武汉理工大学电工电子课设彩灯循环控制电路的设计与制作.docx
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武汉理工大学电工电子课设彩灯循环控制电路的设计与制作
课程设计任务书
学生姓名:
XXX专业班级:
电气1106
指导教师:
罗惠谦工作单位:
武汉理工大学自动化学院
题目:
彩灯循环控制电路的设计与制作
初始条件:
(1)8个彩灯能够自动循环点亮。
(2)彩灯循环显示且频率快慢为1S。
选作:
设计具有控制彩灯左移,右移,全亮及全灭功能的电路
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
(1)设计任务及要求
(2)方案比较及认证
(3)系统框图,原理说明
(4)硬件原理,完整电路图,采用器件的功能说明
(5)调试记录及结果分析
(6)对成果的评价及改进方法
(7)总结(收获及体会)
(8)参考资料
(9)附录:
器件表,芯片资料
时间安排:
6月27日~6月30日:
明确课题,收集资料,方案确定
7月1日~7月4日:
整体设计,硬件电路调试
7月5日~7月8日;报告撰写,交设计报告,答辩
指导教师签名:
2013年6月27日
目录
摘要1
1结构设计与方案选择2
1.1方案设计2
1.1.1方案一2
1.1.1方案二3
1.2方案的比较与选择4
2单元电路设计6
2.1脉冲产生电路6
2.2循环控制与移位寄存器电路7
2.3彩灯显示与全灭控制电路8
2.4整体电路图与工作原理9
3搭建调试与检测10
3.1搭建10
3.2调试10
3.2.1调试方法10
3.2.2调试步骤12
3.2.3调试中故障及解决办法12
3.3检测13
结束语14
参考文献15
附录1器件表16
附录2芯片资料16
附录2.174LS194的芯片资料16
附录2.2NE555定时器的芯片资料17
摘要
近年来,由于集成电路的迅速发展,在数字电路中,集成芯片使用频繁,在未来,集成度更高功能更完善的芯片会不断涌现,而流水彩灯因为价格低廉,易用且实用的特性也已经深入平常生活,在商业街,医院,广告牌等随处可见。
绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的,流水彩灯控制可用多种方法实现,并且工业设计原理简单实用,根据不同要求,使用不同芯片,可以实现花样繁多的显示种类,本次课程设计以已经学到的专业知识为基础,用简单的数字逻辑电路来实现8个彩灯的左移、右移、全亮、全灭等多种点亮方式。
与生活实际应用紧密相关。
设计以双向移位寄存器74LS198做主体控制电路,其脉冲产生由555定时器构成的多谐振荡器构成,控制发光二极管,实现了所需要的功能。
本文就本次课程设计的设计框图、设计电路图、单元电路图、工作原理、所用器件、电路调试等方面来进行介绍,最后对本次课程设计进行了总结。
关键词:
数字逻辑电路循环彩灯控制双向移位寄存器
彩灯循环控制电路的设计与制作
1结构设计与方案选择
1.1方案设计
1.1.1方案一
彩灯显示电路
38线译码电路
二进制双向计数电路
脉冲信号输入电路
全灭控制电路
循环控制电路
图1方案一的结构框图
如上图,为方案一的结构框图,主体部分为双向计数电路,再辅以信号输入,译码,功能控制以及显示电路,就构成了彩灯循环控制电路。
下面分别对每一个部分进行介绍:
1)脉冲信号输入电路:
选用CMOS门电路组成一个简单的多谐振荡器,产生周期为1s的脉冲波。
2)二进制双向计数电路:
根据计数器的逻辑功能,改变它的工作模式,可以实现彩灯的左移,右移和全亮功能。
3)38线译码电路:
使用74LS138实现对计数的译码,通过3位二进制输入ABC,共输出8种状态的组合,对8组彩灯进行控制。
