设计八路循环彩灯电路设计Word文档格式.docx
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Keywords:
Eightlinescirculatinglights;
555timer;
Counter;
Shiftregister
目录
4.1循环彩灯原理图8
4.2循环彩灯仿真图9
1引言
随着“数字化”的浪潮席卷几乎一切领域。
由于电子产品更新的快，新产品开发速度日新月异，所以对电子自动化（EDA）的设计提出了更高的要求，促进了数字化的飞速发展。
数字电路的设计过程和方法也在不断的发展和完善。
通过这次毕业设计主要是：
以Protel软件为设计平台，了解基本的数字电路知识，学习基本的集成元件的连接方法，掌握电子设计的根底知识，并且运用这些知识设计循环彩灯电路。
了解基本的集成芯片并且运用之以根据要求设计循环彩灯电路。
电子线路CAD的基本含义是使用计算机来完成电子线路的设计过程，包括原理图的编辑，电路功能仿真，工作环境模拟，印制板设计（包括自动布局、自动布线）与检测（包括布线、布局规则的检查和信号的完整性分析）等。
电子线路CAD软件还能迅速形成各种各样的报表文件，如元件清单报表，为元器件的采购及工程预算等提供了方便。
目前，电子线路CAD软件种类很多，但Protel具有操作简单、方便、易学等特点，自动化程度高，是目前比较流行的电子线路CAD软件之一。
电气工程及其自动化专业是电气信息领域的一门新兴学科，它的触角伸向各行各业，小到一个开关的设计，大到宇航飞机的研究，都有它的身影，已经成为高新技术产业的重要组成部分，广泛应用于工业、农业、国防等领域，在国民经济中发挥着越来越重要的作用。
专业体现了强弱电结合、电工电子技术相结合、软件与硬件相结合，具有交叉学科的性质，电力、电子、控制、计算机多学科综合，使毕业生具有较强的适应能力，是“宽口径”专业。
还有现在我们学校正处在发展过程中，有着很强的生命力和活力。
为了使学生能够适应当今时代的发展，在而培养我们的独立分析学校的大力支持老师的领导下开展了这次数电课程设计，从处理解决问题的能力，到加强学生之间的团结。
2系统组成及工作原理
2.1根底设计目的
通过毕业设计，对数字逻辑的基本内容有进一步的了解，特别是时序逻辑电路的设计。
能把上学期学到的数字逻辑理论知识进行实践，操作。
在提高动手能力的同时对常用的集成芯片有一定的了解，在电路设计方面有感性的认识。
而且在进行电路设计的时候遇到问题，通过独立的思考有利于提高解决问题的能力。
在经过课程设计后，更明白数字逻辑电路设计的一般方法，以及在遇到困难怎么排除问题。
2.2基础设计要求
基于电子技术基础，设计出一个8路彩灯闪烁显示控制电路
1：
使8只二极管代表的彩灯顺序依次逐个点亮；
2：
再顺序依次逐个灭掉；
3：
然后闪烁三下，依次循环。
2.3总体设计思路[6][9][12][17]
根据课程设计要求，要实现本系统，需要设计时钟脉冲产生电路，循环控制电路和彩灯左移以及全灭全亮功能输出电路。
时钟脉冲产生电路由555定时电路组成多谐振荡器触发器。
还要有计数器74LF161A和左右移位寄存器74LS194分别实现计数和数据分配。
由左右移位寄存器来控制彩灯的循环。
2.4电路框图
功能输出
图2.1电路框图
2.5PCB板布线[1]
2.5.1布局规则
PCB板布线采用自动布线和手工布线相结合，从而实现布线的正确性。
它的基本布局规则大致为：
（1）元件位置安排的一般原则。
在PCB设计中，如果电路系统同时存在数字电路、模拟电路以及大电流回路，则必须分开布局，使各系统的耦合达到最小。
同一类型电路（指均是数字电路、模拟电路）中，按信号流向及功能，分块、分区放置元器件，使连线尽可能短。
