数字电路课程设计之四花样彩灯控制器概要.docx
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数字电路课程设计之四花样彩灯控制器概要
课程设计说明书
课程设计名称：
数字电路课程设计
课程设计题目：
四花样彩灯控制器
学院名称：
信息工程学院
专业：
班级：
学号：
姓名：
评分：
教师：
20年月日
数字电路课程设计任务书
2012－2013学年第一学期 第6周－7周
题目
四花样彩灯控制器
内容及要求
〖基本要求〗设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现
（1）彩灯一亮一灭,从左向右移动
（2）彩灯两亮两灭，从左向右移动
（3）四亮四灭，从左向右移动
（4）从1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭
（5）四种花样自动变换。
〖主要参考元器件〗
555,74LS93，74LS74,74LS153,74LS164
进度安排
1.布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备：
2天；
2.领元器件、制作、焊接：
3天
3．调试＋验收：
2.5天
4.提交报告：
2012-2013学年第一学期9～13周
学生姓名：
、
指导时间：
第6～7周
指导地点：
E楼、室
任务下达
2012年、月、日
任务完成
2012年、月、日
考核方式
1.评阅□ 2.答辩□3.实际操作
4.其它□
指导教师
、
系（部）主任
、
注：
1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
目录
前言……………………………………………………………………………………、
第一章设计要求………………………………………………………………………、
1.1设计课题及要求…………………………………………………………、
第二章系统组成及工作原理………………………………………………………、
2.1系统组成框图………………………………………………………………、
2.2工作原理分析……………………………………………………………、
第三章电路方案设计…………………………………………………………………、
3.1电路图设计…………………………………………………………………、
3.2方案比较…………………………………………………………………、
第四章单元电路设计与计算……………………………………………………、
4.2四种码产生电路…………………………………………………………、
4.3彩灯自动转换控制电路……………………………………………………、
4.4花样输出电路………………………………………………………………、
第五章实验、调试及测试结果分析……………………………………………、
结论…………………………………………………………………………………、
参考文献…………………………………………………………………………、
、
、
第一章设计要求
1.1设计课题及要求
（一）题目：
四花样彩灯控制器
（二）基本要求：
设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现
（1）彩灯一亮一灭,从左向右移动；
（2）彩灯两亮两灭，从左向右移动；
（3）四亮四灭，从左向右移动；
（4）从1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭；
（5）四种花样自动变换。
（三）主要参考元器：
NE555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，与门74LS08，非门74LS04，四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164。
第二章系统组成及工作原理
2.1系统组成框图
把四花样彩灯设计分为几个独立的功能模块进行设计,每一个模块完成特定的功能,再把它们有机的组织起来构成一个系统完成彩灯控制器的设计。
系统可由四个模块组成，它们分别是：
四种码产生电路、开关电路、数据输出、时钟电路。
设计框图如图2.1所示：
各模块的组成及功能分析
1.四种码产生电路:
由模十六计数器74LS161、与门74LS08和非门74LS04组成，计数器的四个输出端接组合逻辑门从而产生四种码。
2.自动转换控制电路：
由双D触发器74LS74和四选一数据选择器74LS153组成，双D的两输出端接数据选择器的地址输入端，它能产生两位循环二进制码，每改变一种状态，数据选择器选择一种码输出，使彩灯花样自动循环。
3.数据输出电路：
由八位移位寄存器74LS164和八个彩灯组成，选择输出的每一种码输入到寄存器的数据输入端，使码在寄存器的八个输出端自左向右移动，实现彩灯的花样。
4.时钟电路：
由两个555和电阻电容组成，构成两个多谐振荡器，一个周期为0．721秒，控制计数器和寄存器，另一个周期为14.01秒，控制双D触发
2.2工作原理分析
从多谐振荡器出来的脉冲信号分为两路：
