循环彩灯控制器课程设计8路.docx
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循环彩灯控制器课程设计8路
数字电路课程设计报告
课程名称：
循环彩灯控制器
设计题目:
循环彩灯控制器
院 （部）:
机械与电子工程学院
专业:
学生姓名:
学号：
班 级:
日期:
指导教师:
课程设计任务书
课程设计题目
循环彩灯控制器
姓名
学号
班级
院部
机械与电子工程学院
专业
组别
组长
组员
指导教师
课程设计目得
１．进一步掌握数字电路课程所学得理论知识。
2.熟悉几种常用集成数字芯片得功能与应用,并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。
3.了解数字系统设计得基本思想与方法，学会科学分析与解决问题。
4.培养认真严谨得工作作风与实事求就是得工作态度。
5.数点课程实验就是大学中为我们提供得唯一一次动手实践得机会，增强动手实践得能力。
课程设计环境
用proteus仿真软件画出总体电路图、woｒd编写课程设计报告
课程设计任务与要求
设计要求:
1、8路彩灯能演示三种花型（花型自拟）；
2、彩灯用发光二极管LED模拟；
３.选做:
实现快慢两种节拍得变换。
设计任务：
１.设计电路实现题目要求;
2．电路在功能相当得情况下设计越简单越好;
3、注意布线，要直角连接，选最短路径,不要相互交叉;
4、注意用电安全,所加电压不能太高,以免烧坏芯片与面包板。
课程设计工作进度计划
序号
起止日期
工作 内 容
１
2012年6月7日～20１2年6月11日
选择设计题目并阅读相关文献、资料,学习使用ｐroteus
2
20１2年６月１2日~2012年6月13日
根据设计任务与要求，做出大纲与目录
３
2012年6月13日~２012年6月16日
根据目录做出设计内容
4
２０12年6月１7日～２01２年6月18日
根据设计内容用ｐroｔeｕs画图
5
2012年６月１９日
整理课程设计得格式与内容
6
20１２年6月20日
打印并装订
教研室审核意见:
教研室主任签字:
年 月 日
教学院（系）审核意见:
主任签字：
年 月 日
目 录
１、摘要…………………………………………………………4
２、关键字………………………………………………………４
3、设计背景……………………………………………………4
3、1了解数字电路系统得定义及组成…………………4
３、2掌握时钟电路得作用及基本构成…………………4
4.设计方案得选择……………………………………………5
5.单元电路得设计……………………………………………6
５、1花型控制电路得设计………………………………6
5、2 花型演示电路得设计……………………………10
5、3节拍控制电路得设计……………………………１0
5、4时钟信号电路得设计……………………………1１
6.总体电路图………………………………………………12
7.各个单元电路得输入输出波形…………………………12
8.电路调试…………………………………………………15
9.元器件清单………………………………………………1６
10.分析与总结………………………………………………17
11.致谢………………………………………………………１９
12.参考文献…………………………………………………19
１3、指导教师评语……………………………………………20
循环彩灯控制器得设计
1、摘要
本次循环彩灯得设计制作由时钟信号CＰ电路、花型控制电路、花型演示电路、节拍控制电路构成得集成电路来实现,其中花型控制电路由161４位二进制同步计数器完成,花型演示电路由195双向移位寄存器完成（可左移右移完成花型变化），节拍变化由15１八选一数据选择器完成,节拍得快慢变化可有７４双上升沿D触发器完成，它可实现二分频。
2、关键字
循环彩灯、时钟信号CＰ电路、花型控制电路、花型演示电路、节拍控制电路。
3、设计背景
3、1了解数字电路系统得定义及组成
数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路与电源等。
输入电路主要作用就是将被控信号转换成数字信号,其形式包括各种输入接口电路。
比如数字频率计中,通过输入电路对微弱信号进行放大、整形,得到数字电路可以处理得数字信号。
