三种图案霓虹灯控制设计.docx
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三种图案霓虹灯控制设计
学号：
课程设计
题目
多种图案霓虹灯控制器设计
学院
专业
班级
姓名
指导教师
年
月
日
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
多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）霓虹灯控制工作状态按照上述2至3步自动重复循环。
时间间隔为1秒。
（5）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2～4天进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案；
第5天提交电路图，经审查后领取元器件；
第6～8天组装电路并调试，检查错误并提出问题；
第9～11天结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；
第12～14天补充完成课程设计报告和答辩。
指导教师签名：
2012年6月25日
系主任（或责任教师）签名：
2012年6月25日
目录
1设计意义及要求················································1
1.1设计意义················································1
1.2设计要求················································1
2方案设计······················································1
2.1设计思路················································1
2.2方案设计················································1
2.2.1设计方案一········································2
2.2.2设计方案二········································3
2.3方案比较················································5
3部分电路设计··················································5
3.1时钟信号电路············································5
3.2循环计数单元·········································6
3.3摇摆状态控制单元················································7
3.4暗点循环控制电路······································10
3.5循环状态转换控制电路·····································11
4调试与检测···················································12
4.1调试中故障及解决办法···································13
4.2调试与运行结果·········································13
5仿真操作步骤及使用说明·······································13
结束语·························································14
参考文献·······················································15
附录电路图····················································16
本科生课程设计成绩评定表
1设计意义及要求
1.1设计意义
多种图案霓虹灯控制器属于基础的一种自动控制电路组合，成型后将形成多种图案循环闪烁变换的图案，可以广泛应用于各种广告牌、商店装修、舞会装饰以及现场装扮等各种场合。
虽然是属于比较基础、简单的控制电路，但由于其广大的应用范围和
本次设计旨在帮助学生进一步巩固书本所学的模拟电路和数字电路知识，促使其学会分析设计命题，自主思考，独立设计电路，对于动手能力较弱的我们是一个很大的挑战，也是一个宝贵的提升能力的机会。
