彩灯控制实验改版 文档.docx
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彩灯控制实验改版文档
第1部分：
系统整体方案设计与比较
实验目的：
提出几种总体设计方案，比较其优缺点。
实验内容：
要求设计多位循环彩灯，可以循环左移，循环右移，并可实现全亮和全灭。
经过分析问题及初步的整体思考，拟定二种方案。
实验原理、方法与步骤：
方案一：
总体电路共分三大块。
第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制及节拍控制；第三块实现时钟信号的产生。
主体框图如下：
演示电路
控制节拍控制电路
时钟信号电路
方案二：
在方案一的基础上将整体电路分为四块。
第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现节拍控制；第四块实现时钟信号的产生。
并在部分电路的设计上与方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。
花型演示电路
主体框图如下：
控制电路
节拍控制电路
时钟信号电路
实验结论：
方案一与方案二最大的不同就在，前者将花型控制与节拍控制两种功能融合在一起，是考虑到只要计数器就可以实现其全部功能的原因，且原理相对简单。
如此设计，其优点在于：
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。
缺点则是：
中间单元电路连线过于繁多，容易出错。
且可能出现线与线关系。
要避免这些，则势必造成门电路使用过多。
导致电路不稳定，抗干扰能力下降。
而后者则将以上两种功能分开设计，各单元电路只实现一种功能。
其优点在于：
电路设计模块化，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试带来方便。
缺点则是：
节拍控制电路采用可编辑逻辑电路，原理相对复杂，不易理解。
花型控制电路简单，花型也比较简单。
基于以上原因，加上为了成功的实现课程设计，我选择了连线少，易于组装和调试的方案二。
第2部分：
原理图绘制及仿真软件训练
实验目的：
熟悉PROTEL软件的使用，并掌握绘制原理图的诀窍。
了解两种软件的作用及使用方法（proteus,systemview）
实验内容：
彩灯循环电路应包括以下几部分：
CP脉冲产生电路，彩灯循环控制电路，彩灯花形演示电路。
具体结构如图所示：
图1-1彩灯循环电路的结构框图
脉冲电路产生脉冲送达循环电路的输入端，控制电路的计数器或者移位寄存器开始工作，最后，将产生的高低电平输入到发光二极管，驱动彩灯开始工作。
实验原理、方法与步骤：
电路图的绘制：
1、将所需元器件加入到对象选择器窗口。
PickingComponentsintotheSchematic
单击对象选择器按钮
，如图所示。
在弹出“PickDevices”页面中，使用搜索引擎，在“Keywords”栏中分别输入“74LS373”、“80C51.BUS”和“MEMORY_13_8”，在搜索结果“Results”栏中找到该对象，并将其添加至对象选择器窗口，如图所示。
2、放置元器件至图形编辑窗口。
将“74LS373”、“80C51.BUS”和“MEMORY_13_8”，放置到图形编辑窗口，如图所示。
3、放置总线至图形编辑窗口
单击绘图工具栏中的总线按钮
，使之处于选中状态。
将鼠标置于图形编辑窗口，绘制出如图所示的总线。
在绘制总线的过程中，应注意：
①当鼠标的指针靠近对象的连接点时，鼠标的指针会出现一个“×”号，表明总线可以接至该点；②在绘制多段连续总线时，只需要在拐点处单击鼠标左键，其它步骤与绘制一段总线相同。
4、添加时钟信号发生器和接地引脚
单击绘图工具栏中的信号发生器按钮
，在对象选择器窗口，选中对象DCLOCK，如图所示。
将其放置到图形编辑窗口。
单击绘图工具栏中的Inter-sheetTerminal按钮
，在对象选择器窗口，选中对象GROUND，如图所示。
将其放置到图形编辑窗口。
5、元器件之间的连线WiringUpComponentsontheSchematic
在图形编辑窗口，完成各对象的连线，如图所示。
此过程中注意两点：
①当时钟信号发生器与单片机的XTAL2引脚完成连线后，系统自动将信号发生器名改为U1（XTAL2），取代以前使用的“?