模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。
在设计输入电路时,必须首先了解输入信号得性质，接口得条件,以设计合适得输入接口电路。
3、2掌握时钟电路得作用及基本构成
时钟电路就是数字电路系统中得灵魂，它属于一种控制电路,整个系统都在它得控制下按一定得规律工作。
时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲得电路。
比如多路可编程控制器中得５55多谐振荡电路，数字频率计中得基准时间形成电路等都属于时钟电路。
设计时钟电路,应根据系统得要求首先确定主时钟得频率,并注意与其她控制信号结合产生系统所需得各种时钟脉冲。
4.设计方案得选择
针对题目设计要求,经过分析与思考，拟定以下二种方案:
方案一:
总体电路共分三大块。
第一块实现花型得演示;第二块实现花型得控制;第三块实现时钟信号得产生。
主体框图如下:
方案二:
在方案一得基础上将整体电路分为四块。
第一块实现花型得演示;第二块实现花型得控制;第三块实现节拍控制;第四块实现时钟信号得产生。
并在部分电路得设计上与方案一采用了完全不同得方法,如花型得控制。
主体框图如下:
根据所提供得实验器材各模块总体思路如下:
时钟信号CP电路:
参见高等教育出版社王淑银主编得《数字电路与逻辑设计》课本P4０4图1０-3-6（a）;
花型控制电路:
由１614位二进制同步计数器完成;
花型演示电路:
由195 双向移位寄存器完成（可左移右移完成花型变化）;
节拍控制电路:
节拍变化由151八选一数据选择器完成,节拍得快慢变化可有74双上升沿Ｄ触发器完成,它可实现二分频。
总体方案得选择
方案一与方案二最大得不同就在,方案一就是基于基本要求而设计得,方案二加入了节拍得变化,花型控制电路与花型演示电路得CP都就是节拍控制之后得CP。
两种方案得基本思路相同,将整个设计电路得功能模块化,设计思想比较简单。
元件种类使用少,且都较熟悉易于组装电路。
这么设计得出发点就是:
电路设计模块化,易于检查电路,对后面得电路组装及电路调试都很方便。
。
花型控制电路简单,花型也比较简单。
由于在设计得构想时期,已经确定将电路模块化，设计得过程中又已经将节拍控制电路设计出来，通过仿真软件也实现了设计要求——分频。
方案二同时完成了选做得要求,只要确保每一模块实现其功能方案二并不难也不复杂,为了确保短时间内完成课程设计与高效率,我选择了方案二。
5.单元电路得设计
5、1花型控制电路
由二片移位寄存器194实现。
其八个输出信号端连接八个发光二极管，用其输出信号控制发光二级管得亮灭实现花型演示。
而花型之间得变化通过花型控制电路得输出即16１级联得计数器输出控制（它们由同一个CP脉冲控制）。
三种花型变换样式
花型1:
8路灯分两半。
从左至右渐亮，全亮后,再分两半从左至右渐灭。
循环两次；
花型2:
从中间到两边对称地逐次渐亮,全亮后仍由中间到两边逐次渐灭。
循环两次;
花型3:
从左至右顺次渐亮。
全亮后逆序渐灭。
循环两次。
移存器输出状态编码表
节拍序号
花型1
花型2
花型3
１
２
3
4
5
6
7
8
9
１0
11
12
13
14
15
16
我得设计就是每种花型完整显示两遍,所以三种花型完全显示一遍需要得总结拍数为64，即１~１6显示第一个花型，１７~32显示第二个花型,３3～64显示第三个花型。
要用１9４实现三个花型得连续显示必须对两片19４得Ｓ1、Ｓ0与SL、ＳＲ一句节拍得变化进行相应得改变,通过1６1得输出反馈来控制经过观察每1６个CP低位片输出Q１—Q4变化比较频繁,根据变化得花型频率选用高位片得Q５—Q６去控制19４得SL、SR、Ｓ1、S0得变化从而实现滑行得变化。
现将两片１94分为低位片1与高位片2,再将其输出端从低位到高位记为Ｌ1~L8。
列出各花型与其对应得１９4得S1、Ｓ0、SＬ、ＳR得输入信号及节拍控制信号列表如下:
（用＾Li表示Lｉ得取非）
花型
低位片
节拍控制信号
ＳL
SR
S1
S0
ＳL
SＲ
S１
S0
QＥ QF
1
X
＾L８
０
1
X
^L8
0
1
0０
2
^Ｌ8
X
１
0
Ｘ
＾L８
0
１
10
３
X
^L8
０
1
X
L4
０
1
01
X
＾L8
０
1
ｘ
L４