同时每个小组都需要一个小组方案，这就能培养同学之间相互合作，相互沟通的能力。
总之，本次的课程设计是对同学能力的检验，更是让同学提升动手实践能力，巩固所学知识的平台。
1.2设计要求
（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）霓虹灯控制工作状态按照上述2至3步自动重复循环。
时间间隔为1秒。
（5）严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。
2方案设计
2.1设计思路
本电路以控制电路部分为核心，四个LED灯为工作部分。
要求实现状态转换为摇摆和暗点循环，很容易联想想到的是利用74系列芯片的计数器和移位寄存器来实现。
但草稿图画出后发现电路十分庞大复杂，而且所用芯片业非常多，不符合简洁明了的设计理念，于是放弃使用移位寄存器。
事实上，摇摆状态下和暗点循环状态下都是12个状态在循环，于是想到利用十二进制计数器和逻辑门来实现功能。
十二进制计时器输出Q0端是做0→1的循环的，可利用逻辑门轻松地实现摇摆状态0101←→1010的循环。
接下来是实现暗点循环，将暗点循环状态和摇摆状态比较后可以发现，暗点循环状态为0的位数在摇摆状态也为0，于是只需要将摇摆状态下不需要为0的位数利用或门补1即可。
接下来考虑两种状态的衔接。
由于都是12次循环，所以只需一片74ls161组成的十二进制计数器即可。
利用一个D触发器，就可以实现摇摆状态和暗点循环状态之间的相互转化。
信号源部分使用555定时器构成的多谐振荡器，计算出合理的参数即可输出周期为1s的脉冲。
系统原理框图如图2-1所示：
图2-1系统原理框图
2.2方案设计
2.2.1方案一（个人方案）
图2-2个人方案设计图
个人方案的设计就是依据设计思路，使用555定时器、计数器、D触发器、逻辑门和LED灯来实现。
首先计算出合理的参数，选择合适的电容和电阻将555定时器连接成输出周期为1s的多谐振荡器。
用与非门连接74ls161的Q2Q3到清零端，形成十二进制计数器。
其输入端不用，所以全部接低电平。
初状态是0101，所以Q0分别通过或门连接到红灯和蓝灯。
绿灯和黄灯初状态为1，所以Q0经过非门后再分别通过或门连接到绿灯和黄灯。
74ls161的清零端通过非门后连接到D触发器的CP端，其Q非端于输入D端连接。
其输出Q端通过与门来控制摇摆状态和暗点循环状态的转换。
Q1端为暗点循环时的补1端。
红灯和绿灯由Q1端通过或门连接，蓝灯和黄灯由Q1的非通过或门连接。
多谐振荡器的输出端和74ls161的CP端之间连接一个开关，可用作启动/暂停。
上电后，按下启动开关，计数器开始计数。
第一个12循环结束前，Q2Q3连接的与非输出为高电平，此时没有脉冲送入D触发器，D触发器的输出Q端为低电平，抑制了Q1端输出的信号送到LED灯。
此时，Q0端为有效输出，控制LED灯的状态。
第一个12次循环结束后，D触发器被触发，Q1端送出的信号能被送到LED灯，通过或门和Q0端的输出相连，将不需要为0的位数补为1，样既可实现暗点循环的功能。
表2-1为两种循环状态以及Q1、Q0输出端的状态转换：
表2-1状态转换表
Q1Q0
摇摆状态
暗点循环
00
0101
0111
01
1010
1011
10
0101
1101
11
1010
1110
00
0101
0111
…
…
…
由表中可看出，暗点循环为0的位置摇摆状态下也为0。
所以只需要把不需要为0的位置用或门补成1既可。
2.2.2方案二（小组方案）
小组方案思路与个人方案大致相同，也是利用计数器和逻辑门电路来实现要求功能。
电路设计图见图2-3。
对于设计要求的两种图案，即摇摆图案（0101←→1010）和暗点循环图案（0111→1011→1101→1110→0111）可以采用集成计数器74ls193实现，其中摇摆图案（0101←→1010）循环6次就可以看作2*6=12种状态；同理暗点循环图案（0111→1011→1101→1110→0111）就可以看作4*3=12种状态；则一共就有24种状态，所以可以用两片74ls193从而可以实现25种状态，这样就可以写出真值表，见表2-2；整个系统使用的时钟脉冲则通过555定时器构成的多谐振荡器来实现。
表2-2全部循环状态真值表
Q2AQ1DQ1CQ1BQ1A
L1L2L3L4
Q2AQ1DQ1CQ1BQ1A
L1L2L3L4
00000
0101
10000
0111
00001
1010
10001
1011
00010
0101
10010
1101
00011
1010
10011
1110
00100
