16路彩灯循环电路课程设计.doc

数电课程设计题 目 16路彩灯循环控制电路设计 课 程 名 称 数字电路课程设计 院（系、部、中心） 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 生 姓 名 学 号 设计地点 数电实验室 指导教师 课 程 设 计 任 务 书一设计要求及主要技术指标 4二、实验任务、要求及提示 4三、设计方案的选择和电路框图 5四、设计原理 6五、各单元电路的设计、计算和说明 6六、整体电路图 8七、所用元件及器材 9八、芯片功能 10九、课程设计的心得体会 21十、参考文献 21 引言数字电路是一门理论性强、工程应用广的专业基础课程。为了训练读者对数字电路及系统的设计、安装、调试的实际动手能力，特在数字电路课程中设置了课程设计这一重要的实践环节，以便在实践中掌握数字系统的设计方法。 数字逻辑 (电路)课程设计的目的通过完成本章所列的一些设计任务，掌握基于可编程器件的eda技术，学习max+plusii软件开发工具，明确数字系统的概念与设计的一般流程，训练从事电子系统设计工作必备的基本技能。鉴于课程设计设置的主要目的，同时考虑学习的循序渐进、承上启下的过程，所以在本书的数字系统设计中，采用经典方法设计电路原理图，用eda工具进行仿真，最后用编程逻辑器件实现的方法。彩灯控制器设计简介 利用移位寄存器和计数器等设计一彩灯控制电路，改变电路的不同工作状态，控制彩灯变幻出不同的闪烁效果。电路实用，也可以通过计算机仿真直观地看到循环彩灯的控制效果，综合运用所学数字电路知识，学会设计和调试方法，从而产生浓厚兴趣。如果稍微改动控制电路，可以更加完善，完成基于移位寄存器的彩灯控制器设计。 在现代生活中，彩灯作为一种装饰，既可以增强人们的感观，起到广告宣传的作用，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽，用在舞台上增强晚会灯光效果，利用控制电路可使彩灯（例如霓虹灯）按一定的规律不断的改变状态，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电（与全部彩灯始终全亮相比）。因此，彩灯控制电路应用越来越丰富我们的生活，成为我们生活不可缺少的一部分。本课题是利用四位双向移位寄存器为核心元件实现彩灯的循环控制。一设计要求及主要技术指标1.1 设计要求（1）、根据技术指标要求确定电路形式，分析工作原理，计算元件参数。（2）、列出所用元器件清单并购买。（3）、安装调试所设计的电路，使之达到设计要求。（4）、记录实验结果。（5）、撰写设计报告。1.2 主要技术指标（1）实现16个led灯循环点亮。（2）间隔时间可调。（3）led灯的闪烁按一定的规则变化，可通过输入开关设置闪烁规律。（4) 电路有复位控制，复位按钮闭合时led循环输出，按钮断开彩灯熄灭。1.3设计目的设计一种利用发光二极管作为彩灯指示,实现发光二极管依次点亮形成移动的光点,并不断循环的彩灯循环控制电路，要求可以实现彩灯循环的时间可以调节 。 （1）学会分析、设计和测试用555定时器构成的多谐振荡器。（2）熟悉译码器和中规模集成计数器的工作原理。（3）利用译码器和计数器设计彩灯控制电路，实现不同的闪烁效果二、实验任务、要求及提示2.1 设计一个十六路彩灯循环电路，使其满足以下要求：（1）16 路彩灯输出显示。（2）彩灯的闪烁按一定规则变化(至少三种以上)，可通过输入开关设置彩灯闪烁的规律。（3）电路有复位控制，复位按钮闭合时彩灯循环输出，复位按钮断开时彩灯熄灭。（4）可设定彩灯的闪烁时间，彩灯闪烁的时间可通过实验箱上的开关输入。2.2 设计提示 （1）设计要求显示16路彩灯，需要1 16个发光二极管模拟，实验开发系统上的发光二极管已连接好限流电阻，若自行连接线路需要连接限流电阻。 （2）电路图是在ewb电子工作平台设计仿真的，若需在max-plus+ii10.0的模拟仿真，并且在se-5m实验开发系统上实现，实验系统自带不同频率的脉冲，不必设计脉冲产生电路。 （3）要完成三种以上彩灯闪烁花样的设计、可以采用不同的计数器与不同的译码输出信号相结合的方法。彩灯图案变换的设计以4个彩灯为例，第一种图案变换：彩灯左右摆动，状态图为：01011010；第二种图案变换：暗带移动，状态图为：0111101111011110；第三种图案变换：彩带一条一条亮，然后再一条一条熄灭，状态图为：0000100011001110，上述变化可以用环形计数器、扭环形计数器实现。当然，也可以是：彩灯从右到左，然后从左到右逐个点亮；彩灯从右到左点亮，然后从左到右逐个依次熄灭，全亮全灭；彩灯两边同时亮2个逐次向中间移动移动再散开，彩灯两边同时亮4个，4亮4灭。 为完成上述不同白勺闪烁规律，也可将手动改变规律设计为自动循环变化闪烁图案。 （4）如进一步提高彩灯的观赏性，可改变不同图案的闪烁频率，可以将输人脉冲进行分频。