”；②当线路出现交叉点时，若出现实心小黑园点，表明导线接通，否则表明导线无接通关系。
当然，我们可以通过绘图工具栏中的连接点按钮
，完成两交叉线的接通。
实验结论：
使用快捷键“PageDown”，将图幅切换到“Rootsheet1”。
单击仿真运行开始按钮
，我们能清楚地观察到：
①引脚的电频变化。
红色代表高电频，蓝色代表低电频，灰色代表未接入信号，或者为三态。
②电压探针的值在周期性的变化。
单击仿真运行结束按钮
，仿真结束。
使用快捷键“PageDown”，将图幅切换到“Rootsheet2”。
单击仿真运行开始按钮
，我们能清楚地观察到，虚仪拟逻辑分析A1、A2、A3、A4端代表高低电频红蓝色交替闪烁，通常会同时弹出虚拟逻辑分析仪示波器，如图所示。
如未弹出虚拟逻辑分析仪示波器，可单击仿真结束按钮
，结束仿真。
单击“Debug”菜单，选中并执行下拉菜单“ResetPopupWindows”，如图所示。
在弹出的对话框中，选择“Yes”执行。
再单击仿真运行开始按钮
，便会弹出虚拟逻辑分析仪示波器。
单击逻辑分析仪的启动键
，在逻辑分析仪上出现如图所示的波形图，这就是读写存储器的时序图。
第3部分系统的软件及硬件电路设计
实验目的：
设计本实验系统彩灯控制装置的各单元电路，使其系统各单元元件顺利的运行控制。
这是实验系统控制装置的很重要的一个过程。
实验内容：
电路设计主要包括LED显示控制系统电路原理设计思路含原理及PCB图、LED显示屏单元电路原理设计方法含原理及PCB图；
实验步骤、方法与原理：
一、软件设计：
在这次课程设计中我用到了ProteusISIS和keilc51这两个软件，下面简单的介绍下。
ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：
①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
②支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
③提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。
④具有强大的原理图绘制功能。
总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。
本章介绍ProteusISIS软件的工作环境和一些基本操作。
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
二、硬件设计：
电路图如下：
实验结论：
通过对本课件的制作，清楚地看到了自己的知识薄弱的方面，各个知识点没有联会贯穿，有些芯片的掌握不够牢固。
本次实验极大的加深了我对于时序电路，组合逻辑电路，以及逻辑门电路的掌握，巩固了电路，模拟和数字电子技术知识，水平得到提升。
此次实验由我们6人合作完成，在这个过程中我充分体会到了团队合作的重要性。
此次课程设计极大的锻炼了我的动手能力，巩固了平时所学的知识。
第4部分电路仿真及修改
实验目的：
根据本实验系统中的电路原理图，通过PROTUEL仿真过程得出电路仿真结果。
对电路进行验证和修改。
实验内容:
指出具体仿真方法，仿真过程及仿真结果，介绍电路的仿真
实验步骤、方法与原理：
ProteusISIS链接Proteus在设计的时候已经注意到与各种单片机编译程序的整合，如它可与Keil、Matlab等软件结合使用。
Keil是目前比较优秀的51单片机的汇编和C语言的开发工具，具备功能强大的软件仿真和硬件仿真功能，把这两个软件结合起来使用，调试软硬件非常方便，具体步骤如下：
（一）把Proteus中的VDM51.DLL复制到Keil安装目录下的BN子目录里。
（二）把Proteus中的TOOLSNI复制到Keil安装目录下。
（三）打开uVision，单击“Project菜单/OptionsforTarget”选项或者点击工具栏的“OptionsforTarget”按钮，弹出窗口，点击“Debug”按钮，在下拉菜单里选中“ProteusDebug”。
（四）单击Setting按钮，弹出对话框，如果Keil和Proteus在同一台计算机上，不要改动设置，直接单击OK按钮。
（五）进入Keil开发集成环境，创建一个新项目，并为该项目选定合适的单片机CPU器件。