4)全灭控制电路:
通过机械开关,断开彩灯的电源供应,从而达到全灭功能。
5)循环控制电路:
通过机械开关,改变信号输入从而改变计数器的工作模式,实现功能转换的目的。
按上述方案进行设计,原理图如图2所示。
图2方案一的原理图
1.1.2方案二
脉冲产生电路
移位寄存电路
彩灯显示电路
全灭控制电路
循环控制电路
图3方案二的结构框图
如上图,为方案二的结构框图,主体部分为移位寄存电路,再辅以信号输入,功能控制及显示电路,就构成了彩灯循环控制电路。
下面分别对每一个部分进行介绍:
1)脉冲信号输入电路:
选用NE555定时器组成的多谐振荡器产生所需频率为1Hz的脉冲。
2)移位寄存器电路:
由一片74LS198的8位双向移位寄存器实现,通过构成环形计数器,从而达到循环输出的目的。
3)循环控制电路电路:
通过机械开关对74LS198的工作模式以及清零端进行控制,实现移位寄存器电路输出转换的功能。
4)全灭控制电路:
通过机械开关,断开彩灯的电源供应,从而达到全灭功能。
按上述方案进行设计,原理图如图4所示。
图4方案二的原理图
1.2方案的比较与选择
通过仿真,方案一和方案二都能完成预定的功能。
从方案的耗材方面考虑,方案二的电路用的集成电路块数较少,比较节省器件。
从方案的优化方面比较,两个方案都能实现左移,右移,全亮,全灭四种功能。
但是方案一使用环形多谐振荡器,它简单,易于搭建,但是频率不稳定电压易产生变化。
方案二采用555产生秒脉冲。
NE555电源范围宽,而且脉冲的精度比较高,适合电路,并且使用范围广,成本低廉。
从方案的复杂程度比较,方案二的基本理论与思路都比方案一简单,方案一胜在结构清晰,但是从框图上看就很复杂,不利于后期调试
最后,经过综合考虑,决定采用方案二。
2单元电路设计
2.1脉冲产生电路
多谐振荡器是一种自激振荡器,在接通电源以后,不需要外加触发信号,便能自动地产生矩形脉冲。
555定时器是一种多用途的数字——模拟混合电路,由于它使用灵活、方便,利用它能方便地构成多谐振荡器,所以决定用NE555来构成多谐振荡器,来产生1HZ的脉冲。
用555定时器接成多谐振荡器,即将555的2、6端并联,再与RC构成的充放电电路的串联点连接,将7端接到放电点。
输出信号的时间参数是:
(1-1)
=0.7(R1+R2)C1(1-2)
=0.7R2C1(1-3)
式(1-2)中为VC由上升到所需的时间,式(1-3)中为电容C放电所需的时间。
参数选择如下:
R1=3.3K,R2=5.1K,,C1=100uF。
则得到的脉冲的频率为
1.06Hz(1-4)
该频率可满足实验要求。
用NE555构成可产生1Hz脉冲的多谐振荡器的原理图如图5所示:
图5脉冲产生电路
2.2循环控制与移位寄存器电路
主体芯片使用74ls198,它除了具有存储代码的功能外,还具有移位功能。
即在其内存储的代码能在移位脉冲的作用下依次左移或右移,还支持并行输入和并行输出。
用74ls198设计的移位寄存器电路的原理图如图6所示:
图6循环控制与移位寄存器电路
对于这个寄存器而言,使用环形计数器的接法,将QA与SLSER,QH与SRSER可以使芯片实现循环输出的功能,将S0、S1都接高电平,置数“0111,1111”;再将S0调置低电平,实现0111,1111→1111,1110→1111,1101→1111,1011→1111,0111→1110,1111→1101,1111→1011,1111→0111,1111左移循环;相反,将S1接低电平,S0接高电平,则可实现左移循环,而通过74LS198的清零端即可实现所有彩灯全亮功能。
2.3彩灯显示与全灭控制电路
用发光二极管来实现彩灯的闪烁,8盏灯的阴极分别与74LS198的8个输出端连接,二极管的阳极与保护电阻相连接电源。