三、设计方案的选择和电路框图3.1 题目分析 我们设计的流水灯实际上是主要使用一个74ls191，两个74ls138，和一个555定时器这四个芯片对16个led进行控制，产生循环控制的效果。 3.2题目设计用附加电容、电阻把555定时器接成一多谐震荡器，产生脉冲信号。两个74ls138扩展成4-16线译码器，与led向接。74ls191作为计数器。3.3 结构框图如图1.555时序电路74ls191计数部分74ls138译码电路部分led显示部分图 1结构框图四、设计原理设计彩灯循环控制电路，要求该电路彩灯循环显示频率快慢可调，控制器具有多路输出。该电路由555定时器、74ls191计数器和138译码器组成。74ls191计数器的时钟信号由555振荡电路提供，改变555的振荡频率，即句改变计数器的快慢，即可控制彩灯闪烁的快慢。计数器输出信号输人至138译码器，由138译码，根据计数器输出不同的计数结果，即可控制138译码器译码得到不同的输出信号，决定彩灯的循环变化。显然，不同的计数器与译码器电路，得到的是不同的彩灯循环控制结果。若译码器不变，在计数器的控制端输入不同的控制信号，进行不同的计数，则在输出端可见不同的彩灯循环输出。五、各单元电路的设计、计算和说明（一）555时序电路在这次课程设计中，555定时器用来产生脉冲信号。因此把555定时器接成多谐震荡器。r1、r2、c2为定时元件。图9、555时序电路（二）74ls191计数部分 因为在试验中需要一个16进制的计数器，因此采用74ls191加减计数器。我们可以改变计数器的加减来控制led亮灭的方向。 置数端a、b、c、d分别置0。4脚接地，11脚为异步置数控制端，地电平有效，接高电平。14脚接脉冲信号，同555定时器的out脚向接。通过单刀双掷开关来控制74ls191计数器的加减。 图10、74ls191计数器电路（三）74ls138译码电路与led显示部分74ls138为38线译码器，只有8个输出端，而在实验中须驱动16个led，所以用两个74ls138扩展成416线译码器。扩展接法如上图6。扩展后形成的四个输入端分别同74ls191计数器的qa、qb、qc、qd相接。通过改变qa、qb、qc、qd与四个输入端的连接方法来控制led的亮灭顺序。因为74ls138译码器输出端低电平有效，所以led显示部分采用共阳极接法，负极分别接在74ls138的输出端上。74ls138译码电路与led显示部分的电路图如图11。 图11、74ls138译码电路与led显示电路六、整体电路图七、所用元件及器材1、芯片：ne555 ,1块；74ls191,1块；74ls138，2块；2、电阻：100，16个；10k，1个；1m,1个；3、电容：0.01f,1个；0.47f，1个；4、led：红色，16个；绿色，1个；4、面包板：syb-120，一块。八、芯片功能1、ne555ne555 (timer ic)大约在1971由signetics corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的timer ic，在往后的30来非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电，尽管近cmos技术版本的timer ic如motorola的mc1455已被大的使用，但原规格的ne555依然正常的在市场上供应，尽管新版ic在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前可直接的代用。 ne555是属于555系列的计时ic的其中的一种型号，555系列ic的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时ic，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波讯号。 555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555,用 cmos工艺制作的称为 7555,除单定时器外 ,还有对应的双定时器 556 /7556。 555定时器的电源电压范围宽 ,可在 4. 5v16v工作 , 7555可在 318v工作 ,输出驱动电流约为 200ma ,因而其输出可与 ttl、cmos或者模拟电路电平兼容。555定时器的各项参数及工作环境如表1 表1、555定时器的各项参数及工作环境555定时器成本低 ,性能可靠 ,只需要外接几个电阻、容 ,就可以实现多谐振荡器、稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应 用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2和图 3所示。它内部包括两个电压比较器 ,三个等值串联电阻 ,一个 rs触发器 ,一个放电管 t及功率输出级。它提供两个基准电压 vcc /3和 2vcc /3。