数电课程四花样彩灯设计.docx
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数电课程四花样彩灯设计
郑州科技学院
《数字电子技术》课程设计
题目四花样彩灯控制器
学生姓名顾梦晓
专业班级通信工程2班
学号*********
院（系）信息工程学院
指导教师邓国辉
完成时间2013年11月25日
1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：
555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。
2系统总成及工作原理
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：
图2-1
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10101010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11001100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。
3电路方案设计
3.1电路图设计
将各单元电路组织起来就得到了系统电路图，如图所示:
图3-1
本电路图设计简单、结构清晰，可分为四种码产生电路、开关电路、输出电路和时钟电路这四个模块。
四种码产生电路由模十六计数器和组合逻辑门构成，开关电路由双D触发器和数据选择器构成，输出电路由移位寄存器和彩灯构成，时钟电路由两个555构成。
通过改变多谐振荡器的电阻可改变彩灯流动的速度和各花样持续的时间，实现了彩灯花样的动态变化，增强了控制器的灵活性。
4单元电路设计与计算
4.1时钟脉冲产生电路
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
电路图如图4.1所示:
图4.1时钟电路
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50倍,改变R1、R2的阻值即可，可设为：
R1=1MΩ，R2=2MΩ，C=10μF
由公式（4-1）计算得：
T=35S
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：
花样
状态要求
周期（位）
码
1
一亮一灭，从左向右移动
8
10101010
2
两亮两灭，从左向右移动
8
11001100
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
表4-1四种码
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:
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
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
表4-2
由表4-2分析得：
Z1=Q11
Z2=Q2
Z3=Q3
Z4=Q4
所以四种码产生电路如图4.3所示：
图4.3四种码产生电路
4.3彩灯开关电路
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。
使双D触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双D触发器能产生00、01、10、11这四钟循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四花样循环。
开关电路图如图4-4所示：
图4-4开关电路
令D1D0=BA，74LS153数据选择器的功能表如表4-5所示：
B（D1）
A（D0）
1Y
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
Z1
Z2
Z3
Z4
Z1
表4-5数据选择器功能表
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
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。
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4-6所示：
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
表4-6寄存器数码移动情况表
由表4-6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。
5安装调试
5.1电路板安装及检查
A、将原件插在电路板上，按电路图进行连线，并用电烙铁进行焊接
注意事项：
电路比较复杂，需要接线很多，焊点也很多，且焊点集中，焊接时一定注意不要将不该焊到一起的点焊一起了。
1、注意芯片的用法，特别是管脚的正确连接。
2、注意不要忘了将芯片的Ucc端和GND端接到电路上。
3、注意LED的正负极。
4、正确运用PCB板的特性，连通的地方可省去布线，Ucc和GND分别利用PCB板上下的连线。
B、依次检查电路板的连线，看有没有焊错、虚焊或短路的地方，检查各芯片的电源和地是否接上，并调整过来。
检查无误后进行调试
5.2调试
前面的检查无问题后，接通电源，进行调试，根据彩灯的变化情况，确定可能的原因，分析是哪个功能模块出了问题，用数字万用表检查各模块的功能，发现并改正错误，直到符合要求为止。
5.3故障及分析
电路接好后，接上电源调试,首先发现没有明显的花样变化，且出现了乱码现象,经检查后发现，电路连接没什么大问题,再次接上电源,发现又可以了,可是后来又不太稳定,时好时坏,试验效果时有时无,后来又重焊了一块板子,也是同样的现象,最后才发现原来是电源接触不良.将电源换掉后，再次调试发现没有问题,效果很明显,时间也很精准,完全达到了题目要求。
6实验小结
本次试验的内容是四花样彩灯控制器。
由于在以前的学习中积累了一些经验，这次设计总的来说是比较顺利的。
通过设计，我进一步熟悉了电烙铁和万用表的使用方法，巩固和加深对数电所学理论知识的理解和掌握，特别是对74LS161十六位循环计数器、74LS04六反相器、74LS08四2输入正与门、74LS153数据选择器、74LS164八位移位寄存器、CT74LS74正边沿触发双D触发器、多谐振荡器等原件了有了更深的了解，深感受益匪浅。
实验中电路比较复杂，在焊接布线时相当的麻烦，得非常小心，涉及多个芯片的用法，焊接前一定要分析清楚这些芯片的用法。
板子的连通性，给布线带来方便时也使安装元器件时要注意，不能让元器件短路，如果不小心令电路短路了，就很容易烧毁原件，后果不堪设想。
设计过程中温习了基本的焊接技术，万用表的使用和熟悉了电阻的读数方法和很多元器件的使用方法。
但在做的过程中也遇到了很多的问题。
试验中，由于焊接技术不精导致板子焊出来不太美观,给检查电路带来不少麻烦。
让我印象最深的是调试过程了。
焊接检查完毕后，把电路板插在电源上，首先发现没有明显的花样变化，且出现了乱码现象,经检查后发现，电路连接没什么大问题,再次接上电源,发现又可以了,可是后来又不太稳定,时好时坏,试验效果时有时无,后来又重焊了一块板子,也是同样的现象,最后才发现原来是电源接触不良.将电源换掉后，再次调试发现没有问题,效果很明显,时间也很精准,完全达到了题目要求。
通过这个经历也让我长了经验教训，做试验前，一定要弄清原理，否则就会走不必要的弯路。
还有一件很有意思的事就是实验中应焊接时间过长,导致一个10UF的电容烧坏，使得一个多谐电路工作异常，频率特快，从而使得八盏灯一直亮。
不过还好很快被查出并重换了一个电容。
最后看着自己设计并焊接成的彩灯随着时间的脚步忽明忽暗，心里有一种说不出的成就感。
参考文献
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13~15.
[2]蓝厚荣.单片机的PWM控制技术[J].工业控制计算机,2010,23（3）:
97~98
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电子工业出版社.2009.342~344
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清华大学出版社.2004.49~77.
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25~26
[6]马云峰.单片机与数字温度传感器DS18B20的接口设计[J].计算机测量与控制,2007,10（4）：
278~280
附录1：
总体电路原理图
附录2：
元器件清单
种类
元件
数量
芯片
74LS161
1
74LS153
1
74LS164
1
74LS08
1
74LS04
1
74LS74
1
555
2
电容
0.01μf
2
10μf
2
电阻
1KΩ
2
51KΩ
1
1MΩ
1
510Ω
8
发光二极管
8
插槽
16脚
2
8脚
4
4脚
2
电路板
1
导线焊丝若干
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