彩灯循环控制电路的设计与制作Word文档格式.docx
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Johnson计数器，提供了快速操作、2输入译码选通和无毛刺译码输出。
防锁选通，保证了正确的计数顺序。
译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。
在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。
CD4017芯片引脚排列：
图2（CD4017引脚排列图）
引出端功能符号
CO：
进位脉冲输渊CP：
时钟输入端
CR：
清除端INH：
禁止端
Q0-Q9：
计数脉冲输出端VDD：
正电源
VSS：
地
输入
输出
CP
INH
CR
Q0-Q9
CO
×
H
Q0
计数脉冲为
Q0-Q4时：
CO=H
↑
L
计数
↓
保持
Q5-Q9时：
CO=L
表1（CD4017真值表）
电路图说明：
通过借助芯片CD4017，将计数和译码的功能集合到了一起，直接将芯片的输出接到彩灯负载上。
芯片的13脚为使能端，低电平有效，为保证芯片正常工作，将其直接接地。
当接通电源，并且加入脉冲信号时，芯片开始从000开始计数。
此时，Q0输出高电平，Q1—Q9输出低电平，所有灯全灭。
当第一个脉冲来临，芯片计数变为001，Q1有效，输出高电平，其余输出低电平，即对应的第一个灯亮了。
依次循环，当Q9输出高电平时，CR有效，实现清零，注意到此时Q0是高电平，其余为低电平。
图3（方案一总体设计图）
1．2方案二
图4（方案二方框图）
通过采用两片4位多功能移位寄存器，借助于移位操作，实现彩灯的左右移动点亮。
移位寄存器除了具有存储代码的功能以外，还具有移位的功能。
所谓移位功能，是指寄存器里存储的代码能在移位脉冲的作用下，依次左移或右移。
因此，移位寄存器不但可以用来寄存代码，还可以用来实现数据的串行~并行转换、数值的运算以及数据的处理等。
74LS194的引脚排列图和逻辑功能示意图：
图5（74LS194引脚排列图和逻辑功能示意图）
其中，DSR（2脚）为数据右移串行输入端（先输高位，再输低位）
DSL为数据左移串行输入端（先输低位，再输高位）
D0~D3为数据并行输入端
Q0~Q3为数据并行输出端
M1、M0为控制端
CR为复位端（异步清零）
芯片的控制端和工作状态的关系表：
/CR
M1
M0
工作状态
X
异步清零
1
右移
左移
并行输入
表2（芯片的控制端和工作状态的关系表）
74LS194是4位双向移位寄存器，它具有并行输入、并行输出、左移和右移的功能。
74LS194的操作主要由两个工作方式控制端M1、M0来决定。
当M1M0=00时，为保持状态。
当M1M0=01时，进行右移操作。
当M1M0=10时，进行左移操作。
当M1M0=11时，进行置数操作。
在后三种操作中，都是同步的，即必须有时钟信号，在时钟信号的上升沿到来时，进行左移，右移和置数操作。
此外，芯片为异步清零，只要当CR端为低电平有效时，即实现清零，而与脉冲无关。
功
能
DSL
DSR
D0
D1
D2
D3
Q1
Q2
Q3
清零
Q00
Q10
Q20
Q30
置数
Q0n
Q1n
Q2n
Q3n
表3（74LS194功能表）
具体功能如下：
清零：
当CR=0时，不管其它输入为何状态，输出为全0状态。
保持：
CP=0，CR=1时，其它输入为任意状态，输出状态保持。
或者CR=1，M1、M0均为0，其它输入为任意状态，输出状态也保持。
置数：
CR=1，M1=M0=1，在CP脉冲上升沿时，将数据输入端数据D0、D1、D2、D3置入Q0、Q1、Q2、Q3中并寄存。
右移：
CR=1，M0=1，M1=0，在CP脉冲上升沿时，实现右移操作，此时，若DSR=0，则0向Q0移位，若DSR=1，则1向Q0移位。
左移：
CR=1，M0=0，M1=1，在CP脉冲上升沿时，实现左移操作，此时，若DSL=0，则0向Q3移位，若DSL=1，则1向Q0移位。
电路说明：
电路总体分三个区：
控制输入端、置数区、清零区分别实现相应的功能。
首先接通电源，加入时钟脉冲信号。
将两个芯片的清零端设置为高电平，使其无效。
在置数区，将输入置为01111111即保证只有一个输入为低电平，其余为高电平。
然后将控制输入端M1M0设为11，实现置数功能，即可将输入端的二进制信息加入到相应锁存器中并输出。
从图中可以看出，当输出为低电平时，相应二极管LED发光，否则熄灭。
当将控制输入端M1M0设置为01时，芯片实现右移功能。
在芯片1中，将Q3连接到芯片2中的SR端，当脉冲信号到来时，即可实现两块芯片之间的传递移位。
同理，将芯片2中的Q3连接到芯片中的SR端。
这样就可以实现，不断重复循环的右移下去。
当将控制输入端M1M0设置为10时，芯片实现左移功能。
同理，也将芯片1的Q0连接到芯片2的SL端，将芯片2的Q0端连接到芯片1中的SL端，实现循环的左移。
当将控制输入端M1M0设置为00时，芯片实现保持功能。
即相当于暂停移动功能。
2、方案优缺点
2.1方案一的优缺点
优点：
电路能实现基本的功能任务。
电路原理清晰明了，电路图简单，易于实现，即使出现问题，也便于检查。
缺点：
方案本身没有太多的创意，仅仅依靠芯片本身来实现功能，不能实现左右移动、全亮的功能。
可变动性差。
2.2方案二的优缺点
首先本方案是本次课程设计的最终方案，因为它可以实现所有的任务，并且电路本身也较为简洁，只使用了两片74LS194芯片。
