循环彩灯电路设计及平台印刷机机构设计

成绩成绩课程设计说明书设计题目：循环彩灯电路设计课程名称：学院：学生姓名：学号：专业班级：指导教师：20年月日课程设计任务书设计题目循环彩灯电路设计学生姓名所在学院专业、年级、班设计要求：1、设计制作一个循环彩灯电路；2、彩灯数量为8个；3、循环彩灯控制方式：8个彩灯一亮一灭，从左向右移动，彩灯亮灯和灭灯时间均为1秒；主要元件：555定时器、74LS161、74LS164、74LS151、74LS138、LED学生应完成的任务：设计循环彩灯的工作原理，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。参考文献：[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.[2]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:高等教育出版社,2005.[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.[4]秦长海.张天鹏.翟亚芳数字电子技术[M].北京：北京大学出版社2012.[5]谷树忠.刘文洲AltiumDesigner教程[M].北京：电子工业出版社，2010.工作计划：5月27号—30号完成原理图的设计；5月30号—31号进行PCB设计；6月3号—4号制作PCB板；6月4号—6号电路板安装与调试，提交课程设计报告。任务下达日期：任务完成日期：20**年6月6日指导教师（签名）：学生（签名）： 循环彩灯电路设计摘要：循环彩灯电路设计主要由74LS161十六进制计数器，74LS164移位寄存器、555定时器、74LS151数据选择器、74LS00反相器组成。先用Multism软件对设计的电路进行仿真，再用Aultism软件进行元件封装，最后制作PCB板。用74LS161十六进制构成八进制计数器，74LS151进行数据选择，74LS164移位寄存，用555定时器构成多谐振荡器来控制计时，产生周期为一秒的脉冲信号，从而实现8个彩灯一亮一灭，从左向右移动，彩灯亮灯和灭灯时间均为1秒；关键词：555定时器、循还彩灯、74LS151数据选择器、74LS164移位寄存器目录1.设计背景 21.1了解数字电路系统和数字电路的定义及组成 21.2掌握时钟电路的作用及基本构成 21.3熟悉Multism和Aultism软件的功能和使用 22.设计方案 22.1课题分析 22.2构思总体设计方案 23.方案实施 23.1原理图设计 23.2电路仿真 23.3PCB制作 23.4安装与调试 24.结果与结论 25.收获与致谢 26.参考文献 27.附件 27.1电路原理图 27.2PCB布线图 27.3元器件清单 2指导教师评语： 2PAGEPAGE191.设计背景1.1数字电路系统和数字电路的定义及组成数字电子技术是信息、通信、计算机、自动控制等领域工程技术人员必须掌握的基本理论和技能。数字电路系统的主要内容：数制、逻辑门电路、逻辑代数、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲波形、数字系统设计、数模/模数转换电路、半导体存储器等。数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。输入电路主要作用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的数字信号。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。1.2时钟电路的作用及基本构成多谐振荡器是产生矩形脉冲的典型电路，常用来做脉冲信号源。多谢振荡器没有输入端，接通电源便自激振荡。多谢振荡器起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，他们交替变化，输出连续的矩形脉冲信号。用555定时器构成的多谢振荡器，先用555定时器构成施密特触发器，然后将施密特触发器的输出端经RC积分电路接到施密特触发器的输入端。可以通过调节RC的大小来产生所需周期大小的脉冲信号。1.3Multism和Aultism软件的功能和使用Multisim以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。所以可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。通Multisim和虚拟仪器技术，工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计。