（2）元件离印制板机械边框的最小距离必须大于2mm（80mil）以上，如果印制板安装空间允许，最好保留5mm（200mil）。
（3）元件的放置位置。
在印制板上，除微波电路外，元件只能沿水平和垂直两个方向排列，否则不利于插片或贴片。
（4）元件间距。
对于中等布线密度印制板，小元件，如小功率电阻、电容、二极管、三极管等分立元件的彼此间距与插件、焊接工艺有关。
当采用手工插件或手工焊接时，元件间距可略大点，如100mil或以上，否则会因元件排列过于紧密，给插件、焊接操作带来不便。
2.5.2布线规则
所谓“布线”，就是利用印制导线完成原理图中元件的连接关系。
与布局类似，布线也是印制板设计过程中的关键环节，不良的布线可能会降低电路系统抗干扰性能指标，甚至不能工作。
在布线过程中，必须遵循以下原则：
（1）印制导线转折点内角不能小于90度，一般选择135度或圆角；
导线与焊盘、过孔的连接处要圆滑，避免出现小尖角。
由于工艺原因，在印制导线的小尖角处，印制导线的有效宽度小，电阻增大；
另一方面，小于135度的转角会使印制导线总长度增加，也不利于减小印制导线的寄生电阻和寄生电感。
（2）导线与焊盘、过孔必须以45度或90度相连。
（3）在双面、多层印制板中，上下两层信号线的走线方向要相互垂直或斜交叉，尽量避免走平行线；
对于数字、模拟混合系统来说，模拟信号走线和数字信号走线应分别位于不同侧面内，且走线方向垂直，以减少相互间的信号耦合；
尽量避免、弱信号（或模拟、数字信号）线并行走线，当实在无法避免时，可在两者之间加屏蔽隔离。
（4）根据电磁感应原理，对于电流大小相同而流向相反的相关导线应平行走线。
（5）在数据总线间，可以加信号地线来实现彼此的隔离；
为提高抗干扰能力，小信号线和模拟信号线应尽量靠近地线，原理大电流和电源线：
数字信号极容易干扰小信号，又容易受大电流信号的影响，布线时必须认真处理好数据总线的走线。
（6）连线应尽可能短，尤其是电子管与场效应管栅极、晶体管基极及高频回路。
（7）高压或大功率元件尽量与低压小功率元件分开，即彼此的电源线、地线分开走线。
以避免高压或大功率元件通过电源地线的寄生电阻（或电感）干扰元件。
（8）数字电路、模拟电路以及大电流电路的电源线、地线必须分开走线，最后在接到系统电源线上、地线上。
形成单点接地形式。
（9）导线宽度与流过导线的最大电流有关。
一般来说，信号线宽度小于电源线宽度，而电源线宽度小于地线宽度。
（10）在高频电路中必须严格限制平行走线的最大长度。
（11）在双面电路板中，由于没有地线层屏蔽，应尽量避免在时钟电路下方走线。
例如，时钟电路在焊锡面连线时，信号线最好不要通过元件面的对应位置。
解决方法是在自动布线前，在元件面内放置一个矩形填充区，然后将填充区接地。
这样必要时可将晶体振外壳接地。
（1）选择合理的连线方式。
（2）单面板中跨线设置原则。
在单面印制板中，对于交叉的印制导线，如果不能通过元件引脚走线避免交叉，则必须借助跨接线（硬质镀银线）连接。
在PCB上设置跨接线时，应遵循如下原则：
通过精心调整元件布局，把跨接数目减到最小。
跨接线尽可能短。
跨接线之间不能交叉。
跨接线位置不能与印制板上相邻的其他印制板导线平行，以减小电磁感应。
3循环彩灯的系统组成
3.1555定时器电路
3.1.1定时器电路产生时钟脉冲[2][5][18]
555集成时机电路是一种模拟、数字混合型的中规模集成电路，可接成多谐震荡电路，产生单位脉冲，用于触发计数器，在延时操作中，脉冲由一个电阻和一个电容控制。
用于稳定工作的振荡器时，频率由两个电阻和一个电容控制。
555会在下降沿触发和清零，此时输出产生200mA电流.555的工作温度为0-7摄氏度。
图3.1555电路
各管脚说明：
1接地2触发3输出4复位5控制电压6门限（值）7放电8电源电压Vcc.
