河南城建学院循环彩灯控制器.docx
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河南城建学院循环彩灯控制器
数字电子技术基础课程设计
河南城建学院自动化专业
题目：
循环彩灯控制器
姓名：
学号：
指导教师：
时间：
2014年6月16日~2014年6月19
前言
一．课程设计的目的
1. 有助于加深我们对操作系统这门课程的理解，我们在课堂上学的都是基础理论知识，对于如何用程序语言来描述所学知识还是有一定难度。
通过课程设计，我们可以真正理解其内涵。
2. 有利于我们逻辑思维的锻炼，程序设计能直接有效地训练学生的创新思维、培养分析问题、解决问题能力。
即使是一个简单的程序，依然需要学生有条不理的构思。
3. 有利于培养严谨认真的学习态度，如果不够认真或细心，那么可能就导致接线错误，从而无法得出运行结果。
那么，这个我们反复调试，反复修改的过程，其实也是对我们认真严谨治学的一个锻炼。
二．课程设计的要求
1.以电子技术基础的基本理论为指导，将设计实验分为基础型和系统型两个层次，基础型指基本单元电路设计与调试，系统型指若干个模拟、数字基本单元电路组成并完成特定功能的电子电路的设计、调试；
2.熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法；
3.学习计算机软件辅助电路设计方法，能熟练应用电子线路CAD进行电路设计和印刷电路板的设计制作；
4.学习电子系统电路的安装调试技术；
5.拓展电子电路的应用领域，能设计、制作出满足一定性能指标或特定功能的电子电路设计任务。
目录
一．设计的题目………………………………………………………3
二．设计的要求………………………………………………………3
三．电路设计分析……………………………………………………3
四．元件选择的方案比较……………………………………………4
五．总电路方案设计…………………………………………………6
六．单元电路组成……………………………………………………7
七．仿真电路…………………………………………………………12
八．参考文献…………………………………………………………14
九．设计总结…………………………………………………………15
十．附件………………………………………………………………16
一．设计的题目
循环彩灯控制器
二．设计的要求
1.共有红、黄、绿3色彩灯各9个，要求按照一定顺序和时间关系亮灭。
2.动作要求：
先亮红灯、后绿灯、再黄灯，分别按照0.5s
的速度跑动一次。
然后全部红灯亮5s，后绿灯亮5s、再黄灯亮5s,以此顺序和时间关系进行循环。
三．电路设计分析
该循环彩灯控制器与其他普通彩灯电路不同，他要求电路中有三种不同颜色的彩灯——红绿黄各九个。
运行的时候先亮红灯、后绿灯、再黄灯，分别按照0.5s的速度跑动一次。
然后全部红灯亮5s，后绿灯亮5s、再黄灯亮5s。
以此顺序和时间关系进行循环。
这样就要求我们设计有两个时间脉冲控制，首先是用0.5s的频率脉冲控制，使红灯、绿灯、黄灯依次跑动一次，然后换成5s的频率脉冲控制，全部红灯亮5s，然后全部的黄灯亮5s，最后到绿灯亮5s。
等全部的绿灯亮5s后，电路又换回到用0.5s的频率脉冲控制，如此循环下去。
由以上对电路的功能描述，初步确定，总的电路主要是由5个单元电路组成，其结构框图如图所示。
整个电路可由时钟脉冲产生电路、脉冲选择电路、计数器、译码器以及彩灯电路5个部分组成。
其真值如下图所示
红灯
1
0
0
绿灯
0
1
0
黄灯
0
0
1
结构框图如下图所示
四．元件选择的方案比较
1.时间脉冲电路的选择
方案一：
由门电路构成的多谐振荡器。
当电源电压波动时，会使振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压及外界干扰的影响，因此频率稳定性较差。
方案二：
由集成施密特触发器组成多谐振荡器。
通过电容值和可调的电阻值来确定输出矩形波的频率值（通常为10HZ），并且集成施密特触发器具有较好的性能，其正向阀值电压UT+和负向阀值电压UT-也很稳定，有很强的抗干扰能力，使用方便，电路简单可调。
根据各方面因素的分析，很明显方案二更好。
所以选择了由集成施密特触发器组成多谐振荡器。
2.计数器的选择
方案一：
74LS161芯片（74LS160、74LS162、74LS163和74LS161类似），是一个具有异步清零、同步置数、可预置的四位二进制计数器。
方案二：
CD4017，它是一片十进制计数器，该器件具有10个译码输出端，每个译码输出端通常处于低电平，在时钟脉冲由低到高的转换过程中依次进入高电平，每个输出在高电平维持10个时钟周期中的1个时钟周期，输出10进入低电平后进位输出由低电平转到高电平，并能与时钟允许端连成N级。