Altiumdesigner软件是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，DXP提供了全面的设计解决方案。因此我们可以使用DXP和Aultism软件进行设计和仿真。2.设计方案2.1课题分析充分了解循环彩灯设计要求，明确循环彩灯设计系统的全部功能、要求及技术指标；熟悉处理信号与控制对象的各种参数、关系和特点。根据循环彩灯的原理构思总体设计方案。2.2设计方案通过555定时器构成多谐振荡器产生周期为1s的矩形脉冲，74LS161十六进制的计数器改为八进制的计数器进行计数，74LS151对八进制数000-111选择输出，74LS164移位寄存器对输出的信号移位寄存，并与八个发光二极管相连接，从而控制彩灯一亮一灭，从左向右移动，彩灯亮灯和灭灯时间均为1秒。3.方案实施3.1原理图设计1.时钟电路设计555集成时及电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，可连接成多谐振荡电路，产生单位脉冲，用于触发计数器。555定时器的逻辑符号图如图1所示。GNDGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2图1555定时器的逻辑符号图555定时器可以很方便地构成多谐振荡器，由555定时器构成的时钟信号产生电路如图3所示。根据振荡周期计算公式可,该电路的振荡周期为1秒。可采用阻止分别为51KΩ、47KΩ的电阻R1、R2.TRIGTRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U1NE555D51KR2Res347KR4Res322nFC1Cap10uFC2CapVCC图2由555定时器构成的时钟信号产生电路2.驱动电路设计由74LS161计数器和74LS151数据选择器以及74LS164移位寄存器组成,用以驱动发光二极管正常工作，并且在时钟电路的控制下让八个发光二极管循环工作。设计原理：把555定时器的输出端接74LS161计数器的CLK端，在上升沿的作用下，输入数据被送入计数器。将74LS161计数器的输出端分别接74LS151数据选择器的地址输入端，输出端接74LS164移位寄存器的串行输入端，74LS164的CLK移位脉冲与驱动电路的输入端相连，实现彩灯的循环。CLR异步清零端与74LS161的Q3以及CLR端相连，因为，CLR’=1，CLK处于上升沿，输入端代码AB才被送入寄存器，Q3与CLR端连一个反相器。74LS的输出端与8个彩灯相连。这样就完成了循环彩灯的循环控制。驱动电路图如图3所示。D3D31D22D13D04Y5W6STB7GND8C9B10A11D712D613D514D415VCC16U3SN74LS151DCLR9CLK8A1B2QA3QB4QC5QD6QE10QF11QG12QH13VCC14GND7U4SN74LS164NCLR1LD9ENT10ENP7CLK2RCO15P03Q014P14Q113P25Q212P36Q311VCC16GND8U2DM74LS161AN123U5ASN74LS00N图3驱动电路3.输出电路设计输出电路有8个发光二极管和2个100Ω的电阻和两个高电平组成。只有当从驱动电路过来的是低电平，才可以让发光二极管导通发光。输出电路如图4所示。D1D1LED0D2LED0D3LED0D4LED0D5LED0D6LED0D7LED0D8LED0100R1Res3100R3Res3GNDGND图4输出电路图3.2电路仿真根据原理，用Multism软件绘制相应的逻辑电路图，并进行仿真。在各单元电路设计的基础上，按照总体电路图在仿真软件Multisim上选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。将电路在Multisim上连接好后，为各个电阻和电容选取适当值，通过555定时器构成多谐振荡器产生周期为1s的矩形脉冲，然后打开Multisim的开关，根据红绿灯亮灭情况及显示计时装置情况判断电路是否正常。通过老师的指点和我们的坚持努力，经过反复修正仿真，我们的电路原理终于能正常工作。图5：仿真图3.3PCB制作在布线前要在AltiumDesigner中完成对电路图个元件的封装。在封装时，要注意，因为对于同一个元件可能又多种封装方式。封装时根据所给元件的类型选择合适的封装对各个元件进行封装。封装完成后，把原理图导入PCB板。导入PCB板后，再对元件的位置重新手动摆放，使尽量少的线重叠，以减少布线时的跳线出现。