多花样自动切换的彩灯控制器设计

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 多花样自动切换的彩灯控制器设计 初始条件：1 运用所学的模拟电路和数字电路等知识；2 用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片等。要求完成的主要任务:1 现有8只彩灯，试设计一控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案：2 第1种花样为彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮,3 第2种花样为彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开;4 2种花样自动变换,循环往复。时间间隔为1秒。5 严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。时间安排： 第1天 下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；第24天 进行方案论

2、证，软件模拟仿真并确定设计方案； 第5天 提交电路图，经审查后领取元器件；第68天 组装电路并调试，检查错误并提出问题；第911天 结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；第1214天 补充完成课程设计报告和答辩。指导教师签名： 2012年 6月25日系主任（或责任教师）签名： 2012年 6月25日21武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书目 录 1 设计意义及要求11.1 设计意义11.2 设计要求22 方案设计32.1 设计思路32.2 方案设计52.2.1设计方案一电路图52.2.2设计方案二电路图 简单说明62.3 方案比较73 部分电路设计3.1 8155显示单元93.2 A

3、DC0809转换单元103.3 单片机处理单元113.4 脉冲输出电路123.5 译码及显示电路154 调试与检测（包括遇到的问题和解决办法，重点方案一调试） 164.1 调试中故障及解决办法（分析产生的原因）（不能拷贝） 174.2 调试与运行结果（调试及仿真过程的叙述） 185 仿真操作步骤及使用说明 19 结束语20 参考文献21 附录 电路图23本科生课程设计成绩评定表 多花样自动切换的彩灯控制器设计1.设计意义及要求 1.1设计意义对数字电子技术基础学习，我们掌握一些关于数字电子技术的基础知识和基本技能，具备了在日常生活与学习中应用数字技术解决问题的基本态度与基本能力但是对于各种门电

4、路、元器件芯片的结构及其工作原理等知识，我们的理解依然比较肤浅。通过为期两周的课程设计，可以让我们对课堂上的知识有更深入的理解，同时做到理论与实际相结合，增强了我们电子电路的设计能力。此外，课程设计能够最直接有效的训练我们的创新思维，提高分析问题、解决问题的能力。1.2设计要求1 现有8只彩灯，试设计一控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案：2 第1种花样为彩灯从右到左,然后从左到右逐次点亮,全灭全亮,3 第2种花样为彩灯两边同时亮1个逐次向中间移动再散开;4 2种花样自动变换,循环往复。时间间隔为1秒。2方案设计 2.1 设计思路 首先需要个脉冲源信号刺激，灯的移位功能可以采取双向移位寄存器来实

5、现，要完成花样的转换，则要改变移位寄存器移位寄存器移位信号控制端的状态，移位寄存器功能控制端通过外围计数器电路的输出结合逻辑门电路得到状态变换信号，由于控制端的信号需要保持一定的脉冲时间，所以要在移位信号控制端设置状态锁存电路。实现自动切换，即实现左移，右移，置数，清零循环。本设计方案的主控制电路为74LS90构成的二十四进制的计数器。功能实现电路采用的是74LS194和74LS198芯片，主要实现移位功能。总体方案共分为五部分。第一部分为脉冲产生电路，第二部分为计数器反馈电路，第三部分为移位寄存器控制信号锁存电路，第四部分为移位寄存器与LED连接电路，第五部分为反馈清零循环电路。2.2 方案

6、设计 2.2.1设计方案一和方案二功能框图计数器时钟信号左移循环右移循环全灭全亮从左右向中间逐次 对称点亮 从中间向两边散开点亮 方案一电路图见附录图2-1 2.2.2方案一（个人方案）工作原理与功能实现 555定时器构成多谐振荡器产生脉冲输入至计数器和74LS194移位寄 存器脉冲输入端。两片74LS90，构成27进制计数器。一片74LS198的输出端分别与八个二输入的或门的一个输入端连接，八个或门另一个输入端与74LS194输出端的连接如电路图2-2所示。同时，74LS194双向移位寄存器的八个输出端与一个八输入的或非门连接，74LS194的四个输出端分别与一个四输入的或非门输入端连接，二