一路作为计数脉冲送到模十六计数器；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器。
调节多谐振荡器的电阻可以改变震荡频率，即改变彩灯移动的速度，得到不同的动态效果。
多谐振荡器、双D触发器、数据选择器共同组成一个电子开关。
多谐振荡器输出的计数脉冲经双D触发器两位二进制计数器，在它的两个输出端得到00、01、10、11四种逻辑状态。
这四个状态作为数据选择器的四个数据通道选择信号，对应从模十六计数器输送到数据选择器的QA，QB，QC，QD四个分频信号。
其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。
当双D触发器输出为“00”时，数据选择器输出10000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样一；为“10”时，数据选择器输出11000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样二；为“01”时数据选择器输出11110000序列脉冲，为八分频信号，实现花样三；为“11”时数据选择器输出1111111100000000序列脉冲，为十六分频信号，实现花样四。
调节开关电路的CP脉冲产生电路的电阻，可以改变开关的切换时间用以选择每种花样出现时间的长短。
数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端，在时钟脉冲的作用下，数据在移位寄存器的八位并行输出端从Q0到Q7顺序移动。
移动的八位控制信号直接控制发光二极管的亮灭，就出现了八路四花样自动循环切换的流水彩灯。
第3章电路方案设计
循环彩灯电路设计方案有多种，这里考虑以下两种方案：
方案一：
用模十六计数器74LS161的输出端的最高位QD作为双D触发器的时钟，可以少用一个555定时器。
计数器每计八个数，QD由低电平变为高电平，双D触发器的状态改变，四选一数据选择器74LS153选择下一种码输出，彩灯变为另一种花样，以后四种花样循环改变。
如图3.1所示:
图3.1比较方案1电路图
该方案设计原理符合逻辑，简单易懂使电路更清晰，增强了电路的可靠性，故选择该方案。
方案二：
该方案采用的是单片机原理，需要连的线比较少，图纸简洁，重在编程环节，因而容易实现四花样自动切换的彩灯控制器的设计。
但是。
只看原理图是不好理解设计思路的，尤其是在没有学过单片机的情况下，故不采用该方案。
电路图如下：
图3.2比较方案2电路图
第四章单元电路设计与计算
4.1时钟脉冲产生电路
时钟脉冲产生电路由555定时器、两个电阻和两个电容构成。
555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它可以方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生于变换、测量与控制等多种领域都得到广泛应用。
时钟脉冲产生电路主要由555定时器芯片来实现。
时钟电路图如图4.1所示:
图4.1时钟电路
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………………………（4-1）
要用两个555产生两个时钟脉冲,一个控制74LS161模十六计数器和八位移位寄存器,要能看到彩灯的流动,其周期设为1秒左右,电阻值和电容值可设为：
R1=1KΩ，
R2=51KΩ，
C=0.01μF
由公式（4-1）计算得：
T=0.721S
时钟电路的输出一路作为计数脉冲送到模16计数器74LS161；另一路作为移位时钟脉冲加到移位寄存器74LS164.
另一个555产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换,其周期设为模十六计数器的20倍,改变R1、R2的阻值即可，可设为：
R1=1KΩ，
R2=1MΩ，
C=0.01μF
由公式（4-1）计算得：
T=14.42S
4.2四种码产生电路
四种码产生电路如图4.2所示
图4.2四种码产生电路
根据彩灯要实现的四花样,可确定移位寄存器输出的二进制码,即四种码产生电路要产生的码，如表4-1所示：
表4-1四种码
花样
状态要求
周期（位）
码
1
一亮一灭，从左向右移动
8
10000000
2
两亮两灭，从左向右移动
8
11000000
3
四亮四灭，从左向右移动
8
11110000
4
从1～8从00左到右逐次点亮，然后逐次熄灭
16
1111111100000000
要产生这四种码，可由十六进制计数器接组合逻辑门产生，十六进制计数器的真值表如表4-2所示
工作原理：
四种码产生电路由74LS161构成十六位计数器。
74LS08是2输入四与门集成电路芯片，74LS04是带有4个非门的芯片，用来控制和改变74LS161输出的数据，使计数器迅速复位。
最终产生四种不同的码，来实现彩灯的四花样。
数据从74LS161十六位计数器的输出端QA,QB,QC,QD输出，经过与门和非门用来控制和改变74LS161输出的数据，最终输入到四
选一数据选择器74LS153的数据输入端IC0,IC1,IC2,IC3。
表4-2计数器真值表
序号
原状态[S（t）]