按照要求采用电源线和地线要求采用0.8mm或是0.6mm,如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或0.3mm。信号线采用0.5mm，如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或0.3mm。焊盘的内径用0.8mm或0.85mm。外径根据需要进行修改，一般为X方向1.6mm，Y方向2.0mm，或是X方向2.0mm，Y方向1.6mm。合理布线，在尽量少的采用跳线下应整齐美观。至此完成了PCB的制作。3.4安装与调试在电路的安装过程中注意元器件特别是发光二极管及74LS161，74LS151，74LS164、NE555P，电容是否接反，否则会造成元器件的损坏，使电路板不能正常工作，因此在安装过程中一定要与PCB板上的电路接法相吻合。电路完成安装后，开始进行焊接。电路焊制工程中焊锡千万不要与铜融合以防止短路，电路完成安装后，进行第一次调试，发现电路工作不理想，发现一些问题，仔细检查后发现电路中存在断路，用跳线把断开处焊接好之后，用万用表测时后发现电路断开处正常工作。进行第二次调试，发现电路不稳定，用万用表调试后发现电路中存在短路，仔细检查发现铜和焊锡的少量融合，于是吸锡后重新焊接，如此反复检查，进行调试后发现问题得到解决，第三次调试时发现，电路显示仍旧不工作，进行若干次修改，问题仍没得到解决。4.结果与结论经过原理了解分析，进行方案论证。然后开始实施，首先用Mulism进行仿真，结果成功。之后开始进行原理图设计，接着把原理图导入PCB工程，开始进行布线调整，然后开始制板，最后进行焊接，发现问题进行调试，最后还是有问题。由于设计的原因，结果不好。把设计构想落实到Multisim仿真软件上，发现电路仿真很成功，于是进行PCB制板，电路的具体安装后，进行调试后发现电路有断路现象和短路现象，仔细观察焊接处，予以解决。在调试过程中，故障是不可避免的，或产生故障的原因很多，情况也很复杂，有的是一种原因引起的简单故障，有的上多种原因相互作用引起的复杂故障，因此需要掌握故障的一般诊断方法，故障诊断过程就是以故障现象出发，通过反复测试，做出分析判断，逐步找出故障的过程其元器件布局不合理，导致连接线出现问题。或由于考虑不周全，有众多因素干扰，造成试验误差，从而导致结果失败。5.收获与致谢经过这次为期两个星期循环彩灯的课程设计学习，首先对原理进行了解，开始进行方案设计，再经过理论验证，然后开始进行原理图设计与仿真，之后又行了PCB制作，最后进行焊接与调试。，在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程识到了自己的不足，使自己明白还多东西还需加强学习，弥补不足。同时还锻炼了自己思维能力与分析解决问题的能力。经过课程设计使我受益匪浅。使我我对AltiumDesigner和Multisim的使用更加的方便，进一步加深了对所用到的各种元器件的功能的理解，这对我以后的学习会很有帮助。通过这次课程设计，我更深的理解了数字电路的相关知识。并使理论知识得到实践。同时，这次课程设计不仅锻炼了我分析问题，解决问题的能力，而且也锻炼了我的动手操作能力。以及体会到小组合作一起讨论问题，一起思考的快乐。课程设计使我设培养了我的计思维,增强了实际操作能力。如果不能认真谨慎的工作，我们的设计不会达到预期的效果。还有不论遇到什么困难，不要对自己失去信心。学会了做事要学会整体规划，一定要注重细节，否则很有能因为一点小的错误而造成所有的努力付诸东流。在此非常感谢学院安排这次实践活动，在两周的课程设计中非常感谢张天鹏老师、翟亚芳老师的耐心指导在设计中给出的宝贵建议和意见，以及同小组成员坚持和努力。6.参考文献[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.[2]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:高等教育出版社,2005.[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.[4]秦长海.张天鹏.翟亚芳数字电子技术[M].北京：北京大学出版社2012.[5]谷树忠.刘文洲AltiumDesigner教程[M].北京：电子工业出版社，2009.7.