3.译码器的选择
方案一：
74lS138，它为3线-8线TTL电路型号译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式，当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端为低电平时，可将地址端（A,B,C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。
方案二：
用译码器74154TTL4线—16线,74154是4线-16线译码器，当选通端（G1，G2）均为低电平时，可将地址端（ABCD）的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。
4.脉冲选择器
单纯用简单的门电路来控制脉冲源的选择，用门电路再结合译码器几个输出端共同控制脉冲源的选择，相当于组成了一个选频网络。
五.总电路方案设计
方案一：
27个彩灯分组，红灯每三个为一组，有三组，绿灯和黄灯和红灯类似，共九组。
需要两个555多谐振荡器，一个实现0.5s的跑动频率以及另一个实现5s的跑动频率。
需要一个脉冲选择控制电路用加法计数器和译码器来达到选频功能。
一个12进制的加法计数器，再通过一个译码器，输出12个输出信号，其中前九个输出控制第一个跑动效果，后三个输出控制第二个跑动效果。
利用前面的两个555多谐振荡器，使输出前九个时用0.5s的跑动频率，后三个输出用5s的跑动频率。
方案二：
27个彩灯分组，红灯每三个为一组，有三组，绿灯和黄灯和红灯类似，共九组。
需要一个555多谐振荡器，实现0.5s的跑动频率。
需要两个加法计数器和一个译码器。
2个74LS161计数器组成一个39进制的计数器，输入0.5s的脉冲源，计数器输出端接一个74LS42译码器，译码器的输出端接上彩灯。
计数器从00000000开始计算，00000000到00001000分别控制三种颜色的灯亮0.5s，00001001到00010000控制红灯亮5s，绿灯和黄灯同理。
一直到计数器计算到00100101，然后清零，如此循环就可以了。
两种方案相比较而言，第二种方案需要大量的门电路，而且连线非常多，比较复杂。
所以我选择了第一种较为合理的方案。
六．单元电路设计
1.用555定时器构成多谐振荡器
上图为多谐振荡器的电路形式，用图中电容用555时器构成的多谐振荡器电路如6-1（a）所示：
图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。
定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电；外界控入端（5脚）通过0.01uF电容接地。
其仿真原理图如下：
2.计数器74LS161
74161芯片是一个具有异步清零，同步置数，可预置的同步四位二进制计数器。
其引脚如下图所示，其中Ro是异步清零端，LD是预置数控制端，A，B，C，D是预置数据输入端，EP和ET是计数使能端，RCO是进位输出端。
仿真原理图如下：
3.74154TTL4线—16线译码器，构成输出端
74154为4线－16线译码器，当选通端（G1、G2）均为低电平时，可将地址端（ABCD）的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。
如果将G1和G2中的一个作为数据输入端，由ABCD对输出寻址，74154TTL4线—16线还可作1线-16线数据分配器。
A、B、C、D译码地址输入端（低电平有效），G1、G2选通端（低电平有效），0－15输出端（低电平有效）。
其引脚图：
其仿真原理图如图所示：
4.彩灯与驱动电路
7个彩灯分组，红灯每三个为一组，有三组，绿灯和黄灯和红灯类似，共九组。
因为74154TTL4线—16线译码器是以低电平译出的，所以在信号接入彩灯阳极的时候，都接上一个非门，把信号转为高电平，所以彩灯阴极先接上一个电阻，用来保护LED灯管，再接地。
七．仿真电路
电路上有两个用555定时器构成的多谐振荡器，分别为2kHZ和200HZ。
一个12进制的加法计数器，再通过一个译码器，输出12个输出信号，其中前九个输出控制第一个跑动效果，后三个输出控制第二个跑动效果。
利用前面的两个555多谐振荡器，使输出前九个时用0.5s的跑动频率，后三个输出用5s的跑动频率。
从而达到了实验的效果。
在仿真运行的过程中，电路运行总结果基本符合要求，各路彩灯都能按大致规定的要求亮起，元件也没有出现烧坏的现象。
