三种图案霓虹灯控制器设计.docx

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三种图案霓虹灯控制器设计

学号：

0121214660127

课程设计

题目

三种图案霓虹灯控制器设计

学院

自动化学院

专业

电气工程及其自动化

班级

电气1206班

姓名

黄思琪

指导教师

杨莉林伟

2014

年

7

月

10

日

课程设计任务书

学生姓名：

黄思琪专业班级：

电气1206班

指导教师：

杨莉林伟工作单位：

武汉理工大学

题目:

三种图案霓虹灯控制器设计

初始条件：

1．运用所学的模拟电路和数字电路等知识；

2．用到的元件：

实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片等。

要求完成的主要任务:

1．现有4只彩灯，红－绿－蓝－黄，试设计控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案，彩灯控制器的三种图案及其状态转换如下所示：

2．摇摆状态0101←→1010，重复6次。

3．暗点循环0111→1011→1101→1110→0111→这样重复循环3次。

4．逐个点亮，逐个熄灭，0000→1000→1100→1110→1111→0111→0011→0001→0000→这样重复循环2次。

5．霓虹灯控制工作状态按照上述2至4步自动重复循环。

时间间隔为1秒。

6．严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。

时间安排：

第1天下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；

第2天进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案；

第3天提交电路图，经审查后领取元器件；

第4天组装电路并调试，检查错误并提出问题；

第5天结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；

第6-7天补充完成课程设计报告和答辩。

指导教师签名：

2014年7月7日

系主任（或责任教师）签名：

2014年7月7日

2.2设计方案一电路图6

3.1四十进制设计8

3.2摇摆状态10

3.3暗点循环11

3.5时钟脉冲信号的制作13

1、设计意义及要求

1.1设计意义

在我们的日常生活中，霓虹灯随处可见，可以广泛应用于广告牌，商场装饰，现场装扮等各种场合，因此霓虹灯具有不可或缺的作用。

利用我们所学过数模电知识，可以设计出不同变换组合的霓虹灯电路，具有很实用的实际意义。

除此之外，对霓虹灯控制器的设计有利于将我们所学知识学以致用，不局限在课本内的知识，并提高了我们思考分析问题的能力和团队合作能力。

1.2设计要求

初始条件：

3．运用所学的模拟电路和数字电路等知识；

4．用到的元件：

实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片等。

要求完成的主要任务:

7．现有4只彩灯，红－绿－蓝－黄，试设计控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案，彩灯控制器的三种图案及其状态转换如下所示：

8．摇摆状态0101←→1010，重复6次。

9．暗点循环0111→1011→1101→1110→0111→这样重复循环3次。

10．逐个点亮，逐个熄灭，0000→1000→1100→1110→1111→0111→0011→0001→0000→这样重复循环2次。

11．霓虹灯控制工作状态按照上述2至4步自动重复循环。

时间间隔为1秒。

12．严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。

时间安排：

第1天下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；

第2天进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案；

第3天提交电路图，经审查后领取元器件；

第4天组装电路并调试，检查错误并提出问题；

第5天结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；

第6-7天补充完成课程设计报告和答辩。

2、方案设计

2.1设计思路

首先，先分别分析三种不同的霓虹灯转换状态，即分别设计出能实现摇摆状态，暗点循环和逐个点亮逐个熄灭的电路。

其次，分析三种状态所发生的时间和顺序，可以发现第一种状态占12秒，第二种状态占12秒，第三种状态占24秒。

因此利用一个40进制的计数器来控制三种状态的转换，使前12秒第一部分电路正常工作，13到24秒第二部分电路正常工作，最后16秒第三部分电路正常工作，并用逻辑门完成对灯的控制。

最后，用555定时器做一个脉冲信号发生源。

系统原理框图如图1-1所示。

摇摆状态

显示灯

暗点循环

控制电路

脉冲信号源

逐亮逐灭

图1-1系统原理框图

2.2设计方案一电路图（小组方案）

图2-1方案一电路图

如图2-1所示。

首先，利用555定时器制作一个1HZ的脉冲信号作为时钟。

其次，设计分别实现的三种图案的电路图，摇摆状态和暗点循环可以利用一块74LS138分别实现，逐个点亮逐个熄灭可以利用74LS194制作一个扭环形计数器来实现。

然后，用两个74LS90制作了一个四进制计数器和一个十进制计数器，两片计数器间通过正确连接相当于一个四十进制计数器。

通过设计要求可以分析出摇摆状态、暗点循环、逐个点亮逐个熄灭各占了12、12、16，也就相当于3:

3:

4，用一个四分频加一个十进制就可以实现前12秒使摇摆状态进行正常工作，13到24秒使暗点循环正常工作，最后16秒使最后一个状态正常工作。

再利用一块数据选择器74LS151和各种逻辑门，使得前24秒74LS138使能同时74LS139清零，并且利用74LS138的地址端的选择和逻辑门的输出使前12秒实现摇摆状态，13到24秒实现暗点循环；后16秒74LS138不使能同时74LS139正常工作。

最后，经过分析和计算将三种图案状态的输出端分别通过逻辑电路接到四盏灯上，使摇摆状态、暗点循环、逐个点亮逐个熄灭能够有序的结合并循环起来，从而达到实验要求，实现电路功能。

2.3设计方案二电路图（个人方案）

图3-1方案二电路图

首先，利用555计时器做一个输出为1HZ的脉冲信号。

其次，分别设计三种图案的电路。

利用一片74LS90和74LS139实现摇摆状态，再用两片74LS139，暗点循环利用它的并行置数和右移的功能实现，逐个点亮逐个熄灭用扭环计数器实现。

然后，与方案一类似，利用一个40进制计数器分别控制三种状态的出现顺序和重复次数。

将十进制计数器输出端通过逻辑电路接分别到Y1、Y2、Y3，使L1在十进制计数器输入为0、1、2时输出为1其余状态为0，Y2在3、4、5时输出为1其余状态为0，Y3在6、7、8、9输出为1其余状态为0，并将Y1接上非门接到74LS139的使能端，Y2，Y3直接接到对应状态的74LS194的清零端。

将Y2、Y3分别接入非门，再和摇摆状态的输出端一起接入与门。

这样在第一种状态时，Y2、Y3都为0，接入非门后都为1，和第一种状态输出端相与时不影响其输出状态。

而当工作在后两种状态时，与门输出的总为0，再把与门的输出端和两片74LS194的输出端接入用三个二极管做成的三输入或门，最后接入LED灯，形成三种状态的输入的整合，完成要求。

2.4方案比较

方案一和方案二都运用了四分频，并通过组合电路把每一部分成功的组合了起来,但方案一只利用一片数选和一些逻辑门就完成对三部分电路工作的分别控制；方案一在实现各个状态时用了一片译码器和一片移位寄存器，方案二利用了一片译码器和两片数据选择器；两种方案最后都经过分析将其使能端或清零端接出和各个输出端Qn经过逻辑门相连便能实现其功能。

虽然方案二理解起来思路更清晰，但方案二则通过对逻辑输出关系的分析，利用尽可能少的元件进行对方案的实现。

相对来说，方案一所用元器件更少，方案二相对更于理解和分析，但元件和逻辑门相对较多，电路组合较复杂。

因此经过小组讨论，我们决定将方案一作为最终的小组方案。

3、部分电路设计

3.1四十进制设计

\

图4-1四十进制计数器部分

说明：

实际电路中U2CKA接的是555多谐振荡器发出的方波信号作为时钟。

先用两片LS290做出四进制和十进制的计数器，再将四进制290的Q1输入至十进制290的CKA作为时钟，组成四十进制计数器。

将十进制计数器输出端通过逻辑电路接分别到Y1、Y2、Y3，使L1在十进制计数器输入为0、1、2时输出为1其余状态为0，Y2在3、4、5时输出为1其余状态为0，Y3在6、7、8、9输出为1其余状态为0，并将Y1接上非门接到74LS139的使能端，Y2，Y3直接接到对应状态的74LS194的清零端。

这样做到了对三种状态电路的分别控制。

74LS90引脚图及功能表如图5-1和表1-1所示。

图5-174LS90引脚图

表1-174LS90功能表

3.2摇摆状态

图6-1摇摆部分电路图

说明：

如图6-1，用74LS90制作一个四进制计数器，将Q0、Q1分别接A、B，通过74LS139输出，然后将Y0、Y2和Y1、Y3分别接入两个与门后输出，在分别将其输出接到D1、D3和D2、D4，在脉冲信号作用下，便能实现摇摆功能。