附件7.1电路原理图电路原理图如图6所示TRIGTRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U1NE555DD31D22D13D04Y5W6STB7GND8C9B10A11D712D613D514D415VCC16U3SN74LS151DD1LED0D2LED0D3LED0D4LED0D5LED0D6LED0D7LED0D8LED012P1Header251KR2Res347KR4Res3100R1Res3100R3Res322nFC1Cap10uFC2CapVCCVCCGNDGNDGNDGNDCLR9CLK8A1B2QA3QB4QC5QD6QE10QF11QG12QH13VCC14GND7U4SN74LS164NCLR1LD9ENT10ENP7CLK2RCO15P03Q014P14Q113P25Q212P36Q311VCC16GND8U2DM74LS161AN123U5ASN74LS00N图6：循环彩图灯电路7.2PCB布线图图7:循环彩灯PCB布线图7.3元器件清单名称功能个数74LS161十六进制计数器174LS164移位寄存器1555定时器定时器174LS151数据选择器174LS00反相器1电阻51KΩ147KΩ1100Ω2电容10nF110uF1发光二级管红、黄、绿8指导教师评语：课程设计报告成绩：，占总成绩比例：40％课程设计其它环节成绩：环节名称：原理设计，成绩：，占总成绩比例：20％环节名称：PCB设计，成绩：，占总成绩比例：20％环节名称：安装调试，成绩：，占总成绩比例：20％总成绩：指导教师签字：年月日本次课程设计负责人意见：负责人签字：年月日SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ自动机械课程设计说明书题目：平台印刷机机构设计学院：农业工程与食品科学学院班级农机学号：设计者指导教师20年6月28日目录1、平台印刷机的工作原理………31.1、工作原理及工艺动作过程的分析…………………31.2、设计要求与技术条件……………….32、设计思想……………………….32.1.执行系统：……………32.2.传动系统…………………33、参考设计方案…………………41.3.1.版台运动执行机构选型……………41.3.2.滚筒回转机构选型…………………54、平台印刷机（高速型）的设计方案………………61.4.1.版台运动执行部分设计方案………65、执行部分机构选择及具体的尺寸计算：…………75.1．曲柄滑块：………………75.2.双面齿条………………85.3.齿条上侧的齿轮………81、平台印刷机的工作原理1.1、工作原理及工艺动作过程的分析通过几天的讨论并在仔细分析了任务书之后发现，即使是低速型的印刷机印一张纸的时间也仅仅是1.8-1.875秒，这需要一个极其高级精密的送纸、着墨、收纸机构的支持，并且这两个过程都是很短暂的，在此暂且不谈，本题目主要考虑版台的传动机构Ⅰ及滚筒的传动机构Ⅱ（如图下所示）。设计时应该体现出压印时的匀速、版台返回时的急回。整部机器中各机构的运动均由同一电动机驱动。运动由电动机经过减速装置后分成两路，一路经传动机构Ⅰ带动版台作往复直移运动，另一路经传动机构Ⅱ带动滚筒作连续回转运动。当版台与滚筒接触时，在纸张上压印出字迹或图形。版台工作行程中有三个区段。在第一区段中，送纸、着墨机构相继完成输纸、着墨作业；在第二区段，滚筒和版台完成压印动作；在第三区段中，收纸机构进行收纸作业。第一与第三区段是极其短暂的。图一平台印刷机的工作原理1.2、设计要求与技术条件⑴平台印刷机的主运动：版台的往复直线移动及滚筒连续的转动；⑵为保证印刷质量，要求在压印过程中，滚筒与版台之间无相对滑动，即在压印区段滚筒表面的线速度必须与版台的移动速度相等；⑶为保证整个印刷幅面上的印痕浓淡一致，要求版台在压印区内的线速度变化尽可能小；⑷本平台印刷机所要求实现的生产率，即每小时印刷的张数为1920~2000，版台的行程长度为730mm，压印区段长度为440mm，滚筒直径为232mm，电机功率1.5KW，转速940r/min。⑸要求机构传动性能良好，结构紧凑，制造方便。2、设计思想初次设计，参考了课程设计指导书，认为应该遵循设计时的一些原则。2.1.执行系统：应尽量简化和缩短运动链，使结构简单、空间布局紧凑，重视安全因素。2.2.传动系统：应该考虑符合执行系统的工况要求并与原动机的机械特性相匹配，考虑工作要求传递的功率和运转速度，考虑提高传动效率，考虑结构布置，考虑经济性，考虑机械安全运转和环境条件。1.为了提高印刷效率，版台必须急回，而送纸着墨收纸其实是一个非常短暂的过程，设计时几乎可以忽略。可以考虑水平凸轮或者偏置曲柄带动版台。2.如果滚筒不能保证和版台在任何时候都有相同的线速度，可以考虑离合装置适时把滚筒与传动齿轮脱离。如果设计时就能保证滚筒和版台没有相对线速度，则可以允许滚筒连续转动以便简化装置。3.按照每小时印2000张的速度计算，滚筒的转速是33.33r/min，而电机的转速是940r/min，传动比为28.20，传动比不是很大，所以不应该有大小相差很大的两个齿轮，况且原则上也是应该尽量避免这种情况的。