电路的功能也可以得到一些扩展。
电路对彩灯的控制只限于任务本身，只能实现左右移动，没有太多的变换。
2.3方案选择
由于方案一本身创意简单，仅仅靠芯片本身实现功能，不满足课程设计的需要，同时为了锻炼自己的动手能力，思维能力，对自己专业知识的熟悉，我们最终选择方案二来进行设计。
3、CP时钟脉冲信号电路（1Hz）
由于上述设计中所用到的芯片全要有脉冲信号的触发才能完成相应的功能，所以就需要用到脉冲产生电路。
此外，我们也要通过控制脉冲信号的频率来达到彩灯循环显示且频率快慢为1S的要求。
我这里用到的是用555定时器设计的多谐振荡器，多谐振荡器的优点是在接通电源之后就可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，而不需要再外加输入信号了。
555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件，应用十分广泛。
由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，这样就使多谐振荡器产生的振荡频率受电源电压和环境温度变化的影响很小。
时钟脉冲信号电路图
图6（时钟脉冲信号电路图）
用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为:
T=0.7（R1+2R2）C。
为保证输出脉冲信号的频率为1Hz，最终确定R1=15KΩ、R2=68KΩ、C=10uF。
二、电路设计
1、方案总体设计电路图
图7（电路总体设计图）
2、方案仿真图
图8（电路仿真效果图）
三、电路调试
1、电路板的调试
1.1对秒脉冲产生电路的调试
从555芯片的3端输出端引出一根线接一个二极管LED的正极，另一端接地，接通电源，观测LED的亮与灭的间隔时间。
如是不正常的，检查接线是否以及555芯片是否是正常的。
如若是正常的，则进行下一步。
1.2对彩灯显示电路调试
将所有的彩灯都接通电源，看所有的彩灯是否都能正常发光。
如若都正常，则进行下一步。
1.3对控制电路的调试
（1）调节清零区的开关，使两个芯片的清零端处于低电平有效状态。
看所有的彩灯是否都亮了。
如果不是，检验清零的控制端有否有虚接的地方。
如果完好，就检查两个芯片是否完好。
如若都正常，则进入下一步。
（2）在置数区置好数，再将控制输入端拨至11状态，看能否正常的置数。
如果不能正常置数，首先检验，置数区是否有虚接的地方。
如果没有，则检查控制输入端是否有虚接的地方。
如果都没有，则检查各个拨码开关是否有坏的。
（3）分别将控制输入端拨至01、10、00状态，检查整个电路是否能正常的左右移动和暂停锁存。
如果不行，则检验两个芯片的DSL、DSR端脚是否有虚接的地方。
如果没有，则检验芯片是否有损坏。
如若正常，则调试过程完毕，作品胜利完成。
2、调试中问题
2.1：
彩灯一个都不亮
原因一可能是彩灯显示电路出了问题，电源没有连接好或者关键部位出现了续接。
原因二可能是，芯片没有正常工作。
2.2：
彩灯可以亮，但是不能左右移动
原因一可能是555脉冲信号发生器有问题，没有脉冲输出。
原因二可能是74LS194芯片的连线出了问题，或是没有接电源或没有接地，从而使芯片无法正常工作。
四、设计总结与体会
此次的课程设计是一次很难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识，充分发挥自己的想象，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。
平时在学习理论知识的时候，可能考虑更多的是如何做题，如何得高分，根本就没有想到我们所学的这些东西有什么用。
这次的课程设计让我们感受到了它们在实际中的用途，例如频率计、数字钟……这些都是我们身边很常见的器件，都是我们自己可以通过所学知识实现的，突然感觉自己学的东西很有用了，我相信这样就可以激发我以后的学习兴趣，有利用今后更好地学习。
在实际电路制作的过程中，我们出现了很多问题。
去检验，去调试真的是个很烦人的工作。
正因为此，这更进一步锻炼了我们的耐心。
让我们在遇到困难与挫折时，不要轻言放弃。
只要仔细认真去对待，我们可以解决所有问题的。
而且我们很赞同学校这种利用课程设计来考验我们动手能力和动脑能力的教学方式，这样一方面激发了我们自主学习的兴趣，另一方面也巩固了学习到的理论知识，可以从实践中积累实际的经验，而不是老停留在理论学习的阶段。
总之这次实践对我们现在的学习以及以后的工作都是很大的帮助，而且对我们分析问题的方法也有很大的帮助，使我们考虑问题更周到，更全面。
五、参考文件
[1]康华光.电子技术基础数字部分（第五版）
[2]阎石.数字电子技术基础（第五版）
[3]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.
[4]童诗白模拟电子技术基础（第四版）
元件清单：
序号
名称
符号
型号规格
数量
电容
C
0.1uf
2
10uf
3
电阻
R
300
20
4
15k
5
68k
6
双向移位寄存器
74LS194
7
555定时器
8
发光二极管
LED
9
拨码开关
SWDIP—2
10
SWDIP—4
附：
效果图
图9
图10
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