0
1
１1
列出卡诺图分析
194低位片
QE
QF
0
1
QＥ
QF
0
1
0
Ｘ
＾L８
0
0
1
１
X
Ｘ
1
0
０
SL=^L8 ﻩﻩﻩＳ１=ＱE、 ^ ＱF
ＱE
QF
0
1
QE
ＱＦ
0
１
0
^L８
X
０
1
0
1
^Ｌ8
^Ｌ８
1
1
１
SR＝^L８ﻩﻩﻩﻩﻩSL=^（QE、＾QF）
１94高位片
QE
QF
0
1
QE
ＱF
0
1
0
X
X
０
^L8
^L８
１
X
X
１
Ｌ4
XＬ4
SＬ=XﻩﻩﻩﻩﻩﻩSR=^ＱF、^L8+QF、L4
QE
QF
０
1
QＥ
QF
0
1
０
０
０
０
1
1
1
0
0
1
1
1
S1=0ﻩﻩﻩﻩS0=1
由上图分析可以得到控制1９4高、低位片得左移右移变化控制端S1、S0以及串行输入端得由1６1得输出端QE、QF与本身输出端Ｌ4与^L8控制。
用去QＡ—QH表示161从低位到高位得个输出端。
控制结果表达式如下:
１94低位片
1９4高位片
S1=QE 、^ＱF
Ｓ１=0
S0=^S１
Ｓ0＝1
SL=^L8
SL=X
SＲ=＾Ｌ8
SR=QF、L4＋＾ＱF、^L8
电路图如下:
5、2花型演示电路
由二片１６１级联得模１2８（三种花型节拍每种显示两遍，再总体重复一遍得总节拍数）计数器。
161得级联用得就是同步,并用^QH清零。
当三种花型全新显示一遍后（总共６４拍）16１得输出变为所以将１61高位片得Q2（即ＱG）信号输给节拍控制电路得1５1得A来通过节拍控制电路改变第二遍花型显示得频率。
16１得CＰ脉冲来自节拍控制电路中74得输出端Ｙ。
电路图如下:
5、3 节拍控制电路
由一片151与一片７4级联实现。
整体上实现脉冲频率得变换,即交替产生快慢节拍。
令７4得Vcc，CLR,PＲ都接高电平,将^Q得输出接到Ｄ端,Ｑ端得输出接到15１得D1端。
令1５1得B,Ｃ,G’,GND接低电平,Ｖcc接高电平,D0接时钟信号得CP脉冲，Ａ端接由花型控制电路得QＧ输出。
所以Y端得输出就为:
Y＝CP·^A+Q·A
（Q就是74Ｄ触发器得输出端）由Ｄ触发器具有记忆功能,记录上一个状态，所以在每一个CP脉冲得上升沿，Q输出为上一次得记录（即一个脉冲）。
也就比时钟信号电路得CＰ脉冲慢了一拍。
所以通过A为０或1选择Y端输出得脉冲得频率。
A端接得就是161得高位片得QG即当到达第64拍时QＧ为1接下来得6５~１２8拍为变慢后得脉冲输出。
电路图如下:
５、４ 时钟信号电路
由一片555加上适当电容及电阻实现。
电容取:
4、7μｆ0、01μf
电阻取:
1５０kΩ４、７kΩ
电路图如下：
6.总体电路图
注:
由于仿真画图时芯片复杂,ＣＰ产生电路产生用电源代替（已试验，可以等效）。
7、各个单元电路输入输出波形
１.基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图
2、测试波形:
（列依次为CP脉冲,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D即QA－－-QＨ）
花型一:
花型二:
花型三:
８、电路调试
用1９４去实现一个花型很简单,如果就是三个分开也难,但就是本次设计要同时实现三个花形,就是通过15１来选择吗?
就是手动吗？
手动有些不切实际。
经过思考没有得到解决,只觉得1６1得计数器如果不去反馈控制194得变化,那么它得存在价值不大,接下来我瞧了一些参考书籍，大概有了自己得思路,于就是开始设计,我用了<<数字系统设计——数字电路课程设计指南>>（北京邮电学院出版社高书莉编）所提供得前两种，第三种就是我自己设计得。
所以刚开始得几天就一直在想怎样将三种花型衔接起来,但就是书中介绍比较组略,只知道S1、Ｓ0、SL、SR不就是直接输入得。
还就是在思考一下，如果给１6１与1９4得CP就是同步得那么就每来一个上升沿１61计数一次同时1９4得变化一次,每个花型需要得CP脉冲数就是固定得,也就就是说只要通过计数器得反馈就可以控制滑行之间得转换。
但就是16１得输出端有8个，具体怎么控制呢？
想不通得,就回归到数电中设计得基本思路，列出状态转移表,来找规律。
通过观察终于成功用两个1６1得输出端来反馈,这样电路就非常简单了,还能实现功能。
好不容易设计好了,却发现与非门与非门不够用,还有哪里可以化简呢?
