流水燈課程設(shè)計(jì)--流水彩燈控制器

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　流水彩燈控制器在我門日常生活中有重要的運(yùn)用，如廣告牌的設(shè)計(jì)和節(jié)日彩燈的設(shè)計(jì)都能運(yùn)用到它的原理。本次設(shè)計(jì)的流水彩燈控制器是其中較簡(jiǎn)單的，但這是進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)一個(gè)流水彩燈控制器（用8只發(fā)光二極管顯示，至少三種工作方式）。首先要分析設(shè)計(jì)要求，從要實(shí)現(xiàn)至少三種工作

2、方式入手推導(dǎo)出要使用的芯片?？赏ㄟ^(guò)八位右移寄存器74LS164實(shí)現(xiàn)八個(gè)彩燈的向右移動(dòng)，從它的右移輸入端控制來(lái)實(shí)現(xiàn)它的流水彩燈的變化。要控制流水彩燈的變化，可通過(guò)一個(gè)八位撥碼開(kāi)關(guān)，八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151，模十六加法計(jì)數(shù)器74LS161來(lái)實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘信號(hào)由一個(gè)555產(chǎn)生，產(chǎn)生周期可由一個(gè)滑動(dòng)變阻器控制。而彩燈的變化可由撥碼開(kāi)關(guān)自行選擇。</p><p>　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的流水彩燈控制器能完成題目要求。&l

3、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞 : 時(shí)鐘脈沖；分頻；移位寄存器；數(shù)據(jù)選擇器；撥碼開(kāi)關(guān)；</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　1設(shè)計(jì)課題與要求3</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)方案選擇3</p

4、><p>　　2 系統(tǒng)模塊組成4</p><p>　　2.1 系統(tǒng)組成框圖4</p><p>　　2.2 各模塊的組成與功能分析4</p><p>　　3 單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)算5</p><p>　　3.1 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路5</p><p>　　3.2 單種碼產(chǎn)生電路7</

5、p><p>　　3.3 撥碼開(kāi)關(guān)控制電路8</p><p>　　3.4 輸出電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　4 整機(jī)電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.1 整機(jī)電路工作原理10</p><p><b>　　5 組裝調(diào)試13</b></p><p>　　5.1

6、 仿真過(guò)程15</p><p><b>　　6 總結(jié)15</b></p><p><b>　　結(jié) 論16</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)16</b></p><p>　　附錄1 流水彩燈控制器原理總圖17</p><p>　　附錄

7、2 PCB總圖17</p><p>　　附錄 2 元器清單18</p><p>　　1 設(shè)計(jì)課題及要求</p><p>　?。ㄒ唬?題目：流水彩燈控制器</p><p>　　（二） 基本要求：1、用8只發(fā)光二極管顯示。2、至少三種工作方式。</p><p><b>　　1.1 方案選擇</b

8、></p><p>　　利用數(shù)字芯片實(shí)現(xiàn)。用555做時(shí)鐘信號(hào)，用模十六加法計(jì)數(shù)器74LS161的輸出端的最高位Q3接到移位寄存器74LS164的輸入端可以實(shí)現(xiàn)1111111100000000碼，模十六加法計(jì)數(shù)器74LS161的輸出端的Q1 Q2 Q3接到八選一的數(shù)據(jù)選擇器74LS151的選擇控制端。74LS151的八個(gè)輸入端都接到八位撥碼開(kāi)關(guān)，由撥碼開(kāi)關(guān)和控制端控制輸出端，輸出端接到移位寄存器74LS16

9、4的輸入端。而移位寄存器74LS164的輸出端接8只發(fā)光二極管，可以實(shí)現(xiàn)流水功能，并有多種工作方式。如圖3-1所示。</p><p><b>　　圖3-1 </b></p><p><b>　　2 系統(tǒng)模塊組成</b></p><p><b>　　2．1系統(tǒng)組成框圖</b></p>&l

10、t;p>　　四花樣彩燈設(shè)計(jì)可先對(duì)幾個(gè)獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，每一個(gè)模塊完成特定的功能,再把它們有機(jī)的組織起來(lái)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)完成彩燈控制器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可由四個(gè)模塊組成，它們分別是：時(shí)鐘電路、單種碼產(chǎn)生電路、撥碼開(kāi)關(guān)控制電路、數(shù)據(jù)輸出，設(shè)計(jì)框圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　2.2各模塊的組成及功能分析</p><p&g

11、t;　　1.時(shí)鐘電路：由一個(gè)555和電阻電容組成，構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，周期為可調(diào)，控制計(jì)數(shù)器和移位寄存器。</p><p>　　2.單種碼產(chǎn)生電路:由模十六加法計(jì)數(shù)器74LS161可產(chǎn)生。</p><p>　　3.撥碼開(kāi)關(guān)控制電路：八位撥碼開(kāi)關(guān)和八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153組成，模十六的計(jì)數(shù)器74LS161的三個(gè)輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端，就能按二進(jìn)制譯碼，從撥碼開(kāi)關(guān)控制8個(gè)輸入端D

