同相输入端的参考电压，比较器的输出电压为高电平信号“1”；电压比较器同相输入端的输入电压从小于反相输入端的参考电压变化到大于反相输入端的参考电压，电压比较器2的输出电压从低电平信号“0”变为高电平信号“1”；RS触发器处在保持的状态，保持 010导通11不变不变 50%;为了减小占空比，在两边加了一个二极管，以保证T1、T2相等。本设计中振荡周期T=1s，所以，。这样可以实现0.5S节拍。（注：多谐振荡器部分也可以用一个电源来代替） 2.八输入数据选择器74LS151集成多路选择器74LS151具有8个输入信号、一对互补输出信号Y和W、三个数据选择信号C、B、A和使能信号G。本设计中74LS151是控制节拍的交替输出。多路选择器74LS151的逻辑图、引脚图、逻辑符号分别如图7、8、9所示。74LS151数据选择器功能表如表三所示。 图7 多路选择器74LS151的逻辑图 图8 74LS151的引脚图 图9 多路选择器74LS151的逻辑符号 表三 74LS151数据选择器功能表输入输出选择选通 10100000010010001101000101011001110 3.74LS74触发器 74LS74是一个双D触发器，是上升沿触发的。它具有接受并记忆信号的功能，属于脉冲触发方式，抗干扰能力好，工作速度快。74LS74的逻辑图、引脚图、内部原理图、逻辑符号图分别如图10、11、12、13所示，74LS74的逻辑功能表如表四所示。 图10 74LS74的逻辑图 图11 74LS74的引脚图 图12 74LS74的内部原理图 表四 74LS74的逻辑功能表 输入 输出 PR CLRCLK0110100100111111011001110 图13 74LS74的逻辑符号4.74LS161（四位二进制同步计数器） 74LS161的引脚图、逻辑符号图分别如图14、15所示。74LS161的逻辑功能表如表五所示。 图14 74LS161的引脚图 图15 74LS161的逻辑符号 表五 74LS161的逻辑功能表 输入 输出0异步清零10同步置数1111计数110保持110保持74LS161的逻辑功能：当清零端=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当=“1”且=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1；当=1时，且=0或=0时，就保持原来状态。 5.双向移位寄存器74LS19474LS194既可以左移也可以右移，该寄存器具有模式控制端、，当=1，=1时，同步并行输入；当=0、=1时，右移；当=1、=0时，左移；当=0、=0时，时钟禁止。74LS194的内部结构图、逻辑符号、引脚图分别有图16、17、18所示，74LS194的逻辑功能表如表六所示。 图16 74LS194的内部结构图74LS194的逻辑功能如下：、为并行输入端；、为并行输出端；为右移串行输入端；为左移串行输入端；、为操作模式控制端；为直接无条件清零端；为时钟脉冲输入端。74LS194有5种不同操作模式：并行送数寄存；右移(方向由)；左移(方向由)；保持及清零。 图17 74LS194的逻辑符号 图18 74LS194的引脚图 表六 74LS194的逻辑功能表 输入 输出 功能 模式 串行 并行 00000异步清零100000保持111并行置数1011 1000 1100 1110 1111 左移1010 0111 0011 0001 0000左移1101 0001 0011 0111 1111右移1100 1110 1100 1000 0000右移100 0000保持 5.非门74LS04 74LS04的逻辑符号、管脚图、内部结构图分别如图19、20、21所示。 图19 74LS04的逻辑符号 表七 74LS04的逻辑功能表 图20 74LS04的管脚图 图21 74LS04的内部结构图74LS04的逻辑功能：是当输入为高电平时输出为低电平，而输入为低电平时输出为高电平。74LS04的逻辑功能表如表七所示。 6.与非门74LS00 74LS00的管脚图、逻辑符号图分别如图22、23所示。 图22 74LS00的管脚图 图23 74LS00的逻辑符号74LS00的逻辑功能：是当两个输入都为高电平时输出为低电平，而两个输入只要有一个为低电平时输出就为高电平，当两个输入都为低电平时，输出也为高电平。74LS00的逻辑功能表如表八所示。 表八 74LS00的逻辑功能表ABY0010111011104、 功能模块 1.花型控制电路 由二片移位寄存器74LS194实现。其八个输出信号端连接八个发光二极管，用其输出信号控制发光二级管的亮灭实现花型演示。