（六）进入Proteus的ISIS,单击菜单“Debug”,选中“useremotedebugmonitor”,至此完成ProteusISIS与Keil链接。
Proteus软件所提供的调试手段有单片机硬件电路和软件的调试，Proteus提供了两种方法：
一是系统总体执行效果；一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。
对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug菜单下的execute菜单项或FI2快捷键启动执行；用debug菜单下的pauseanimation菜单项或pause键暂停系统的运行；或用debug菜单下的stopanimation菜单项或shift-break组合键停止系统的运行。
其运行方式也可选择工具栏中的相应工具进行。
对于软件的分布调试，应先执行debug菜单下的start/stopdebugsession菜单项命令，然后可以选择stepover、stepinto和stepout命令执行程序（可以用快捷键F10、F11和ctrl+F11）,执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行。
单片机开发系统的仿真与调试可以在Keil和ProteusISIS中同时进行，这个基础实验仿真系统可以直观地看到程序运行结果，效果非常好。
实验结论与结果：
以上所能实现的实验可以看出，将仿真软件Proteus纳入到教学体系中，既可以充分利用学校计算机房的现有设备，减少了实验设备的硬件维护工作量，实验环境又与实际工作非常接近，拉近学习与就业的距离；有实现了形象化教学，为单片机的软硬件结合虚拟仿真提出了一个新的思路。
仿真图如下：
第5部分PCB图绘制及制版
实验目的：
学习使用电子设计工具，绘制电路原理图和印制电路板图。
通过该课程的训练后，提高了基本硬件设计技能，基本具备电路原理图设计和印制电路板图设计能力，达到了培养工程素质的目的。
实验内容：
绘制PCB图,并指出制版的过程及工艺要求.关于对电路原理图编辑环境设置；电路原理图绘制技术；电路原理图后期处理；电路板PCB图编辑环境设置；电路PCB图绘制技术；PCB图的后期处理。
实验步骤：
设计印刷电路板初始考虑：
Y
N
Y
N
设计电路原理图、PCB版图如下：
实验结论：
在电子系统的所有部件中，除了声名显赫的集成电路，可以说没有比印制电路板更重要的了。
印制板的质量直接影响到电子设备的可靠性。
印制板上的一个金属化孔出现故障或一根导线出现短路或断路，就会使整个设备发生故障，使系统失效，甚至使导弹、卫星发射失败。
第6部分系统的安装调试与故障排除
实验目的：
为了保证彩灯控制电路能够稳定、可靠地长期工作，我们需要对实验系统装置进行。
实验内容：
1指出具体的元件安装过程,安装与调试方法。
2指出调试中怎样排除故障,也可写电路仿真中怎样排除故障。
3对所设计的系统进行功能及参数测试,指出具有哪些功能,技术
数怎样。
实验步骤、方法与原理：
一、电路安装
首先，应绘制系统总体电路图：
（1）布局合理、排列均匀、图画清晰、便于看图，利于对图的理解和阅读。
（2）注意信号的流程。
（3）图形符号要标准，图中应加适当的标注。
（4）连接线应为直线，并且交叉和折弯应最少。
然后，电子电路设计好后，便可进行安装。
课程设计的安装，通常应采用焊接和在面包板上插接两种方法。
焊接组装可提高焊接技术，但元器件可重复利用率低。
在面包板上组装，元器件便于插接，且电路便于调试，并可提高元器件可重复利用率。
本次课程设计选择的方式是后者，即利用面包板组装。
归纳总结组装方法如下；
（1）集成电路的组装插接集成电路时，首先应认清方向，不要倒插，所以集成电路的插入方向要保持一致，注意引脚不要弯曲。
（2）元器件的位置根据电路图的各部分功能确定元器件在面包板上的位置，并按信号的流程将元器件顺序地连接，以方便调试，互相用影响或产生干扰的元器件应尽可能分开或评屏蔽。
基于以上原则，本次课程设计的布局比较合理，电路比较整齐。
看上去也比较美观。
要求的技术指标也完全实现了。
二、电路调试
任何一个电子电路，甚至是已被他人实验证明是成功可行的电子电路，按照设计的电路原理图，并不能立即投入运行。
