1、課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 題 目: 多花樣自動切換的彩燈控制器設計 初始條件：1 運用所學的模擬電路和數(shù)字電路等知識；2 用到的元件：實驗板、電源、連接導線、74系列芯片、555芯片等。要求完成的主要任務:1 現(xiàn)有8只彩燈，試設計一控制器，要求彩燈能實現(xiàn)如下追逐圖案：2 第1種花樣為彩燈從右到左,然后從左到右逐次點亮,全滅全亮,3 第2種花樣為彩燈兩邊同時亮1個逐次向中間移動再散開;4 2種花樣自動變換,循環(huán)往復。時間間隔為1秒。5 嚴格按照課程設計說明書要求撰寫課程設計說明書。時間安排： 第1天 下達課程設計任務書，根據(jù)任務書查找資料；第24天 進行方案論

2、證，軟件模擬仿真并確定設計方案； 第5天 提交電路圖，經(jīng)審查后領取元器件；第68天 組裝電路并調(diào)試，檢查錯誤并提出問題；第911天 結(jié)果分析整理，撰寫課程設計報告，驗收調(diào)試結(jié)果；第1214天 補充完成課程設計報告和答辯。指導教師簽名： 2012年 6月25日系主任（或責任教師）簽名： 2012年 6月25日21武漢理工大學電工電子綜合課程設計說明書目 錄 1 設計意義及要求11.1 設計意義11.2 設計要求22 方案設計32.1 設計思路32.2 方案設計52.2.1設計方案一電路圖52.2.2設計方案二電路圖 簡單說明62.3 方案比較73 部分電路設計3.1 8155顯示單元93.2 A

3、DC0809轉(zhuǎn)換單元103.3 單片機處理單元113.4 脈沖輸出電路123.5 譯碼及顯示電路154 調(diào)試與檢測（包括遇到的問題和解決辦法，重點方案一調(diào)試） 164.1 調(diào)試中故障及解決辦法（分析產(chǎn)生的原因）（不能拷貝） 174.2 調(diào)試與運行結(jié)果（調(diào)試及仿真過程的敘述） 185 仿真操作步驟及使用說明 19 結(jié)束語20 參考文獻21 附錄 電路圖23本科生課程設計成績評定表 多花樣自動切換的彩燈控制器設計1.設計意義及要求 1.1設計意義對數(shù)字電子技術基礎學習，我們掌握一些關于數(shù)字電子技術的基礎知識和基本技能，具備了在日常生活與學習中應用數(shù)字技術解決問題的基本態(tài)度與基本能力但是對于各種門電

4、路、元器件芯片的結(jié)構(gòu)及其工作原理等知識，我們的理解依然比較膚淺。通過為期兩周的課程設計，可以讓我們對課堂上的知識有更深入的理解，同時做到理論與實際相結(jié)合，增強了我們電子電路的設計能力。此外，課程設計能夠最直接有效的訓練我們的創(chuàng)新思維，提高分析問題、解決問題的能力。1.2設計要求1 現(xiàn)有8只彩燈，試設計一控制器，要求彩燈能實現(xiàn)如下追逐圖案：2 第1種花樣為彩燈從右到左,然后從左到右逐次點亮,全滅全亮,3 第2種花樣為彩燈兩邊同時亮1個逐次向中間移動再散開;4 2種花樣自動變換,循環(huán)往復。時間間隔為1秒。2方案設計 2.1 設計思路 首先需要個脈沖源信號刺激，燈的移位功能可以采取雙向移位寄存器來實