例如：

AB输入00时，Y3Y2Y1Y0输出1110，因此灯D1、D3灭，D2、D4亮。

74LS138引脚图及功能表如图7-1和表2-1所示。

图7-174LS139引脚图

表2-174LS139功能表

3.3暗点循环

图8-1暗点循环部分电路

说明：

如图8-1，第13秒时的一瞬间Q0Q1Q2Q3输出为0000，此时将Q3通过反相器接入S1，S1即为1，又S0为1，开始置数功能。

将置数端D0D1D2D3分别接入0111并行置入输出端Q0Q1Q2Q3，则此时灯D16D15D13D14输出状态为0111。

此时Q3经反相器输出给S1端的为0，又S0为1，故开始右移功能。

将SR接入高电平1，即74LS194开始右移计数0111→1011→1101→1110。

当进入1110状态时，Q3经反相器输出给S1的又变为1，芯片开始置数功能，重新置为0111，重复以上过程完成暗点循环。

3.4逐个点亮逐个熄灭

图9-1逐个点亮逐个熄灭部分电路

说明：

如上图，用74LS194设计4位扭环形计数器，在脉冲信号作用下，便能够实现逐个点亮逐个熄灭的循环状态。

74LS194的引脚图及功能表如图10-1和表3-1所示。

图10-174LS194引脚图

表3-174LS194功能表

3.5时钟脉冲信号的制作

图11-1时钟脉冲信号部分电路

时钟信号频率可由下列公式求得：

f=1/（R1+2R2）*C1*ln2Hz

即：

t=（R1+2R2）*C1*ln2s

由题目要求周期为1s，所参数设计为：

R1=4.7kR2=4.7kC1=100uF

按此参数设计，多谐振荡器输出脉冲周期大约为1s。

4、调试与检测

4.1调试中故障及解决办法

在调试过程中，电路曾出现了一些问题。

（1）第一次连线的时候，按仿真开始键发现电路完全不工作。

经过检查发现时555振荡电路部分没有震荡，导致没有脉冲信号。

解决办法：

将555脉冲信号发生部分的电路独立出来，用protues中的示波器仿真其3脚发出的信号，最后经过对电阻、电容值和对电路部分的调整，最终输出了正确的所需的波形。

（2）脉冲信号正确后，发现两片74LS90没有开始计数功能。

解决办法：

仔细检查了四十进制部分的电路后没有发现问题，最后将该电路部分作了微调，重新添加GND并将GND的距离拉的稍微距离芯片远一些，发现可以正确计数了。

（3）仿真进行到第二种暗点循环状态后，发现暗点循环重复了两次后，又开始了进入了摇摆状态。

通过检查后发现时电路控制部分的门电路逻辑计算错误，导致连线错误，74LS139的C地址端在第20至第24秒本应输入1结果输入为0。

解决办法：

重新计算逻辑关系，将逻辑门电路重新连接正确，此问题得以解决。

（4）仿真进行到第三种状态后，任务要求是从红灯→绿→蓝→黄的顺序逐个点亮再逐个熄灭，但仿真时出现的是相反的顺序。

分析后发现74LS194扭环计数器部分的电路的Q3Q2Q1Q0输入到灯D1D2D3D4的顺序接反了。

解决办法：

将Q3Q2Q1Q0与灯的连接顺序反过来调整即可。

4.2调试与运行结果

打开软件后，点击“调试”下的“开始\重启动调试”，或者直接按“Ctrl+F12”，电路就开始调试，可以发现灯开始闪烁。

运行结果：

首先，开始运行时，从左往右数第二盏和第四盏同时点亮，第一盏灯和第三盏灯灭，1秒后，第一盏灯和第三盏灯同时点亮，第二盏和第四盏同时熄灭，此过程重复了6次，时间12秒；然后，左边第一盏灯熄灭，其余三盏灯点亮，过1秒后，左边第二盏灯熄灭，其余三盏灯点亮，依次到第四盏灯熄灭，其余三盏灯点亮，此过程重复3次，时间12秒；最后，四盏灯全灭，每隔1秒，从左往右依次点亮一盏灯，全亮时，从左往右又依次熄灭一盏灯，直至全灭，此过程重复循环2次，时间16秒。