因为在设计时，对各种客观的因素难以预测，加之元器件参数和不同程度的误差，所以必须通过安装后的调试，发现和纠正设计方案的不足之处，采用措施加以弥补，以使电路达到预期的技术指标。
所以，电子电路的调试是保证电路正常工作和性能优良的关键之一。
三、注意事项
在通电调试之前，一定要认真检查焊接的电路是否有错焊、漏焊、虚焊等。
用万用表欧姆挡，测量芯片各引脚和各个元器件之间的连接是否正常，测量各个元器件之间的连接是否正常。
用电压表把各个芯片所用的电压调到规定的数值。
检查各个芯片的接地是否连接牢固。
检查无误，经指导老师同意后，方可通电调试。
四、通电检查及调试步骤
先设计好电路板，然后按照电路图把元器件仔细插好，认真检查各元器件连接是否牢固。
注意先不接可控硅，彩灯和限流电阻。
认真检查一下各元器件连接是否正确，要注意各集成组件引脚，线有没有搭错，二极管和三极管管脚要接对，各集成组件的电源端和接地端要接好。
然后分为以下几步进行检查和调试：
（1）接通电源，首先检查整流滤波电路和集成稳压器输出的直流电压（分别为9V和5V）是否正常，然后检查各部分电路是否均接入直流电压。
如果发现输出的直流电压不正常需对选定参数进行修改，直到满足要求为止。
直流电压确定接入后即可进行下一步的调试。
（2）检查移位寄存器输出电路用万用表测量移位寄存器的五个输出端，看是否有脉冲信号产生。
若有则说明之前各部分电路工作均已正常，否则需检查振荡电路是否有脉冲信号输出。
（3）检查振荡电路是否起振用万用表的电压档测量振荡电路的输出端是否有脉冲产生，若有则说明振荡电路已工作正常，否则需检查此部分电路是否有短路或断路的地方，检查产生脉冲信号的外围电路是否接好，完全正确后再进行测量。
若振荡电路工作正常，则可能是计数/时序分配电路或是双向模拟开关电路有问题，检查这两组件是否完好，若两组件均没有问题，则说明外围电路搭接有问题，需认真检查。
（4）带载实验上电检查各部分都能正常工作后，即可将可控硅插入电路板中了。
限流电阻和各彩灯也应接入电路中了，电路应正常工作，彩灯依次点亮再依次熄灭，并自动循环。
如果某路彩灯不亮，可能是对应的可控硅引脚未接正确，或者是该路彩灯某处接触不良，也可能是该路的可控硅元件有损坏。
一般来讲，经过前面各步骤验查，发光二极管发光时，可控硅输出部分不会有大的问题。
（5）灯光移动速度调试灯光移动速度取决于振荡电路的振荡频率，改变电位器R3阻值大小，相应的即可改变振荡频率。
把R3阻值调至最大，这时移动的速度最慢，再把R3阻值调至最小，这时的移动速度最快。
逐渐改变R3的阻值，移动速度将相应的变快或变慢。
如果各彩灯同时点亮，则说明振荡频率设计得过高，这时就要改动振荡电路的定时元件，可通过替换电阻或电容来实现。
五、电路调试中的故障现象及排除方法
（1）、故障现象是不希望出现但又不可避免的电路异常工作状况。
分析、寻找、排除故障是每一个电子技术人员必须掌握的实际技能。
（2）、故障现象及排除方法:
1电路没有输入信号，但有输出信号引起此故障的原因是由电器中元器件本身，如电阻、电感、电容、晶体管及集成器件等特性不良或损坏变质，电容、变压器绝缘击穿，元器件安装不当等，判断和排除比较容易，只要找出损坏的元器件并进行更换，电路即可正常工作。
本电路是电容被击穿引起的此故障，排除方法是更换元器件。
2振荡电路不产生振荡经检查发现振荡电路连接正常，则可能有缺焊的现象，仔细排查后，发现是由于在焊接构成振荡电路的外围器件时，不小心将焊盘弄掉，使得其与电路板没有接上，经整理后，重新通电，电路恢复正常工作。
3回路彩灯不循环点亮通上220V的交流电源后，五路彩灯全部点亮。
分析原因有：
双向可控硅全部击穿，故障的排除方法是更换可控硅。
替换后现象还是如此。
最后，在导师的指导下，分析了可控硅的内部结构原理，原因是可控硅的第一阳极与第二阳极接反了，调换可控硅的第一阳极与第二阳极后，电路开始正常工作，实现设计要求。
实验结论：
在这一章，主要介绍了系统组装与调试。
首先，讲述了使用的主要仪器与电路的安装方法，以及在安装过程中，应遵循哪些原则。
其次，说明电路调试中的注意事项，及通电检查和调试步骤。
最后，对调试过程中出现的问题进行分析与解决。
从而使我们能够顺利地完成本次设计。
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