12、0——D7,選擇一個(gè)需要的數(shù)據(jù)送到輸出端Y。</p><p>　　4.數(shù)據(jù)輸出電路：由八位移位寄存器74LS164和八個(gè)彩燈與電阻組成，選擇輸出的每一種碼輸入到寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，使碼在寄存器的八個(gè)輸出端自左向右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)彩燈的變化。</p><p>　　3 單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p>　　3.1 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路</p><p>

13、　　時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路由NE555定時(shí)器、兩個(gè)電阻和兩個(gè)電容構(gòu)成。555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，利用它可以方便的構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，由于使用靈活、方便，所以555定時(shí)器再波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制等多種領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路主要由555定時(shí)器芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，555芯片管腳圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 NE555定時(shí)器</p>&

14、lt;p>　　555定時(shí)器內(nèi)部機(jī)構(gòu)如圖4.1所示，它主要有以下部分組成：</p><p>　　(1)電阻分壓器。由3個(gè)5 KΩ的電阻組成。</p><p>　　(2)電壓比較器。由C1和C2組成，當(dāng)控制輸入端懸空時(shí)，C1和C2的基準(zhǔn)電壓分別是2/3Vcc和1/3Vcc。</p><p>　　(3)基本RS觸發(fā)器。由兩個(gè)與非門G1和G2構(gòu)成，對(duì)兩個(gè)比較器輸出的電

15、壓進(jìn)行控制。</p><p>　　(4)放電三極管VT。VT是集成極開(kāi)路的三極管，VT的集成極作為定時(shí)器的引出端D。</p><p>　　(5)緩沖器。由G3和G4構(gòu)成，以提高電路的負(fù)載能力。</p><p><b>　　引腳功能:</b></p><p>　　1腳位接地端；2腳是低電平觸發(fā)端入端；3腳是輸出端；4腳是復(fù)

16、位端；5腳是電壓控制端；6腳是高電平觸發(fā)端入端；7腳是放電端；8腳是電源端。</p><p>　　時(shí)鐘電路案例圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 時(shí)鐘電路案例（數(shù)據(jù)可變）</p><p>　　用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個(gè)周期性的矩形脈沖,其周期為:</p><p>　　T=0.7(R1+2R2)C </

17、p><p>　　555控制74LS161模十六計(jì)數(shù)器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動(dòng),其周期設(shè)為1秒左右, 電阻值和電容值可設(shè)為：</p><p><b>　　R1=20KΩ </b></p><p>　　R2=2.2KΩ（可變） </p><p><b>　　C=100μf</b></p&g

18、t;<p>　　由公式計(jì)算得：T=1.72s</p><p>　　時(shí)鐘電路的輸出一路作為計(jì)數(shù)脈沖送到模十六計(jì)數(shù)器74LS161；另一路做為移位時(shí)鐘脈沖加到移位寄存器74LS164。</p><p><b>　　工作原理:</b></p><p>　　多諧振蕩器的輸出波形圖，如圖4-3所示 </p><p>

19、　　圖4-3 多諧振蕩器的輸出波形</p><p>　　接通電源后，VCC經(jīng)R1，R2給電容C充電。由于電容上電壓不能突變，電源剛接通時(shí)Vc=0，當(dāng)Vc上升到大于Vcc／3時(shí)，RD=1，SD=1，基本RS觸發(fā)器狀況不變，即輸出端Q仍為高電平，當(dāng)VC上升到略大于2VCC／3時(shí)，Rn=0，SD=1，基本RS觸發(fā)器置0，輸出端Q為低電平。這時(shí)Q=1，使內(nèi)部放電管飽合導(dǎo)通。于是電容C經(jīng)R2和內(nèi)部放電管放電，Uc按指數(shù)規(guī)律

20、減小。 當(dāng)Vc下降略小于Vcc／3時(shí)，內(nèi)部比較器A1輸出高電平，A2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器置1，輸出高電平。這時(shí)，Q=0，內(nèi)部放電管截止。于是C結(jié)束放電并重新開(kāi)始充電。如此循環(huán)不止，輸出端就得到一系列矩形脈沖。</p><p>　　3.2 單種碼產(chǎn)生電路</p><p>　　單種碼產(chǎn)生電路是由74LS161構(gòu)成十六位計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，模十六計(jì)數(shù)器74LS161芯片管腳圖如圖4-4所示

21、。</p><p>　　圖4-4 74LS161管腳圖</p><p>　　74LS161具有以下功能：</p><p>　　(1)異步清零。當(dāng)＝0，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，不論有無(wú)時(shí)鐘CP，計(jì)數(shù)器輸出將直接置零(QDQCQBQA)=0000，稱為異步清零。</p><p>　　(2)同步并行預(yù)置數(shù)。當(dāng)=1，=0時(shí)，再輸入脈沖CP上升沿的作