此后，四盏灯便按上述步骤所述自动重复循环，每个周期为40秒。

5、方案总结与课题价值

方案二（个人电路）电路特点是元件种类较为丰富，因为运用大量逻辑门的输出关系来达到设计目的，所以组合较为复杂。

方案二优点是思路较为清晰，更易理解和分析；缺点是所用元器件数量太多，整个电路看起来比较复杂，不够清简。

本次课题的核心是分析并思考出实现设计要求的方法，学会利用74系列芯片的功能以及和各种逻辑门之间的组合去实现设计要求，需要我们对芯片的功能能够理解和灵活运用。

本课题具有很深的实用价值，利用芯片不仅可以完成所要求的三种图案的霓虹灯设计，还可以根据类似的原理去设计更多花样的霓虹灯，灯的数目也可以再增加，使得整个霓虹灯电路更加具有实际应用价值。

改进意见及展望：

在以后的电路设计中，尽可能地使得电路的原理图越简单越好，这样在实际的生产和设计中更具经济效益。

相信通过自己的努力，以后在设计功能更为复杂的电路时能够做得更好。

6、操作步骤及使用说明

本电路实现功能较为简单，并不需要过多的功能控制开关，只需要一个启动/暂停开关即可。

多种图案霓虹灯控制器通电以前，应将“启动/暂停”开关置于断开状态，接通电源后，彩灯状态为0101，即红灯、蓝灯为熄灭状态，绿灯、黄灯为点亮状态。

将“启动/暂停”开关置于闭合状态，彩灯开始按要求状态闪烁。

循环过程中按下“启动/暂停”按钮，可以实现暂停功能，再次按下按钮可继续循环闪烁。

结束语

通过为期一周的课程设计，我收获颇丰。

在对霓虹灯电路的设计过程中，我遇到了很多问题，也查阅了很多相关书籍和资料，并且与小组成员进行讨论，最终自行设计完成了符合要求的电路。

在小组方案的讨论和设计过程中我们同样遇到了各种各样的问题，但是我们并没有放弃而是齐心协力的贡献自己的想法和智慧，并拿出了最终较为合适的一种方案。

通过这个过程，加深了我对74系列的芯片的理解并且学会了灵活与运用。

从最开始的迷茫，到后来电路的仿真的成功，到最终实物的完成，我感到了自己和小组的努力并没有白费，也巩固了自己所学过的数模电知识，做到对课本上的知识的学以致用。

在本次课程设计中，我提高了独立分析问题的能力，得到了对设计性思维的锻炼，可以说比平常上课所学到的东西更多，也提升了我对数电这门课程的兴趣。

同时也加强了我们团队合作的精神，学会通过相互学习和探讨来弥补和改进自身思考上的不足。

在今后的学习生活中，我一定会更加努力认真学习理论知识，毕竟学好理论知识是一切实践的基础，并经常训练自己的实用性和设计性思维。

相信自己以后能够更好的面对电气专业的其他各门专业课。

参考文献-电工电子综合课程设计

[1]康华光.电子技术基础-数字部分（第五版），高等教育出版，2006.1

[2]刘可文.数字电子电路与逻辑设计,科学出版社

[3]周新民.工程实践与训练课程（电工电子部分）,武汉理工大学出版社

[4]梁宗善.新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计，华中理工大学出版社，2007.12 

[5]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社  

[6]何绪芃，曾发柞.脉冲与数字电路.成都：

电子科技大学出版社，2001.1

[7]刘修文主编.实用电子电路设计制作300例.中国电力出版社，2005

[8]包亚萍.数字逻辑设计与数字电路实验技术.中国水利出版社，2003。

[9]梁宗善.新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计，华中理工大学出版社，2007.12

[10]王兆安，黄俊.电力电子技术.北京:

机械工业出版社,2000

[11]苏玉刚，陈渝光.电力电子技术.重庆:

重庆大学出版社,2003.4

附录1：

方案一电路图

附录2：

方案二电路图

本科生课程设计成绩评定表

姓名

黄思琪

性别

女

专业、班级

电气工程及其自动化专业电气1206班

课程设计题目：

三种图案霓虹灯控制器设计

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

设计方案

与内容

（30分）

制作与调试

（20分）

说明书内容与规范程度

（30分）

答辩

（10分）

学习态度

与考勤

（10分）

总分

（100分）

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

2014年月日