5、現(xiàn)，要完成花樣的轉(zhuǎn)換，則要改變移位寄存器移位寄存器移位信號控制端的狀態(tài)，移位寄存器功能控制端通過外圍計數(shù)器電路的輸出結(jié)合邏輯門電路得到狀態(tài)變換信號，由于控制端的信號需要保持一定的脈沖時間，所以要在移位信號控制端設置狀態(tài)鎖存電路。實現(xiàn)自動切換，即實現(xiàn)左移，右移，置數(shù)，清零循環(huán)。本設計方案的主控制電路為74LS90構(gòu)成的二十四進制的計數(shù)器。功能實現(xiàn)電路采用的是74LS194和74LS198芯片，主要實現(xiàn)移位功能?？傮w方案共分為五部分。第一部分為脈沖產(chǎn)生電路，第二部分為計數(shù)器反饋電路，第三部分為移位寄存器控制信號鎖存電路，第四部分為移位寄存器與LED連接電路，第五部分為反饋清零循環(huán)電路。2.2 方案

6、設計 2.2.1設計方案一和方案二功能框圖計數(shù)器時鐘信號左移循環(huán)右移循環(huán)全滅全亮從左右向中間逐次 對稱點亮 從中間向兩邊散開點亮 方案一電路圖見附錄圖2-1 2.2.2方案一（個人方案）工作原理與功能實現(xiàn) 555定時器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖輸入至計數(shù)器和74LS194移位寄 存器脈沖輸入端。兩片74LS90，構(gòu)成27進制計數(shù)器。一片74LS198的輸出端分別與八個二輸入的或門的一個輸入端連接，八個或門另一個輸入端與74LS194輸出端的連接如電路圖2-2所示。同時，74LS194雙向移位寄存器的八個輸出端與一個八輸入的或非門連接，74LS194的四個輸出端分別與一個四輸入的或非門輸入端連接，二

7、者的輸出反饋輸入到移位寄存器的SR,SL端。由于移位寄存器在上電的初始狀態(tài)為零，所以SR與SL的輸入信號為1，使得移位寄存器的移位輸入信號只有一個1，即使只有一個燈亮。74LS198的控制信號的初始狀態(tài)為S1=0，S0=1，實現(xiàn)左移功能；當27進制計數(shù)器計數(shù)到Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0=00000111時，輸出通過門電路反饋至D觸發(fā)器，通過D觸發(fā)器的輸出改變移位寄存器移位控制信號為S1=1，S0=0，實現(xiàn)右移；當計數(shù)器計數(shù)到一定數(shù)值時，相繼完成清零，置數(shù)和清零，封鎖198的脈沖開啟194的脈沖，完成花樣二，功能完成后通過計數(shù)器反饋清零（所有芯片），實現(xiàn)循環(huán)功能。方案一電路圖見附錄圖2-2

8、2.2.3方案二（小組方案）功能原理及功能實現(xiàn) 方案二與方案一大體相同 ，區(qū)別在于第二花樣的控制電路部分不同,方案二采用兩片譯碼器，它們輸出端的高低位錯位連接到二輸入與門的兩個輸入端，連接電路如附錄電路圖2-2所示。2.3方案比較 方案一與方案二復雜程度差不多，主要是移位寄存器的控制端信號控制電路。但方案二所用的芯片比方案一多，但的實現(xiàn)功能相同。3. 3部分電路設計 方案一部分電路 3. 1脈沖產(chǎn)生電路 圖3-1 555定時器構(gòu)成多諧振蕩電路 555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作

9、，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。555 定時器成本低，性能可靠，通過外接幾個電阻、電容,即可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。555 定時器的外引腳排列圖如圖3-1 所示。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3。555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相

10、輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。 555定時器功能表如表3-1所示。 RD V6 V2 V0（V3） 0 × × 低電平 1<2/3Vcc>1/3Vcc 不變 1>2/3Vcc<1/3Vcc 不定 1<2/3Vcc<1/3Vcc 高電平 1>2

