循环彩灯系统设计.docx
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循环彩灯系统设计
课程设计报告
题目：
循环彩灯系统设计
课程名称：
电子技术课程设计
学生姓名：
学生学号：
年级：
15级
专业：
电子信息工程
班级：
1班
指导教师：
电子工程学院制
2017年3月
循环彩灯系统设计
电子工程学院电子信息工程专业
1设计的任务与要求
1.1课程设计的任务
利用Multisim仿真软件和电子元器件，设计并制作一个循环彩灯系统。
1.2课程设计的要求
由八只LED灯组成的彩灯系统，要以一定的花型循环,循环间隔可自行定义。
2循环彩灯设计方案制定
2.1循环彩灯设计的技术方案
图1原理框图
2.2循环彩灯系统设计的原理
555定时器组成多谐振荡电路提供震荡脉冲，利用计数器产生的脉冲控制译码器，利用多块译码器可实现LED灯的多种方式循环显示，增添效果显示。
R1?
R2给电容C1充电，使逐渐升高，当时，3脚（Q端）输出为高电平。
当上升到超过时，3脚输出仍为高电平。
当继续上升到略超过时，RS触发器状态发生翻转，3脚输出为低电平，同时C1经R2及7脚内导通的放电管VT到地放电，迅速下降。
当下降到略低于时，触发器状态又翻转，3脚输出变为高电平。
同时，7脚内导通的放电管VT截止，电容C1再次进行充电，其电位再次上升，一直循环下去。
根据，可以看出，通过改变电位器R2的电阻值的大小，即可以改变振荡器的振荡周期，从而改变3脚输出高低电平的转换时间，进而改变流水灯的速度。
3循环彩灯设计方案实施
3.1循环彩灯单元模块功能及电路设计
图2震荡电路设计
（1）集成定时器电路主要用来产生时间基准信号（脉冲信号）。
因为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。
由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚3直接相连。
电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端
放电，使电路产生振荡。
电容C在
和
之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。
输出信号的时间参数是：
T=
=0.7（R1+R2）C
=0.7R2C
其中，
为VC由
上升到
所需的时间，
为电容C放电所需的时间。
R1=R2=10K,C=47uF,T=1S，555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。
该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
它的内部电压标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路。
其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。
几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。
555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。
双极型的电压是+5V~+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V~+18V。
555电路的内部电路它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
Vc是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。
（2）延时触发器电路
D触发器（dataflip-flop或delayflip-flop）由6个与非门组成，其中G1和G2构成基本RS触发器。
电平触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。
如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。
而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。
这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。
边沿D触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。
D触发器（dataflip-flop或delayflip-flop）由6个与非门组成，其中G1和G2构成基本RS触发器。
电平触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。
如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。
而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。
这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。
边沿D触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。
图3D触发器工作原理图
图4触发器
（3）计数器电路
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能
从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0•Q1•Q2•Q3•CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
图574L161计数器管脚图
管脚图介绍：
时钟CP和四个数据输入端P0~P3
清零/MR
使能CEP，CET
置数PE
数据输出端Q0~Q3
以及进位输出TC. （TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET）
图674LS161时序波形图
表174LS161功能表
输 入
输 出
CR
CP
LD
EP
ET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0
0
0
0
1
↑
0
Ф
Ф
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↑
1
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
Ф
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
1
1
Ф
Ф
Ф
Ф
状态码加1
从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
由此可见，当74LS161有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。
图7顺序脉冲发生器
（4）译码器电路
此电路的作用是将输入信号转换成另一种信号控制彩灯的开关，此电路是用74154译码器，因为前面用到16进制的加减计数器，所以这里用到的有十四个输出。
电路图如下：
图874154译码器管脚图
图974154译码器仿真图
3.2循环彩灯电路参数计算及元器件选择
表2本系统所用的元器件
元器件名称
数量
LED灯
8
或非门74LS00D
1
1K滑动变阻器
1
D触发器
3
计数器74LS161
1
译码器74L154
1
555定时器
1
电阻1k
电容100nf
电阻300欧
电容10nf
2
1
1
1
电源VCC
2
导线
若干
3.3循环彩灯系统整体电路图
图10循环彩灯系统总体电路图
4循环彩灯系统设计的仿真实现
4.1仿真软件介绍
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
EDA就是“ElectronicDesignAutomation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。
发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。
一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。
EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。
EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。
美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim9软件就是这方面很好的一个工具。
而且Multisim9计算机仿真与虚拟仪器技术（LABVIEW8）（也是美国NI公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。
学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。
并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。
极大地提高了学员的学习热情和积极性。
真正的做到了变被动学习为主动学习。
这些在教学活动中已经得到了很好的体现。
还有很重要的一点就是：
计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。
4.2循环设计仿真实现
图11系统的仿真结果
循环彩灯在Multisim仿真软件中的运行结果如图所示，此时为第一个灯亮，彩灯可以依次实现点亮，并且在全部点亮后从最后一个依次向前逐渐点亮，以实现循环效果。
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