0101
10100
0111
00101
1010
10101
1011
00110
0101
10110
1101
00111
1010
10111
1110
01000
0101
11000
****
01001
1010
11001
****
01010
0101
11010
****
01011
1010
11011
****
01100
0111
11100
****
01101
1011
11101
****
01110
1101
11110
****
01111
1110
11111
****
图2-3小组电路图
2.2.3方案比较
经过仿真，个人方案与小组方案均能良好实现要求功能。
个人方案需要对状态转换之间有细致的观察，小组方案则是通过列真值表并简化的方法，思路简单但过程较为繁琐。
经过小组讨论，乍一看好像个人方案较为简单，但深入推敲以及仿真后发现，事实上小组方案在制作实物过程中更加方便。
所用芯片较少更为重要的事连线较之个人方案简洁了不少。
所以小组成员一致决定采用该方案作为制作实物方案。
3部分电路设计
3.1时钟信号电路
整个电路都需要脉冲信号来驱动，所以时钟信号电路显得尤为重要。
结合数电课程的学习，使用555定时器、电阻、电容来构成多谐振荡器。
图3-1NE555N管脚图
图3-2为555定时器构成的多谐振荡器：
图3-2多谐振荡器
时钟信号频率可由下列公式求得：
f=1/（R1+2R2）*C2*ln2Hz
即：
t=（R1+2R2）*C2*ln2s
由题目要求周期为1s，所参数设计为：
R1=9kR2=9kC2=50uF
按此参数设计，多谐振荡器输出脉冲周期大约为1s。
3.2循环计数单元
循环计数单元主要有74ls161芯片构成。
单元结构如图3-3所示：
图3-3循环计数单元
将74ls161的Q2Q3与非后接到清零端就构成了一个十二进制计数器。
在CP端加上一个开关可以实现启动/暂停的功能。
根据功能表，四个输入端全部接低电平，使能端接高电平。
图3-4和表3-1分别是74ls161的引脚图和功能表：
图3-474ls161引脚图
表3-174ls161功能表
由功能表可知，74ls161CP端为脉冲上升沿触发。
当清零端CR为低电平时，实现清零功能，四个输出端全部输出低电平。
当清零端为高电平时，芯片正常工作。
当使能端EP、ET全为高电平时，74ls161实现加法计数功能。
由于本电路中不用输入端置数，所以四个输入端全部接低电平。
3.3摇摆状态控制单元
摇摆状态单元是用来实现第一个循环摇摆状态的。
由循环计数单元、非门和或门构成。
图3-5摇摆控制单元是电路图：
图3-5摇摆状态控制单元电路图
如图，四个或门的输出端连接4个LED灯。
具体连接为：
3接红灯，6接绿灯，8接蓝灯，11接黄灯。
灯的状态由计数器的输出Q0端决定。
即当Q0端为低电平时，绿灯和黄灯亮；Q0为高电平时，红灯和蓝灯亮。
74ls32能表以及引脚图如表3-2和3-6所示：
表3-274ls32功能表
图3-674ls32引脚图
由引脚图可知，一片74ls32芯片中包含了四个或门。
所以在实物中，只需要一片74
ls32芯片即可。
74ls04引脚图以及功能表如3-7和表3-3所示：
图3-774ls04引脚图
表3-374ls04功能表
3.4暗点循环控制电路
暗点循环控制电路是控制电路的第二个工作状态——暗点循环状态的。
图3-8是暗点循环控制电路的电路图：
图3-8暗点循环控制电路图
如图3-8，暗点循环控制电路就是在摇摆状态控制电路的基础上引入Q1的信号。
引入Q1信号的作用是在摇摆状态循环的基础上，将不需要为0的位数变成1。
具体地说，就是将Q1的信号和Q0的信号用或门连接，输出端连接到红灯和绿灯；Q1非和Q0通过或门连接，输出端接到蓝灯和黄灯。
3.5循环状态转换控制电路
循环状态转换电路是控制电路在摇摆状态和暗点循环状态之间相互转化循环的关键部分，主要由一个D触发器和一个非门构成。
图3-9是循环状态控制电路的电路图：
图3-9循环状态转换控制电路
如图，D触发器的输出Q非端与输入D端相连，CO脉冲输入由74ls161的清零端相连接。
输出Q端分别连接到暗点循环控制电路中与Q1相连接的两个与门。
由于D触发器初始状态Q输出端为低电平，所以上电后和D触发器相连接的与门被锁位在低电平，计数器输出Q1和Q1非的信号不能送到工作端。
当完成一次十二进制计数后，74ls161清零端送出一个脉冲信号到D触发器CP端使D触发器被触发。
和D触发器输出Q端相连接的两个与门解除低电平锁位，计数器输出Q1和Q1非的信号得以送到工作端。
双D触发器芯片7474的引脚图以及功能表如图3-10和表3-4所示：
图3-107474芯片引脚图