3、参考设计方案在整个设计过程中考虑了许多机构，这些机构能够达到要求，但是由于这些方案都存在一些缺点，没能成为最终的方案，而这些方案的思路是可以应用到其他设计中的。3.1.版台运动执行机构选型⑴凸轮机构：考虑到版台的运动比较复杂，需要有匀速和急回，而凸轮能满足这样的条件，所以设计出如下图的方案。图二参考机构1这个方案的优点是能够通过设计凸轮轮廓线来实现版台的匀速、急回运动。缺点是需要一根很长、质量很高的弹簧，实际运行中弹簧容易疲劳以至破坏，这个方案成本很高。⑵六杆机构的结构比较简单，加工制造比较容易，且有急回特性和扩大行程的作用，但由于构件数较多，机构刚性差，不宜用于高速；此外，此机构的分析计算比较复杂。图三参考机构2⑶曲柄摇杆-齿轮齿条组合机构：通过摇杆的摆动控制齿轮的左右移动，这种机构类似于六杆机构，加工比较容易，有急回，但是不宜用于高速。机构分析的计算比较复杂。曲柄部分会承受很大的力，这对曲柄的材料就有一定要求，也应该考虑一下经济性。图四参考机构3⑷曲柄滑块-齿轮齿条组合机构组合机构由偏置曲柄滑块机构与齿轮齿条机构串联而成。下齿条是固定的齿条，上齿条是移动的双面齿条且和版台连接。滑块的速度恰好是版台的2倍，且有急回。9图五参考机构43.2.滚筒回转机构选型⑴转停式滚筒的齿轮齿条传动机构：由版台上的齿条带动滚筒上的齿轮实现版台和滚筒间的纯滚动。该机构结构简单，易于保证速度同步的要求。但当版台空回时，滚筒应停止转动，因而需要增加滚筒与版台间的脱离机构，以便版台空回时滚筒与版台脱离。滚筒与版台运动的脱离装置可采用棘轮式超越离合器，如下图。图六棘轮式超越离合器当大小不同或者方向相反时，滚筒外圈与内圈的齿轮脱离，达到转停的效果，但由于滚筒时转时停，惯性力矩较大，故不宜用于高速印刷场合。这个机构只是让滚筒外圈与齿轮脱离，脱离后滚子随着版台运动，本质上并不能解决与版台脱离的问题，可以再加一个机构使滚筒在周期内固定部分停住，并且把运行到这部分时滚筒与版台接触的那部分削平一些，但是应该注意的是，计算时保证这部分不在压印区。图七压印实例分析图⑵齿轮不定轴机构：如上图是滚筒上齿轮与机架连接部分机架的示意图，轴搭在机架上。在推程时加速度向右，正常运转；回程过程中，由于急回时有很大的加速度，加速度在斜槽方向有分量使滚筒和齿轮与齿条分开。这个机构利用加速度使齿轮与齿条分开，但是最大的问题就是不稳定，噪声大，易磨损。可以加些缓冲机构。⑶利用凸轮控制滚筒和齿轮的轴，在滚筒回程时将滚筒抬起。这样个机构的缺点是机构很不稳定，有波动，在高速运行中容易出现问题。且在滚筒质量无法确定的情况下，难以确定滚筒的运动情况。4、平台印刷机（高速型）的设计方案综合考虑优缺点之后，最终确定平台印刷机的方案如下。4.1.版台运动执行部分设计方案：采用曲柄滑块机构，如下图，它的下齿条是固定的，上齿条是双面可移动的，齿条侧面连接版台，齿条上面是与滚筒同轴的定轴齿轮，齿轮的分度圆与滚筒外圈大小相等，以保证滚筒与行程的匹配，整个过程中滚筒和版台没有相对速度，滚筒连续转动，在曲柄滑块传动点处A不直接与电机相连，需要附加一个配合转动的凸轮机构，让凸轮机构与加速装置相连接完成平台的往复传动。图八曲柄—齿轮齿条机构滚筒抬起的机构可以选择参考方案中的滚筒选型方案2,回程时借助加速度分量使滚筒脱离，根据实际滚筒的质量和加速度的曲线可计算出斜槽的角度。图九平台印刷机的机构简图印刷区段415mm，版台行程795mm，印刷区占版台的60%，换算成角度217°，所以要求曲柄滑块的滑块在217°的范围内基本匀速，以保证印刷质量。5、执行部分机构选择及具体的尺寸计算：5.1．曲柄滑块：根据对曲柄滑块运动速度的要求，理想的曲柄滑块中滑块的曲线需要有至少三分之二的行程速度恒定，另外三分之一的部分速度急剧变化。机构利用《机械原理课程设计》一书中附带的软件模拟曲柄滑块的尺寸和运动情况。首先任意选取曲柄长度，在此确定为397.5mm，连杆长度和滑块的偏心距是需要试值的，如果所试的值无法正常运转软件会有提示。假定偏心距为1m，多次取连杆长度，观察滑块的速度曲线，反复尝试。也可以假定连杆长度，变换偏心距。经过多次尝试后，得到下面一种组合我认为能够满足设计要求：曲柄：180mm，连杆：295mm，偏心距：1026.4mm通过模拟后，得到的数据列表如下：序号曲柄角度点x坐标（m）点y坐标（m）点x速度（m/s）点y速度(m/s)点x加速度(m/s2)点y加速度(m/s2)062.33.55011.0264-46.981.00E-05-18251.00E-05177.33.07261.0264-57.951.00E-05-913.51.00E-05292.32.59341.0264-61.641.00E-05-33.581.00E-0531072.