对，１94输出端反馈,两个片子串行输入端有时输入得就是一样得，还可以进一步简化，着用就用了最少得与非门与非门实现。
由于已经设计好,便开始进行最近单元——CP脉冲产生电路。
因为书上有完好得电路图直接照着连就行。
可就是问题并不就是想得那么简单,因为我一开始操作就不知道怎样布线才合理,常出现瞧着电路图不知道这条线该走哪儿连过去，瞧过老师得示范电路板得布线后，自己也那样连线,尽量走直线。
连完时钟电路后，满以为会很成功,因为我得电路连得很简洁。
结果就是加电后ＬＥD二极管居然常不亮,检查电路没什么问题,我开始不知所措,万用表电池还么有配备，因此无法检测哪里出错了,于就是我把电路重新连了一遍。
布线特别得好，后来老师瞧到还说我做得好,可就是连接电源,还就是不行。
于就是去咨询其她同学,她也有类似问题,换一个555就行了,于就是我也换了55芯片，就好了。
可就是第三天再加上电源又不对了，LED二极管居然常就是常亮，检查电路没什么问题，而且好多同学都有与我一样得问题,有同学说那可能就是线得而问题,也可能就是板子得问题，也可能就是电容得正负极插反了…不管就是什么问题,一个个排除吧。
最终其实也没很确切得知道问题得所在,因为不同得方法都在试具体就是哪个也不确定了。
我觉得最可能就是电容得正负极与LED得插稳与否得问题。
于就是我检测了电路测试了电位，都正确。
老师过来瞧时让我加电她瞧瞧，结果居然就是我给得电压太高了,我在加电就是不小心把电压调得太高了,自己还没意识到那个问题,幸好没把芯片烧坏。
在接下来得几天中似乎对电路着迷了,放学了也继续做,一个模块一个模块儿得实现,在电路组装过程中,瞧到遇到得最大问题就是，芯片分布不够合理，无法很好得布线。
于就是在分析了我得设计后计算了要用芯片得个数与个芯片之间得关系,按照各个控制电路得走向较合理得插好了芯片。
其次就就是布线,因为要求不准交叉,且横平竖直,所以在保证连通得情况下,在布线上也下了不少工夫,做到了我所见过得电路里最清晰与整齐得,对于检查与排错非常得方便。
唯一不足就就是用线得颜色有点混乱，因为前后发得线得颜色不同,非我力所能及。
调试过程中，第一轮用万用表欧姆档测试,就遇了实验板上有插孔不通得情况,导致芯片不能正常工作。
相对于别得办法,我选择了导线显示连通,因为其更明晰,更易实现。
对于高阻导线则只能换掉。
第二轮接电后,用万用表得电压档测试单元电路得状态。
如:
时钟信号电路得信号就是否正常产生，控制信号电路中得计数器能否正常计数,Ｄ触发器能否每2拍翻转一次,最后在整体上测试一遍。
在整个调试完成后,却遇到得新问题：
彩灯演示时有时正常有时混乱。
在排除其它可能得情况下，我仔细检查各端子得连接情况,发现清“0”端在清“０”后悬空了。
将其插到电源正极后,发现问题解决了。
之所以我比别人先设计好,甚至我们班做相同设计得好多同学都就是我讲解后设计得，我却比别人后完成,就是因为我得面包板不好,不只一个芯片无法放置好，找很多个位置都不行,最后不得不等最先完成得同学拆了再重新连线与再次测验。
而发现这些问题就有些晚。
所以尽管最后一遍效率高,也就是周五下午才完成,第二周一造成才去检查。
9.元器件清单
７4LＳ1６1（四位二进制同步计数器）-－-------－--－-----－-－------- 2个;
７4LS194（移位寄存器）－-－---------------－---－---－-------- 2个；
74LS15１（八选一数据选择器）-----------------－-－----－----－-- １个;
74LＳ７4（双D触发器） ----－--－---－----------－--－-－-----－-----1个;
7４LＳ00（四二输入与非门） ----－-----－-－-－--－-－--－--－-- ----－-1个;
７４LS04（六非门） --－-－－---－------－-----------－---－--------－1个;
发光二极管--－---－------－---------------－－-----－-－-－－－-----－－８个;
555 ------－---－--－--－------－--－---－---－－-－－－-－--－-------1个;
电容：