其功能只要用来产生时间基准信号（脉冲信号），因循环彩灯对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。
3.1.2555定时器组成的多谐振荡电路
根据设计要求，其电路图接法如上图所示：
式中C4=0.1uR13=91k,R12=470k
由公式[3]T=（R1+2R2）Cln2（2-1）
T=0.07S
T=0.07S
555定时器的输出波形
图3.2555定时器的输出波形
3.274F161A及74LS194的功能
3.2.174F161A四位二进制同步计数器[4]
74F161A是四位二进制同步计数器，具有计数、保持、预置、清零功能。
其引脚及逻辑符号如下：
图3.374F161A引脚图
图中:
CLK为计数脉冲输入端,上升沿有效。
CLR为异步清零端,低电平有效。
LD为同步预置端，低电平有效。
PE、TE为计数允许控制端，高电平有效，只有当CLR=LD=1，PT=1，在CP作用下计数器才能正常计数。
P1、P2、P3、P4为计数器输入端，Q1、Q2、Q3、Q4为数据输出端,Q4为最高位。
将P1、P2、P3、P4分别接低电平。
CO是进位输出
利用计数器来进行彩灯的闪烁控制,第一个计数器来进行彩灯依次点亮然后依次熄灭，一共进行了十六次计数。
第二个计数器来进行彩灯三次闪烁控制，共计数六次。
其功能表如表3.1所示[5]
输入
输出
CLK
CLRLDPETE
P4P3P2P1
Q4Q3Q2Q1
×
↑
0×
×
10×
1111
1101
11×
0
p4p3p2p1
0000
q4q3q2q1
计数
保持
保持（OC=0）
表3.174F161A功能表
3.2.274LS194四位双向移位寄存器[4]
移位寄存器除了具有存储功能外，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移位。
图3.474LS194引脚图
74LS194是四位通用移存器，具有左移、右移、并行置数、保持、清除等多种功能。
74LS194是四位移位寄存器，它具有并行输入，并行输出，左右移动功能。
74LS194的操作主要由两个工作方式控制端S1、S0来实现。
当S1S0=00时，为保持状态。
当S1S0=01时，进行右移操作。
当S1S0=10时，进行左移操作，当S1S0=11时，进行送数操作。
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，进行左右移动和送数操作。
在这次设计中，它只进行了左移，并利用了两个移位寄存器的串联，依此来进行彩灯的移位。
第二个移位器的QD通过一个非门接到SR右移，进行一个反向控制，再利用S1S0=11为置数，S1S0=00为清零来进行彩灯的闪烁控制。
图中：
A-D:
并行码输入端。
CLR：
异步清零端，低电平有效。
SR、SL:
右移、左移串行码输入端。
S1、S0：
工作方式控制端，当S1S0=11为并行置数，S1S0=01为右移。
74LS194控制彩灯的输出情况，通过D触发器来控制节拍的快慢。
（Q是74D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
CP脉冲的上升沿，Q输出为上一次的记录（即一个脉冲）
其功能表如下表所示[5]：
CrS1S0CPSLSRABCD
QAQBQCQD
100×
101↑×
SR×
110↑SL×
111↑×
abcd
1×
0×
保持
SRQ0nQ1nQ2n
Q1nQ2nQ3nSL
abcd
保持
表3.274LS194功能表
3.3设计彩灯控制电路[12][15][16]
把555定时器的输出端接到74LS194的加数计数器端，由74LS194的八个输出端分别接八个彩灯。
由于循环彩灯依次亮后，又要依次灭，再闪烁四下，所以要把74F161A的输出端CO经过一个非门接到74LS32这个与门，又经过一个非门接到S1，以实现74LS194的移位输出。
而74F161A是四位二进制计数器，有四种输出状态，所以采取74F161A的级联来控制彩灯的变化情况，以实现当计数到九时，返回从零开始计数。
这样就完成了循环彩灯的循环控制。
结合以上两点，可以画出电路图。
3.4电路图的仿真[1]
在Protel中完成对电路图的绘制，然后编译进行改错，直到没有错误为止。
在Protel电器检查无错后，再进行仿真。
刚开始彩灯都不亮，再请教老师后才知道，要在发光二极管后面串联上电阻。
本以为串过电阻后循环彩灯电路就可以按要求工作，但是再次仿真时，仍然不亮。
经过与本组其他成员的共同分析，我们得出：
可能是555参数或接法不对。
在经过检查和对555定时器的频率和其他参数重新设定后，我们看到了，循环彩灯亮了。