555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 sr触发器和放电管的状态。 在电源与地之间加上电压 ,当 5脚悬空时 ,则电压比较器 c1的同相输入端的电压为 2vcc /3, c2的反相输入端的电压为 vcc /3。若触发输入端 tr的电压小于vcc /3,则比较器 c2的输出为0,可使 sr触发器置 1,使输出端out =1。如果阈 值输入端 th的电压大于 2vcc /3,同时 tr端的电压大于 vcc /3,则c1的输出为 0, c2的输出为 1,可将 rs触发器置0,使输出端out=0。如表2. 表2、 555定时器功能表555定时器的内部电路框图如下图图2 555定时器的内部电路框图图3、555定时器管脚图 555定时器各个管脚的名称与功能如表3表3、555定时器的管脚名称与功能（2）555定时器的应用简介 555定时器电路应用非常广泛，在应用和工作方式上一般可归纳为 3 类。1、单稳类-作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等；2、双稳类-作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等；3、无稳类-作用：方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等。每类工作方式又有很多个不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等（3）555定时器的典型应用电路 1、用555定时器接成施密特触发器 将555定时器的2脚与6脚两个输入端连在一起作为信号输入端，即可得到施密特触发器，如图4。 由于比较器c1和c2的参考电压不同，因而sr锁存器的置0信号和置1信号必然发生在输入信号vi的不同电平。因此，输出电压vo由高电平变为低电平和由高电平变为低电平所对应的vi值也不相同，这样就行成了施密特触发特性，图5。 图4、用555定时器接成的施密特触发器 图5、施密特触发器实现波形转换 为提高比较器参考电压vr1和vr2的稳定行，通常在vco端接有0.01的左右的电容。2、用555定时器接成单稳态触发器以555定时器的v12端作为触发器的信号输入端，并将由td和r组成的反相器输出电压vod接至vi1端，同时在对地接如电容c，构成如图6所示的单稳态触发器。 图6、用555定时器接成的单稳态触发器 输出脉冲的宽度tw等于暂稳态的持续时间，暂稳态的持续时间取决于外界电阻r1和电容c2的大小。 通常r的取值在几百欧姆到兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，tw的范围为几微秒到几分钟。 3、用555定时器接成多谐振荡器 因用555定时器可以很方便的接成施密特触发器，所以我们也可用555定时器接成多谐振荡器。 为了减轻门g4的负载，在图7中，将dis与r2接成一个反相器，它的输出vod与vo在高低电平状态上完全相同。将vod 经r1和c1组成的积分电路接到施密特触发器的输入端同样能够构成多谐振荡器。 图7、用555定时器接成的多谐振荡器 电容c1上的电压vc 将在vt+与vt-之间往复震荡，vc 与vo的波形如图8所示。图8、电路的电压波形图 由图中vc 的波形可求得电容c1的冲放电时间t1与t2。 可通过改变r与c的参数来改变震荡频率，本次课程设计用到的就是这个电路。（二）74ls138 （1）译码器简介74ls138 3-8线译码器,译码器也称解码器，译码过程实际上是一种翻译过程,即编码的逆过程。译码器的输入是n位二值代码，输出是m个表征代码原意的状态信号（或另一种代码）。一般情况下有m小于等于2的n次方，即译码器输入线比输出线要少。译码器按其功能可分为三大类：1）变量译码器：将输入的二进制代码还原为原始输入信号。例如有两位二进制代码（0 ，1），可经译码器还原为四个信号状态（0，0）（0，1）（1，0) (1，1)2）代码变换译码器：用于将一个数据的不同代码之间的相互转换。例如二十进制译码器可将8421码转换为十个状态。3）显示译码器：将数字、文字或符号的代码还原成相应的数字、文字、符号并显示出来的电路。 （2）74ls138 的应用 74ls138的管脚图、如图4。 图4、74ls138管脚图74ls138的功能表、如图5图5、74ls138功能表 用两片74ls138接成的4线16线译码器、如图6. 图6、74ls138的扩展（三）74ls191（1）74ls191 简介74ls191是4位集成二进制同步可逆计数器。集成的4位二进制同步可逆计数器74ls191具有同步可逆计数功能、异步并行置数功能和保持功能。74ls191没有专用的清零输入端，可通过d0-d3异步并行置入数据0000来实现输出清零功能。74ls191内部结构图如图7。（2）74ls191应用74ls191管脚示意图，图8。 图8、管脚示意图 74ls191引脚排列图 图7 、74ls191内部结构