表3-47474芯片功能表
4调试与检测
4.1调试中故障及解决办法
（1）按设计电路图在Proteus仿真软件中第一次连接好电路并仿真时，发现电路工作端即四个LED灯不工作。
检查后发现是555定时器组成的多谐振荡器使能端忘记连线，导致电路中没有脉冲信号送入，所以无法工作。
解决方法：
按555功能表正确连接使能端即可。
（2）连接好多谐振荡器的使能端后仿真，发现工作状态出现异常。
在从摇摆状态转换进入暗点循环状态时出现不是很明显的延时现象，经过对电路分析后认为是循环状态转换控制电路部分出现问题，在计数器清零端和D触发器之间加上一个非门后，延时现象得到解决。
（3）解决上述问题后，再次按下启动开关，发现循环顺序出错。
初状态应该是0101，即红灯和蓝灯熄灭，绿灯和黄灯亮，但仿真结果却是红灯和蓝灯亮，绿灯和黄灯熄灭。
该问题较为简单，应是连接电路时误将LED彩灯顺序接反了。
解决方法：
将LED灯反序连接即可。
4.2调试与运行结果
运行Proteus仿真软件，仿真前先将启动/暂停开关置于断开状态，仿真上电后，工作端四个LED灯显示的状态为0101，即红灯和蓝灯熄灭，绿灯和黄灯亮。
按下启动/暂停开关后，四个彩灯开始按1s的周期开始做摇摆状态0101←→1010的循环。
该循环六次后，自动按0111→1011→1101→1110→0111→进行暗点循环。
循环三次后再次进入摇摆状态，并按此循环下去。
5仿真操作步奏及使用说明
由于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
为期10天的课程设计仿佛还没开始，但是已经结束了。
回顾这10余天的课程设计，相信每个人都有自己的感悟和收获。
我认为当代大学生，尤其是理工科大学生，动手实践能力非常薄弱。
这从本次课程设计中包括我在内的不少人手忙脚乱但却进度缓慢的现象中就能看出来。
但是课程设计，却提供了一个给我们锻炼动手实践能力的大好机会。
虽然时间很短，但能从中学到的东西却非常多。
首先是课程专业知识，在设计过程中，使用到以前学过的知识，就能达到复习的效果；但如果遇到新的知识，就需要自己翻阅资料，自学新的知识。
这样不仅学到了知识，更重要的是培养了一种自学的精神。
其次，在设计过程中，总是遇到这样或者那样的问题。
有时发现一个问题的时候，需要花费大量的时间，做大量的工作才能解决。
自然而然地，我们的耐心便在其中建立起来了。
而当经过努力成功解决了一个问题时，那种成功的喜悦以及成就感，会让我们的信心得到充分的增强。
这为以后迈上工作岗位积累了经验。
本次课程设计还要求小组成员之间的合作，这也无形之中培养了我们的团队合作精神。
俗话说一个好汉三个帮，个人的力量不可能比集体的力量还大的。
所以团队合作精神对于我们以后的人生道路也有很大的帮助。
本次的课程设计对于我个人来说是一个非常好的锻炼和升华自我的过程。
虽然过程中请教了很多人，也得到了很多帮助，但总体上还是通过自己的努力完成了本次课程设计。
无论是对于知识的巩固还是对于信心、耐心和团队精神的培养对我都有非常积极的影响作用。
虽然是第一次课程设计，虽然有很多手忙脚乱，也有很多不足的地方，但我还是很高兴通过自己的努力完成了这次课设。
总之，通过这将近两个周的学习，还是学到了不少的知识的。
不仅纠正了课程学习过程中出现的许多错误，还在试验中验证了自己的一些猜想。
在学习的过程中有失败，当然也有困惑，有成功，当然就有喜悦。
虽然只是课程设计，但我拿出了自己的全部精力去对待，能学到知识固然值得骄傲，能认识到自己的过错和不足不也是一件幸事吗。
做学问也是做人，再作学问的过程中体味做人的道理不也是一种收获吗？
记得古语中说过：
“学，然后知不足。
”我必将通过更加努力的学习它来完善自己。
我想这就是我学习这门课的最大感受吧！
参考文献
康华光.电子技术基础-数字部分（第五版），高等教育出版，2006.1
祁存荣，陈伟.电子技术基础实验（数字部分）武汉理工大学教材中心
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
高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社
附录
个人方案仿真电路图：
小组方案仿真电路图：
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
男
专业、班级
课程设计题目：
多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：
2012年7月4日
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