电路中唯一不够理想的就是电路中的时间可能不够准确，尤其是5s脉冲控制时各组彩灯同时亮起的时候，时间不够准确而且电路也不太稳定。
我们经过长时间的讨论分析认为可能是由于各个模块的电路都存在延时现象，所以才导致这种情况的发生。
八，参考文献
1.《数字电子技术基础》（第五版）阎石主编，高等教育出版社
2.《电子技术实验与课程设计》赵淑范 王宪伟编著，清华大学出版社
3.《电子技术课程设计指导》彭介华主编，高等教育出版社
4.《实用电子控制电路200例》中国电力出版社
5.《数字电路实验与EDA技术》东南大学出版社
九．设计总结
1.遇到的实际困难及解决措施
在电路调试的过程中，遇到的最大的问题就是当时设计时考虑不周全，芯片分布不够合理，出现了许多“特长线”。
不但影响布线速度，而且也会给后来的调试带来不必要的麻烦。
当时布线已经不少，不可能重新开始，毕竟下了那么大的工夫，再三商量之后，最后只移动了一个芯片，问题就得到了很大的改善。
其次就是布线，因为要求不许交叉，而且要横平竖直，所以在保证连通的情况下在布线上也下了不少的工夫。
再者，提到本次设计的难点，我想主要是在于个单元电路的连接及电路的细节设计那几个方面。
每一个单元电路都需要有一个很清楚的条理，要有独立思考的过程。
例如我们在做脉冲选择电路时就尝试了很多的方法，最后我们通过网络和书籍的查询，还是把它给完成了。
2.结论与心得
《数字电子电路基础》是我所学专业的主要课程之一，因此我认为数电课程设计是十分必要而且十分重要的。
尽管刚刚拿到课程设计题目时有点迷惘，不知道如何着手，但通过上网和图书馆查阅相关资料，自己认真钻研以及虚心询问同学，终于解决了一个又一个的困难和障碍，大致成功完成了任务。
通过本次的数电机课程设计，不仅大大地丰富了我的理论知识，而且在实践过程中更令我学会了坚持、耐心和努力。
此次数电课程设计需要运用到许多之前所学过的知识，令我认识到自己以前学习的一些不足之处，例如对以前所学知识的理解不够深刻，掌握得不够牢固，运用不够灵活。
这让我懂得了认真学习的重要性，以及要孜孜不倦地钻研所学过的知识，做得融会贯通，不能一览而过，不求甚解。
在边学习边动手的过程中，我对循环彩灯的构造以及原理有了进一步的了解，同时也加深和巩固了我对数电这门课认识。
除此之外，由于是第一次做课程设计，因此在此次课程设计的过程中，无论是电路设计还是仿真难免遇到了不少困难和障碍，例如仿真软件用的不熟悉、电路元件无从入手等。
在面对困难和障碍时，我庆幸自己没有退缩和逃避，而是通过各种方法，迎难而上，以坚持、耐心和努力勇敢无畏地面对困难，克服困难，解决困难。
让我发现问题、分析问题、解决问题以及动手实践的能力都有了很大的提高，并了解到理论知识与实践相结合的重要意义。
从这次的课程设计中，我们真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习《数字电子电路基础》，知识只有在经常的练习的过程中才能记得清晰。
本次课程设计尽管时间不长，但从中所获，将令我受益终生。
十．附件
1.74LS161真值表
2.74LS154真值表
INPUTS
选定输出
G1
G2
D
C
B
A
0
0
0
0
0
0
Y0
0
0
0
0
0
1
Y1
0
0
0
0
1
0
Y2
0
0
0
0
1
1
Y3
0
0
0
1
0
0
Y4
0
0
0
1
0
1
Y5
0
0
0
1
1
0
Y6
0
0
0
1
1
1
Y7
0
0
1
0
0
0
Y8
0
0
1
0
0
1
Y9
0
0
1
0
1
0
Y10
0
0
1
0
1
1
Y11
0
0
1
1
0
0
Y12
0
0
1
1
0
1
Y13
0
0
1
1
1
0
Y14
0
0
1
1
1
1
Y15
X
1
X
X
X
X
NONE
1
X
X
X
X
X
NONE
3.元件清单
元件序号
元件名称
元件参数
数量
备注
1
74161N
4位二进制
1
计数器
2
74154N
4线—16线
1
译码器
3
NAND2
9
二输入与非门
4
NAND3
1
三输入与非门
5
NAND4
1
四输入与非门
6
AND2
2
二输入与门
7
NOT
1
非门
8
OR2
1
二输入或门
9
C1-C4
10n
4
多谐振荡组成
10
R1-R5
2Ω,15k,20k,31.5k,
350k
5
多谐振荡组成以及彩灯保护电阻
11
LED
红色，黄色，绿色
27
彩灯
·成绩评定·
指导教师评语：
班级0924122姓名刘林楠学号092412222
综合成绩：
指导教师签字年月日
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