7、者的输出反馈输入到移位寄存器的SR,SL端。由于移位寄存器在上电的初始状态为零，所以SR与SL的输入信号为1，使得移位寄存器的移位输入信号只有一个1，即使只有一个灯亮。74LS198的控制信号的初始状态为S1=0，S0=1，实现左移功能；当27进制计数器计数到Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0=00000111时，输出通过门电路反馈至D触发器，通过D触发器的输出改变移位寄存器移位控制信号为S1=1，S0=0，实现右移；当计数器计数到一定数值时，相继完成清零，置数和清零，封锁198的脉冲开启194的脉冲，完成花样二，功能完成后通过计数器反馈清零（所有芯片），实现循环功能。方案一电路图见附录图2-2

8、2.2.3方案二（小组方案）功能原理及功能实现 方案二与方案一大体相同 ，区别在于第二花样的控制电路部分不同,方案二采用两片译码器，它们输出端的高低位错位连接到二输入与门的两个输入端，连接电路如附录电路图2-2所示。2.3方案比较 方案一与方案二复杂程度差不多，主要是移位寄存器的控制端信号控制电路。但方案二所用的芯片比方案一多，但的实现功能相同。3. 3部分电路设计 方案一部分电路 3. 1脉冲产生电路 图3-1 555定时器构成多谐振荡电路 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 555，555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作

9、，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 定时器成本低，性能可靠，通过外接几个电阻、电容,即可构成单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。555 定时器的外引脚排列图如图3-1 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 RS 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

10、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 RS 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，使输出为 0 电平。 555定时器功能表如表3-1所示。 RD V6 V2 V0（V3） 0 × × 低电平 1<2/3Vcc>1/3Vcc 不变 1>2/3Vcc<1/3Vcc 不定 1<2/3Vcc<1/3Vcc 高电平 1>2

11、/3Vcc>1/3Vcc 低电平 表3-1 555定时器功能表 3.2计数器产生电路 图3-2 计数产生电路 两片74LS90构成24进制计数器，右边为低位左边位高位。脉冲由CKA输入，脉冲与移位寄存器的脉冲同步。数值从Q1Q0Q3Q2Q1Q0输出，清零信号由外围电路反馈输入。 74LS90的引脚图如图3-3所示，功能表如表3-2所示 图3-3 74LS90的引脚图 表3-2 74LS90功能表Reset Inputs复位输入 输出 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第一花样产生电路 图3-4 移位寄存器输出端电路 74LS198的移位信号控制端S1,S0与两个二输入的或非门的输出端3,6连接，置数端全部接高电平1。初始状态下，S1=1，S0=0，SR=SL=1，当第一个脉冲到来之后，输出端完成一个高电平信号的移入，同时移位控制端变为SR=SL=0，使得移入信号只有一个1，即使只有一个灯被点亮，输出实现左移。当移位信号移动到第八个输出端时，移位控制信号端变为S1=1,S0=0。当下一个脉冲到来时，移位信号向右移，灯由左向右依次被点亮，

13、直到移位信号1被移出输出端，实现全灭功能，同时移位控制端变为SR=SL=1下一个脉冲到来时，输出端被置为Q7Q6Q5Q4QQ3Q2Q1Q0=11111111,使八个灯全部被点亮。当灯点亮完成后，移位寄存器的脉冲输入被封锁，74LS198停止移位。74LS198引脚图如图3-5，功能表如表3-3。 图3-5 74LS198引脚图 输入动作CLEARS1S0CKHLH右移HHL左移HHH保持HLLxHOLDLxxx清除 表3-3 74LS90功能表 3.4第二花样产生电路当第一花样功能完成时，即处于全灭状态，74LS198的脉冲被封锁，停止移位。同时第二花样主控制器件74LS194的移位信号控制端

14、S1，S0由S1=0，S0=0变为S1=0，S0=1,实现信号左移，即灯由两边向中间依次对称点亮，当中间的两个灯被点亮的同时，移位信号控制端变为S1=1，S=0;当下一个脉冲到来时，移位信号右移，灯由中间向两边依次散开点亮。当两边的灯被点亮时通过计数器反馈信号将所有的芯片清零，实现功能循环。 图3-6 74LS194移位寄存器输出电路 为了实现只有一个灯被点亮，将移位寄存器的输出端反馈接到一个四输入的或非门的4个输出端，再将或非门的输出端接到移位寄存器信号的输入端，是移位寄存器开始工作的移进的信号为1.在下一个脉冲到来之前，移位寄存器信号的输入端变为零，所以下一次移进的信号为0。 74LS19