连接二极管时要注意阴极和阳极的区分,免得出现二极管不亮时,盲从的检测,当74LS198的任意一个输出端输出为低电平时,与其相连接的发光二极管点亮。
当电源提供端的开关断开时,LED灯全灭,如图7所示。
图7彩灯显示与全灭控制电路
2.4整体电路图和工作原理
由上述单元电路图构成了整体电路图如图8所示。
图8整体电路原理图
工作原理:
1)左移循环点亮:
S4闭合,S3打向高电平,先将S1,S2打向高电平,进行置数,这时只有D1亮,将S0打向低电平,彩灯开始向左循环点亮。
2)右移循环点亮:
S4闭合,S3打向高电平,先S1,S2打向高电平,进行置数,这时只有D1亮,将S1打向低电平,彩灯开始向左循环点亮。
3)全灭:
S4断开,则8盏彩灯全灭。
4)全亮:
S4闭合,S3打向低电平,可以使8盏灯全部点亮。
3搭建,调试与检测
3.1搭建
在完成理论设计后,我们进行了实际组装,由于市场中采购不到所需的74LS198,我们只能使用74LS194,即4位双向移位寄存器,通过级联完成八位输出,其他部分均能正常搭建,74Ls194级联的原理图如图9所示。
图974ls194级联的八位移位寄存器
3.2调试
一个电子装置,即使按照设计的电路参数进行安装,往往也难达到预期的结果。
这是因为在设计时,不可能周全地考虑各种复杂的客观因素(如元件值的误差,器件参数的分散性,分布参数的影响等),必须通过不断的测试和调整,来发现和纠正设计方案的不足,然后采取措施加以改进,使装置达到预定的技术指标。
3.2.1调试方法
电子电路调试方法有三种:
虚拟调试,单元调试和整体调试
(1)虚拟调试法
虚拟调试是利用EDA技术,通过特定的仿真程序,把设计好的电路方案进行完全的电路搭建,模拟出实际功能,然后通过其分析数据,观察结果,与理论预期进行比对,虚拟调试的优点:
成本低廉,易于操作,结果可信度高
利用Multisim仿真,脉冲输入电路的结果如图10所示。
图10脉冲输入源的仿真结果
左移的仿真结果如图11所示。
图11左移仿真
右移的仿真结果如图12所示。
图12右移仿真
(2)单元调试法
分块调试是把总体电路按功能分成几个模块单元,对每个单元分别进行调试。
单元模块调试的顺序最好按信号的流向,一块一块进行,逐步扩大调试范围,最后完成总调。
单元调试的优点:
问题出现范围小,可及时发现,易于解决。
(2)整体调试
此种方法是把整个电路组装完毕后,不进行分块调试,实行一次性总调。
3.2.2调试步骤
(1)电路仿真
对照电路图使用仿真软件进行仿真,确认无误后,比预期结果进行比对,不行的话,就修改电路。
成功的话,则进行实体安装。
(2)检查电路
对照电路图认真检查电路,首先查看电源是否接错或与地短接,然后检查各芯片是否安装牢固,最后对照电路图认真查看各芯片的管脚是否接错、漏接或出现多接线的现象。
(3)接通电源观察
在做好第一步的基础上进行下一步。
接通电源,如果出现异常现象立即关闭电源,按第一步重新检查电路对出现事故的电路部分进行着重的检查,直至发现并排除错误。
(4)工作开关断开的情况下的调试
当第二步完成后,在断开开关的情况下用一个发光二极管检测脉冲信号的输出,各芯片的初始输出是否正确,如果存在问题,查找出原因并解决。
(5)工作开关闭合的情况下的调试
闭合工作开关,观察显示结果是否正确,如果存在问题继续调试。
调试结束后观察调试后的结果是否符合设计要求。
3.2.3调试中故障及解决办法
第一次调试的结果是一上电,2号LED灯亮了,并且通过S0,S1的控制,不能循环,但是清零端可以正常控制全亮,但是却不能再变回原来要的左移右移工作状态。
首先第一个问题,我们觉得是置数出问题,通过检查电路,发现原来是U2的15,14号引脚接错了灯,导致置数出问题