11、/3Vcc>1/3Vcc 低電平 表3-1 555定時器功能表 3.2計數(shù)器產(chǎn)生電路 圖3-2 計數(shù)產(chǎn)生電路 兩片74LS90構(gòu)成24進制計數(shù)器，右邊為低位左邊位高位。脈沖由CKA輸入，脈沖與移位寄存器的脈沖同步。數(shù)值從Q1Q0Q3Q2Q1Q0輸出，清零信號由外圍電路反饋輸入。 74LS90的引腳圖如圖3-3所示，功能表如表3-2所示 圖3-3 74LS90的引腳圖 表3-2 74LS90功能表Reset Inputs復位輸入 輸出 R0(1) R0(2) R9(1) R9(2) QD QC QB QA H H L X L L L L H H X L L L L L X X H H H

12、L  LH X L X L COUNT COUNT COUNT COUNT L X L X L X X L 3.3第一花樣產(chǎn)生電路 圖3-4 移位寄存器輸出端電路 74LS198的移位信號控制端S1,S0與兩個二輸入的或非門的輸出端3,6連接，置數(shù)端全部接高電平1。初始狀態(tài)下，S1=1，S0=0，SR=SL=1，當?shù)谝粋€脈沖到來之后，輸出端完成一個高電平信號的移入，同時移位控制端變?yōu)镾R=SL=0，使得移入信號只有一個1，即使只有一個燈被點亮，輸出實現(xiàn)左移。當移位信號移動到第八個輸出端時，移位控制信號端變?yōu)镾1=1,S0=0。當下一個脈沖到來時，移位信號向右移，燈由左向右依次被點亮，

13、直到移位信號1被移出輸出端，實現(xiàn)全滅功能，同時移位控制端變?yōu)镾R=SL=1下一個脈沖到來時，輸出端被置為Q7Q6Q5Q4QQ3Q2Q1Q0=11111111,使八個燈全部被點亮。當燈點亮完成后，移位寄存器的脈沖輸入被封鎖，74LS198停止移位。74LS198引腳圖如圖3-5，功能表如表3-3。 圖3-5 74LS198引腳圖 輸入動作CLEARS1S0CKHLH右移HHL左移HHH保持HLLxHOLDLxxx清除 表3-3 74LS90功能表 3.4第二花樣產(chǎn)生電路當?shù)谝换庸δ芡瓿蓵r，即處于全滅狀態(tài)，74LS198的脈沖被封鎖，停止移位。同時第二花樣主控制器件74LS194的移位信號控制端

14、S1，S0由S1=0，S0=0變?yōu)镾1=0，S0=1,實現(xiàn)信號左移，即燈由兩邊向中間依次對稱點亮，當中間的兩個燈被點亮的同時，移位信號控制端變?yōu)镾1=1，S=0;當下一個脈沖到來時，移位信號右移，燈由中間向兩邊依次散開點亮。當兩邊的燈被點亮時通過計數(shù)器反饋信號將所有的芯片清零，實現(xiàn)功能循環(huán)。 圖3-6 74LS194移位寄存器輸出電路 為了實現(xiàn)只有一個燈被點亮，將移位寄存器的輸出端反饋接到一個四輸入的或非門的4個輸出端，再將或非門的輸出端接到移位寄存器信號的輸入端，是移位寄存器開始工作的移進的信號為1.在下一個脈沖到來之前，移位寄存器信號的輸入端變?yōu)榱悖韵乱淮我七M的信號為0。 74LS19

15、4的引腳圖如圖3-7所示 3.5顯示部分電路 圖3-7 74LS194引腳圖 圖3-8 LED連接電路 或門的輸入端分別與兩個移位寄存輸出端連接，通過或門對移位寄存器的輸出信號進行選擇。 3.6反饋控制部分電路 通過與門反饋1，形成反饋控制信號，形成上升沿信號觸發(fā)D觸發(fā)器，改變移位寄存器移位信號控制端的信號和清零端的狀態(tài)。使移位寄存器完成移位，置數(shù)，清零等操作。由于移位寄存器的移位控制端信號需要保持一定的脈沖時間，所以用7474雙D 觸發(fā)器的輸出作為移位寄存器移位信號控制端的信號輸入。 圖3-9 74LS198移位信號控制端輸入 圖3-10 74LS194移位信號控制端輸入計數(shù)器反饋清零移位寄