又经过耐心的对仿真过程的观察后，我得知电路的设计是正确的
至此完成了，对电路原理图的设计。
3.5PCB板布线与制做方案的实施[1]
3.5.1PCB板布线
在布线前要在Protel原理图中完成对电路图各个元件的封装。
在封装时，要注意，因为对于同一个元件可能有多封装方式。
封装时根据所给元件的类型对各个元件进行封装。
封装完成后，把原理图导入PCB板。
导入PCB板后，再对元件的位置重新手动摆放，使尽量少的线重叠，以减少布线时的非线出现。
观察元件的三视图，以保证封装是正确。
设置PCB板布线规则，设置完成后，首先对其进行自动布线；
自动布线完成后，会有很多错误，再次对元件进行为止摆放，直到错误最少；
在错误的布线处，采取手工布线或加跳线。
到布线错误为零时就完成了对PCB板的布线工作。
3.5.2PCB板制作
完成布线后，对PCB图进行打印输出，然后再用制板机制板。
制板时要尽量使线不要相连，以免制出的板不能使用。
制板完成后，要对制好的板进行钻孔，打磨，直至板合格为止。
焊接与调试过程中又很多问题。
焊接时要注意不能使焊盘焊接处与其他线相连，这就要求焊接时一定要细心，认真。
调试时可能得不出仿真时的结果，这是正常现象，要结合各方面进行考虑，可能是由于电阻，电容，或者是电路的焊接问题。
我这次主要遇到是焊接问题，由于在布线时使用了跳线，在焊接时没有接对，进过改进后完成了调试。
完成了这次课程设计的任务要求。
4循环电路的总体设计
4.1循环彩灯原理图[6][8][9][14]
图4.1循环彩灯原理图
4.2循环彩灯仿真图[1]
图4.2循环彩灯仿真图
4.3循环彩灯PCB图[1]
图4.3循环彩灯PCB图
4.4循环彩灯装配图
图4.4循环彩灯装配图
4.5循环彩灯实物图
图4.5循环彩灯实物图
5实验结果的调试与检验
5.1调试技巧方法[10][11][17]
先检查各芯片的电源和地是否接上，检查线路是否连好；
前面的检查无误后，再根据彩灯的变化情况，确定可能的原因，分析是哪个功能模块出了问题，用数字万用表检查各模块的功能，发现并改正错误，直到符合为止。
5.2调试中出现的原因、故障及排除的方法[12][13][15][18]
（1）彩灯有一种变化花样，没有其他花样；
可能是移位计数器的S0，S1控制端出现问题，应该检查循环控制逻辑电路。
还可能是芯片74LS194移位寄存器没有正常工作，检查是否正常接线。
芯片是否功能完好。
特别注意不能把非门的输入与输出接反了。
（2）彩灯无规律变化；
原因可能是555电路产生的信号不稳定，或者是在555电路中没有标准的计算个电阻的阻值，电解电容，陶瓷电容的使用是否正确。
（3）彩灯在移动过程中是两个灯一起跳
可能是芯片74LS194在面包板上没有固定好，应该检查芯片是否通电，各高低电瓶是否正常工作，应该检查导线是否有问题。
（4）实验过程中灯一会亮一会不亮；
最后可能是导线的接触不良问题，应该首先从电源是否良好的接入电路开始检查，在检查555定时器是否正常工作，最后检查芯片各管脚电压。
6总结与设计结论
6.1总体结果
经过两周的不断努力，又在老师和同学的帮助下，基本完成了这次课程设计的任务要求。
感觉在这段时间中自己学会了很多东西，如设计电路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，即使最后发现走进了死胡同，但是探索设想与求证的过程确实通往另一条道路必不可少的环节。
在完成这次设计的过程中，我也参考相关的设计课题，甚至花了很长的时间去弄清楚别人的设计，以至于后来被束缚住，对自己的设计没有了头绪。
学习吸收别人的长处是应该的，但不能完全沉浸进去，要有自己的思路和观点，并且努力去实现，这就是快乐的最大源泉。
在完成本次毕业设计的头几天，我一直纠结于用74LS194实现移位寄存器，因为它的原理是很简单的，可是在实际连电路的过程中，一下子遇到了很大的困难，因为外界的干扰因素实在太多了，稍不注意就会碰到某个导线了，结果发光二极管就不亮，于是自己要检查到底哪里出了问题，有的费很长时间去检查管脚是否连错，导线是否松动，或者导线是否坏掉等等情况。
在设计过程中我认识到了自身知识掌握方面的缺陷，通过这次课程设计,我认识到了自学的重要性,以及提高独立动手能力的重要性。
通过这次课程设计加深了我对Protel等应用软件的重要性与实用性的理解，也切实提高了对其运用的能力。
同时我也认识到了自己有很多不足之处，以后还又很多东西要学，以后我会更加努力学校。
由于知识水平的局限,设计中可能会存在着一些不足，我真诚的希望老师给与指导。
在这次的设计中我也认识到了自己专业知识的严重不足，也收获了很
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