Q4Q3Q2Q1
次态[N（t）]
Q4Q3Q2Q1
输出
Z1
Z2
Z3
Z4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
0000
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
由表4-2分析得：
Z1=Q3Q2Q1Z2=Q3Q2Z3=Q3Z4=Q4
4.3彩灯自动转换控制电路
要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4，也就要使它的地址输入端输入四种状态并循环转变，可用双D触发器实现。
双D触发器的两个输出端Q1、Q2的状态方程为：
Q1n+1=Q2n（4—2）
Q2n+1＝Q1n（4—3）
设双D触发器的初始状态Q1Q2=00，由Q1、Q2的状态方程式（4—2）和式（4—3）可得，Q1、Q2的状态变换顺序为00—>01—>11—>10—>00，实现四分频。
用双D触发器的输出端Q1、Q2控制选择器的地址输入端，使数据选择器自动选择一种码输出，实现彩灯花样的自动控制。
自动转换控制电路如图4.3所示：
图4.3自动控制电路
令Q1Q2=AB，74LS153数据选择器的功能表如表4-3所示：
B（Q2）
A（Q1）
1Y
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
Z1
Z3
Z4
Z2
Z1
表4-3数据选择器功能表
工作原理：
数据从多谐振荡器的输出端输出，输入到双D触发器的时钟信号输入端，然后从双D触发器的输出端，输出到双四选一数据选择器74LS153的地址输入端。
由表4-3可知，数据选择器的地址输入端A、B循环转变，输出端1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四花样自动循环改变。
4.4花样输出电路设计
当输入移位寄存器数据输入端的码为10000000时，清零后在移位脉冲CP的作用下，寄存器数码移动情况如表4-4所示：
表4-4寄存器数码移动情况表
CP
Ri
QA
QB
QC
QD
QE
QF
QG
QH
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
2
0
0
1
0
0
0
0
0
0
3
0
0
0
1
0
0
0
0
0
4
0
0
0
0
1
0
0
0
0
5
0
0
0
0
0
1
0
0
0
6
0
0
0
0
0
0
1
0
0
7
0
0
0
0
0
0
0
1
0
8
0
0
0
0
0
0
0
0
1
工作原理：
输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。
寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。
由表4-4可看出，输入码中的那位高电平“1”从寄存器的输出端QA经八个移位脉冲CP作用后逐渐到了QH，使输出端所连接的彩灯依次点亮，实现了彩灯依次点亮的花样。
当输入另外的三种码时，寄存器的数码移动原理相似，所以就不累赘了。
第五章实验、调试及测试结果分析
由于设计采用的芯片门电路比较多而且复杂，所以在连线这一块上，常常会有所忽略，导致整个电路无法实现要求的彩灯切换花样的变换。
这时，就需要根据调试结果的推断哪里接线出了问题并且仔细检查改后的连线。
在调试中，有时还会出现灯的亮暗不正常的情况，原因可能是四种码的产生电路不能产生符合要求的四种码，检查模十六计数器的CP脉冲是否稳定，看74LS161是否能计数，即QA、QB、QC、QD是否周期性的高低电平变化，前面没问题，再检查与门74LS08和非门74LS04是否能实现它们逻辑功能。
首次调试时，发现彩灯亮暗变化太快，这时通过改变与555芯片相连的电阻的阻值来解决问题。
对于选通器件74LS153等不常见的元器件芯片功能的不了解可能会影响设计的复杂度，这是我们通过上网查资料来了解芯片功能，以便更好地简化电路。
在调试中找不出出错的原因时，我们通过小组成员相互帮忙来解决问题。
结论
通过这两周对四花样自动切换的彩灯控制器的设计，我对待问题的分析与解决能力有了很大的提高。
由于我们在数字电路这门课上学的只是一些基础知识，并没有深入地研究，所以在这个课程设计的元器件上，我们选的基本上是些常用的元器件芯片，设计原理简单，但是设计起来还是有点复杂，需要足够的耐心和细心。
尽管这个课程设计项目比较复杂，设计起来很辛苦，但是这两周忙碌的生活挺充实的。
功夫不负有心人，我们终于还是搞出来了。
在独立思考的同时，对于个人难解的问题我们小组互帮互助，互相交流，才使得设计圆满完成。
通过这次设计，学到了很多东西，如查找资料，设计比较，从各种图中提取所需。
焊接时出学到了好多，如如何在一定大小的板子上正确摆放好芯片，如何布线等等，调试时也是，知道了用工具如万用表来检查、修复故障。
本次课程设计让我受益匪浅，提高了动手能力，学会获取资料，活跃了自己的思维，巩固了所学知识，加深了对所学知识的理解。
附录1花样彩灯控制器原理总图
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