而花型之间的变化通过花型控制电路的输出即74LS161级联的计数器输出控制（它们由同一个CP脉冲控制）。 移位寄存器输出状态编码表如表九所示。 三种花型变换样式： 花型1：8路灯分两半（前4个1路，后四个1路）。从左至右渐亮，全亮后，再分两半从左至右渐灭。循环两次； 花型2：从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后仍由中间到两边逐次渐灭。 循环两次； 花型3：从左至右顺次渐亮。全亮后逆序渐灭。循环两次。 表九 移位寄存器输出状态编码表节拍序号花型1花型2花型3100000000000000000000000021000100000011000100000003110011000011110011000000411101110011111101110000051111111111111111111100006011101111110011111111000700110011110000111111110080001000110000001111111109111111111001111111110011111112000111111300001111140000011115000000111600000001我的设计是每种花型完整显示两遍，所以三种花型完全显示一遍需要的总结拍数为64，即116显示第一个花型，1732显示第二个花型，3364显示第三个花型。要用74LS194实现三个花型的连续显示必须对两片74LS194的S1、S0和SL、SR对节拍的变化进行相应的改变,通过74LS161的输出反馈来控制经过观察每16个CP低位片输出变化比较频繁,（把74LS161的高位片输出用表示）根据变化的花型频率选用高位片的去控制74LS194的SL、SR、S1、S0的变化从而实现花型的变化。现将两片74LS194分为低位片1和高位片2，再将其输出端从低位到高位记为。列出各花型和其对应的74LS194的S1、S0、SL、SR的输入信号及节拍控制信号列表如表十所示。表十 各花型和其对应的74LS194的S1、S0、SL、SR的输入信号及节拍控制信号花型低位片高位片节拍控制信号SLSRS1S0SLSRS1S01 01 010021001103010101010111列出卡诺图分析进行分析：74LS194的低位片： 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0SL= S1= 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1SR= S0=74LS194高位片： 0 1 0 1 0 X X 0 1 X X 1 SL= SR= 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1S1=0 S0=1由上图分析可以得到控制74LS194高、低位片的左移右移变化控制端S1、S0以及串行输入端的由74LS161的输出端 、和本身输出端和控制。用去表示161从低位到高位的8个输出端。控制结果表达式如下：194低位片194高位片 S1=S1=0S0=S0=1SL= SL= SR= SR= 电路图如下： 2.花型演示电路 由二片74LS161级联的模128（三种花型节拍每种显示两遍，再总体重复一遍的总节拍数）计数器。 74LS161的级联用的是同步,并用清零。当三种花型全新显示一遍后（总共64拍）161的输出变为00000100所以将161高位片的（即）信号输给节拍控制电路的74LS151的A来通过节拍控制电路改变第二遍花型显示的频率。74LS161的CP脉冲来自节拍控制电路中74LS151的输出端Y。 电路图如下： 2. 节拍控制电路 由一片74LS151和一片74LS74级联实现。整体上实现脉冲频率的变换，即产生快慢节拍。 令74LS74的Vcc，CLR，PR都接高电平，将的输出接到D端，Q端的输出接到74LS151的D1端。令74LS151的B,C,GND接低电平，Vcc接高电平，接时钟信号的CP脉冲，A端接由花型控制电路的输出。 所以Y端的输出就为: (Q是74LS74D触发器的输出端)由D触发器具有记忆功能，记录上一个状态，所以在每一个CP脉冲的上升沿，Q输出为上一次的记录（即一个脉冲）。也就比时钟信号电路的CP脉冲慢了一拍。所以通过A为0或1选择Y端输出的脉冲的频率。A端接的是74LS161的高位片的QG即当到达第64拍时为1接下来的65128拍为变慢后的脉冲输出。电路图如下: 4.时钟信号电路 由一片555加上适当电容及电阻实现。 