16、存器D觸發(fā)器反饋清零計數(shù)器輸出端信號 圖3-11 反饋清零電路3.7方案二部分電路方案二部分電路與方案一大體相同，主要區(qū)別在于第二花樣主控制電路不同，主控制器件為3-8線譯碼器74LS138，如圖3-12所示。 圖 3-12 譯碼器控制第二花樣電路第二花樣的功能通過兩個3-8線譯碼器實現(xiàn)，由于3-8線譯碼器輸出低電平有效，所以它們高低位錯位連接到二輸入與門的兩個輸入端，然后在對應連接到八個或門的一個輸入端。兩個譯碼器的輸入信號由74LS190-U19構(gòu)成的八進制計數(shù)器輸出端給出，由于要先完成第一花樣功能，所以在第一花樣未完成之前要封鎖該八進制計數(shù)器的脈沖。通過二十七進制計數(shù)器的輸出反饋信號產(chǎn)生

17、上升沿觸發(fā)D觸發(fā)器，解除脈沖的封鎖，八進制計數(shù)器開始計數(shù)，同時兩個譯碼器開始同時工作，由于高低錯位連接，所以燈被從兩邊向中間點亮，然后散開。最后被清零，完成循環(huán)。 74LS138譯碼器引腳圖，如圖3-13所示。 圖3-13 74LS138引腳圖 74LS138譯碼器功能表如表3-4所示。 表 3-4 74LS138功能表 4調(diào)試與檢測 4.1調(diào)試中故障及解決辦法 方案一的電路按照功能一步步連接，每完成一項功能調(diào)試仿真一下，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)在左移的過程燈還未亮到第八個燈時，燈就開始轉(zhuǎn)向點亮即移位信號開始右移，通過仔細分析發(fā)現(xiàn)反饋信號提前一個脈沖到來。通過讓反饋信號在下一個計數(shù)狀態(tài)反饋即可解決。當

18、反饋信號到來時改變了移位寄存器移位信號控制端的狀態(tài)，但是通過仿真發(fā)現(xiàn)燈的移位方向只改變了一下，然后又變回原來的移動方向。通過分析電路發(fā)現(xiàn)是由于控制端的信號只保持了一個脈沖，即與門的反饋信號只保持一個脈沖。但移位信號控制端的狀態(tài)需要保持把個脈從，因此通過雙D觸發(fā)器解決信號保持問題。在仿真過程中用示波器觀察某些門電路的輸出端波形,發(fā)現(xiàn)有毛刺出現(xiàn)，這是競爭冒險現(xiàn)象導致的，通過加入非門可以解決。但毛刺現(xiàn)象也可以被利用起來，通過加入雙D觸發(fā)器，可以消除毛刺的不良影響。4.2 調(diào)試與運行結(jié)果打開protues仿真電路圖，進行了仿真, 兩種花樣的仿真效果截圖如圖4-1所示。 從右向左移動 從左向右移動 全滅

19、 圖4-1 調(diào)試仿真效果圖 全 亮 兩邊向中間亮 中間向兩邊點亮 圖4-1 調(diào)試仿真效果圖 5仿真操作步驟及使用說明操作步驟D1-D8為LED顯示部分。打開PROTEUS界面，點擊運行仿真按鈕即可進行仿真。D1-D8的電平變化狀態(tài)如下花樣一右向左移:10000000 左向右移: 01000000 00000010 00100000 00000100 00010000 00001000 00001000 00010000 00000100 00100000 00000010 01000000 00000001 10000000全滅 00000000全亮 11111111中間向兩邊點亮10000001 0010010001000010 0100001000100100 1000000100011000 結(jié)束語 通過為期一個星期的課程設計與制作，充分運用了數(shù)電知識，通過對各種芯片與門電路的應用，加深了對邏輯器件的功能