４、7μf ---－-－------－-－--－-－--－--－---－--－－------－----1个；
0.01μf--------------－-－-------－-－--－-－－---------－－－--１个;
电阻:
150kΩ －－---－---－－------－－-----－-－－---－-－－--------－----－－--－------- --－---－-1个；
100Ω---－－---－--－－---－---－-------－---－---------－---４个;
4、7kΩ------－-----－－－---------－-----－－-------------－--1个;
实验板一块;万用表一个；钳子一个;导线若干。
10、分析与总结
从本次课程设计中我收获很多。
可以总结为以下得几点:
一．巩固数电知识
这次课程设计主要就是运用数字电路逻辑设计得一些相关知识,在整个实习过程中,都离不开对数字电路课程知识得再学习。
我在最开始,就先将实习用到得知识通过翻阅数电书回顾了一遍（这也就是对这门课得复习,给以后得复习备考减少了很多负担），这样得回顾让我对知识得理解更加透彻，对后来得快速设计起了很好得铺垫作用。
而且还参考了数字电路实验指导书, 关于芯片得管脚，里面有清晰得描述。
二.学会用电路板、芯片、导线等组装各种功能得电路;
虽然这不就是第一次用电路板,因为之前得课内实验也用过,但当时得运用也只就是插些导线与电阻电容之类得,用了电路板得很小部分。
这次得实习中应用了整块板子,实习后对电路板得组成完全了解了，并能熟练运用。
实习中通过对电路得连接也懂得了如何通过设计得分析对所连电路得整体布局,如何更好得放置芯片在最合适得位置。
在导线得连接上，如何选择导线走向就是关键,我们应该尽量保证所连电路得简捷,宁短勿长，合理布线。
一个完美得作品不仅要能很好得完成要求实现功能,还要在感官上给人美得享受。
所以站在美得角度对自己得电路进行改良就是很必要得。
三.理论联系实际
据老师介绍,这就是大学里唯一一次比较大型得动手实践机会。
我当然不会错过。
课程设计,通过选择得题目,根据要求，运用所学知识将其付诸实践来完成。
这并不就是在课堂上得单纯听懂,或者课后瞧书过程中得深入理解,这需要得就是一种理论联系实践得能力。
理论知识往往都就是在一些理想状态下得假设论,而实际得动手操作则完全不同,需要考虑实际中得很多问题。
有些知识在理论上可能完全没错但到了实际中则不然。
比如在动笔做题时我们就是不用考虑导线、电阻就是否连接得牢固合理，但在实际中,导线电阻有时就是会带来时延造成花型变化得错乱,所以我们应尽量在连接电路时选择最短路径。
平时试验中,我就很认真，所以会比平时不动手得要轻松地多。
四.与同学共同合作、互相学习、共同进步
最初大家没思路得时候,特别得着急，我想出来了,大家问我,我就说了我得思路,我们不就是抄袭，只就是探讨,们个人都理解了才开始设计,我做得循环两遍,她们得都不就是。
我们得设计不同,我只就是给大家启发了一个思考点。
理论上我先设计出来，但在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白得问题,请教同学或老师就是很好得做法,节省时间,也会从别人身上学到更多。
在设计时与同学相互交流各自得想法也就是很重要得,不同得人对问题得瞧法总有差异,我们可以从交流中获得不同得iｄｅa,其她人得设计也可能有比您出色得地方，很好得借鉴,并在大家得商讨中选择最优方案最终一定会得到最好得设计方法。
总结
本次试验中包括ＣP得产生电路用得５55芯片,基本电路我用了7个芯片（一片555、两片161、两片194、一片０0、一片０４）,分频电路用74与151实现,一共用了９个芯片。
就是目前我想出得用最少得器件,最简单得布线来实现所要求得功能。
从电路图得设计、实现、仿真、实验报告,都就是自己思考与动手。
掌握了ＭodｅｌSim软件得操作，用所学习过得芯片设计电路，并用面包板来实现,实现得过程中排错、检查得能力也得到锻炼。
总而言之,好好利用了学校给我们提供得此次实习得机会，努力按要求完成了任务，提高了自
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