电容取：4.7F 0.01F；电阻取：150 K 4.7 K电路图如下： 5、 总体设计电路图 （注：由于电路图太大，还有就是仿真软件的问题，在观察彩灯变化时间太长，所以CP产生电路产生脉冲也可以用电源代替）*各个单元电路输入输出波形（1）基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图（2） 测试波形: (列依次为CP脉冲,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D即)花型一： 花型二：花型三：六、硬件调试硬件调试的时候，直接用单脉冲替代了多谐振荡器来提供时钟信号，用了2个74LS161、2个74LS194、1个74LS151、1个74LS74、1个74LS00、1个74LS04共8个芯片、90条导线。连电路时候得非常的细心，思路也得非常的清晰。最后连好电路后，验证时发现前两个花型能完全实现，没有任何问题，但是在实现第三个花型中途出现了问题，只有前面的4个灯亮了，后面的4个灯没能继续亮下去，之后对电路又进行了一遍检查，但是由于涉及的线太多，还没能检查出问题来，对于这个问题我之后又有所反思，觉得应该是门的问题，可能在移位的时候出现了问题，因为74LS161是通过控制这些门来控制移位的。遇到这样的问题，我觉得主要是当时接线的时候有点太匆忙，没有去验证各部分的正确性就去达到最后目标。这次硬件调试也是体现我们动手能力及逻辑思维的一部分，通过硬件调试还提高了我们的动手操作能力，让理论与实际更进一步的结合，达到了最终目的。 下图是硬件调试时候线路连接的照片以及所用芯片照片。七、课程设计总结从本次课程设计中我收获很多。可以总结为以下的几点： 1、巩固数电知识这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识，在整个设计过程中，都离不开对数字电路课程知识的再学习。我在最开始，就先将设计用到的知识通过翻阅数电书回顾了一遍，这样的回顾让我对知识的理解更加透彻，对后来的快速设计起了很好的铺垫作用。而且还参考了数字电路实验指导书， 关于芯片的管脚，里面有清晰的描述。 2、学会用Multisim10.0设计并仿真电路 虽然这不是第一次用Multisim软件，因为之前的课内实验也用过，但当时的运用也只是根据实验课本上的步骤进行，没有真正的理解。这次的课程设计中应用到了很多功能及内容，并能熟练运用。课程设计中通过对电路的连接也懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局。 3理论联系实际课程设计，通过选择的题目，根据要求，运用所学知识将其付诸实践来完成。这并不是在课堂上的单纯听懂，或者课后看书过程中的深入理解，这需要的是一种理论联系实践的能力。理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论，而实际的动手操作则完全不同，需要考虑实际中的很多问题。有些知识在理论上可能完全没错但到了实际中则不然。总结：本次试验中包括CP的产生电路用的555芯片，硬件调试电路我用了8个芯片（两片74LS161、两片74LS194、一片74LS00、一片74LS04），分频电路用74LS74和74LS151实现。在仿真过程中掌握了ModelSim10.0软件的操作，用所学习过的芯片设计电路。总而言之，提高了自己的综合思考能力和动手实践能力。感觉在这段时间中自己学会了很多东西，如设计电路最重要的是思路要清晰，一旦有了自己的思路就应该有层次有条理的探索下去，只要坚持自己的观点和判断，就一定能实现，即便最后发现走进了死胡同，但是探索设想与求证的过程却是通往另一条道路必不可少的环节。经过这次试验，终于感觉到了理论与实际的差别有多大了，当然这个过程也是非常的考验人的，不仅仅是考察你的理论知识，动手能力，以及检查问题并解决问题的能力，更是在考验一个人的耐心，细心。在连接电路的过程中，丝毫不得马虎，必须清楚的了解每个芯片的管脚分布图，功能表。在实验过程中出现问题并不可怕，可怕的是在反复的受挫中没有革新，不能改进自己的方法和思路。因此自己应该具有创新思维。通过这次课程设计，我对电子技术中的诸多知识有了更深层次的理解，也初步学会了如何将理论知识有机地与实际结合加以运用。这是一次获益匪浅的实践设计。八、参考资料电子技术实验与课程设计-机械工业出版社毕满清编数字电子技术基础-科学出版社 夏路易编数字电路逻辑设计 -高等教育出版社 王毓银编CMOS数字电路应用-中国电力出版者 肖景和编数字电子技术（第五版）-高等教育出版社 阎石编数字系统设计-数字电路课程设计指南 -北京邮电学院出版社 高书莉编30