15、4的引脚图如图3-7所示 3.5显示部分电路 图3-7 74LS194引脚图 图3-8 LED连接电路 或门的输入端分别与两个移位寄存输出端连接，通过或门对移位寄存器的输出信号进行选择。 3.6反馈控制部分电路 通过与门反馈1，形成反馈控制信号，形成上升沿信号触发D触发器，改变移位寄存器移位信号控制端的信号和清零端的状态。使移位寄存器完成移位，置数，清零等操作。由于移位寄存器的移位控制端信号需要保持一定的脉冲时间，所以用7474双D 触发器的输出作为移位寄存器移位信号控制端的信号输入。 图3-9 74LS198移位信号控制端输入 图3-10 74LS194移位信号控制端输入计数器反馈清零移位寄

16、存器D触发器反馈清零计数器输出端信号 图3-11 反馈清零电路3.7方案二部分电路方案二部分电路与方案一大体相同，主要区别在于第二花样主控制电路不同，主控制器件为3-8线译码器74LS138，如图3-12所示。 图 3-12 译码器控制第二花样电路第二花样的功能通过两个3-8线译码器实现，由于3-8线译码器输出低电平有效，所以它们高低位错位连接到二输入与门的两个输入端，然后在对应连接到八个或门的一个输入端。两个译码器的输入信号由74LS190-U19构成的八进制计数器输出端给出，由于要先完成第一花样功能，所以在第一花样未完成之前要封锁该八进制计数器的脉冲。通过二十七进制计数器的输出反馈信号产生

17、上升沿触发D触发器，解除脉冲的封锁，八进制计数器开始计数，同时两个译码器开始同时工作，由于高低错位连接，所以灯被从两边向中间点亮，然后散开。最后被清零，完成循环。 74LS138译码器引脚图，如图3-13所示。 图3-13 74LS138引脚图 74LS138译码器功能表如表3-4所示。 表 3-4 74LS138功能表 4调试与检测 4.1调试中故障及解决办法 方案一的电路按照功能一步步连接，每完成一项功能调试仿真一下，在仿真过程中发现在左移的过程灯还未亮到第八个灯时，灯就开始转向点亮即移位信号开始右移，通过仔细分析发现反馈信号提前一个脉冲到来。通过让反馈信号在下一个计数状态反馈即可解决。当

18、反馈信号到来时改变了移位寄存器移位信号控制端的状态，但是通过仿真发现灯的移位方向只改变了一下，然后又变回原来的移动方向。通过分析电路发现是由于控制端的信号只保持了一个脉冲，即与门的反馈信号只保持一个脉冲。但移位信号控制端的状态需要保持把个脉从，因此通过双D触发器解决信号保持问题。在仿真过程中用示波器观察某些门电路的输出端波形,发现有毛刺出现，这是竞争冒险现象导致的，通过加入非门可以解决。但毛刺现象也可以被利用起来，通过加入双D触发器，可以消除毛刺的不良影响。4.2 调试与运行结果打开protues仿真电路图，进行了仿真, 两种花样的仿真效果截图如图4-1所示。 从右向左移动 从左向右移动 全灭

19、 图4-1 调试仿真效果图 全 亮 两边向中间亮 中间向两边点亮 图4-1 调试仿真效果图 5仿真操作步骤及使用说明操作步骤D1-D8为LED显示部分。打开PROTEUS界面，点击运行仿真按钮即可进行仿真。D1-D8的电平变化状态如下花样一右向左移:10000000 左向右移: 01000000 00000010 00100000 00000100 00010000 00001000 00001000 00010000 00000100 00100000 00000010 01000000 00000001 10000000全灭 00000000全亮 11111111中间向两边点亮10000001 0010010001000010 0100001000100100 1000000100011000 结束语 通过为期一个星期的课程设计与制作，充分运用了数电知识，通过对各种芯片与门电路的应用，加深了对逻辑器件的功能