22、用下，并行輸入端的數(shù)據(jù)dcba被置入計(jì)數(shù)器的輸出端，即(QDQCQBQA)= dcba。由于這個(gè)操作要與CP上升沿同步，所以稱為同步預(yù)置數(shù)。</p><p>　　(3)保持。當(dāng)＝=1，且EP*ET=0，則計(jì)數(shù)器保持原狀態(tài)不變。這時(shí)，如EP＝0、ET=0，則進(jìn)位信號(hào)Oc(Oc= QDQCQBQAET)保持不變；如ET=0則不管EP狀態(tài)如何，進(jìn)位信號(hào)Oc=0。</p><p>　　(4)計(jì)數(shù)。

23、當(dāng)＝=EP=ET=1時(shí)，在CP端輸入計(jì)數(shù)脈沖作用下，計(jì)數(shù)器進(jìn)行二進(jìn)制加法器計(jì)數(shù)。</p><p>　　產(chǎn)生的碼為1111111100000000，可實(shí)現(xiàn)燈從1～8從00左到右逐次點(diǎn)亮，然后逐次熄滅</p><p>　　3.3 撥碼開(kāi)關(guān)控制電路</p><p>　　撥碼開(kāi)關(guān)控制電路由模十六加法計(jì)數(shù)器74LS161，,8位撥碼開(kāi)關(guān)，八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151組成，

24、</p><p>　　74LS161我們已經(jīng)介紹過(guò)了，8為撥碼開(kāi)關(guān)如圖所示</p><p><b>　　，</b></p><p>　　八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151為互補(bǔ)輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，引腳排列如圖所示，功能見(jiàn)表。 </p><p>　　選擇控制端（地址端）為C～A，按二進(jìn)制譯碼，從8個(gè)輸入數(shù)據(jù)D0～

25、D7中，選擇一個(gè)需要的數(shù)據(jù)送到輸出端Y，G為使能端，低電平有效。（1）使能端G＝1時(shí)，不論C～A狀態(tài)如何，均無(wú)輸出（Y＝0，W＝1），多路開(kāi)關(guān)被禁止。（2）使能端G＝0時(shí)，多路開(kāi)關(guān)正常工作，根據(jù)地址碼C、B、A的狀態(tài)選擇D0～D7中某一個(gè)通道的數(shù)據(jù)輸送到輸出端Y。如：CBA＝000，則選擇D0數(shù)據(jù)到輸出端，即Y＝D0。如：CBA＝001，則選擇D1數(shù)據(jù)到輸出端,即Y＝D1，其余類推。理ab126計(jì)算公式大全</p>

26、<p>　　74LS151功能表:</p><p>　　圖1  74LS151引腳排列圖</p><p>　　工作原理：計(jì)數(shù)器控制數(shù)據(jù)選擇器的地址控制端，撥碼開(kāi)關(guān)控制輸入，可實(shí)現(xiàn)編碼的人工控制。</p><p>　　3.4 輸出電路設(shè)計(jì)</p><p>　　輸出電路由由八位移位寄存器74LS164、八個(gè)彩燈和八個(gè)驅(qū)動(dòng)

27、電阻構(gòu)成。</p><p>　　位移位寄存器74LS164芯片管腳圖如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8 74LS164管腳圖</p><p>　　當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QA-QH）均為低電平，串行數(shù)據(jù)輸出端(A，B)</p><p>　　可控制數(shù)據(jù)。當(dāng)A,B任意一個(gè)為低電平時(shí)，則禁止新的數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CL

28、EAR）脈沖作用下ＱＡ為低電平，當(dāng)A、B有一個(gè)為高電平時(shí)則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CELAR上升沿作用下決定QA的狀態(tài)。</p><p>　　74LS164的引腳功能：</p><p>　　CLOC：時(shí)鐘輸入端；CELAR：清除端（低電平有效）；A、B：行數(shù)據(jù)輸入端；</p><p><b>　　QA－QH：輸出端</b></p>

29、<p>　　輸出電路如圖4-9所示。</p><p>　　圖4-9 花樣輸出電路</p><p>　　當(dāng)輸入移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端的碼為10000000時(shí)，清零后在移位脈沖CP的作用下，寄存器數(shù)碼移動(dòng)情況如表4-4所示。</p><p>　　表4-4 寄存器數(shù)碼移動(dòng)情況表</p><p>　　工作原理輸出電路由八位移位寄存器74

30、LS164、八個(gè)彩燈和八個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻構(gòu)成。寄存器的數(shù)據(jù)輸入端接收控制電路輸出的碼，編碼在移位寄存器的八位并行輸出端從QA向QH移動(dòng)，輸出四種彩燈花樣。由表4-4可看出，輸入碼中的那位高電平“1”從寄存器的輸出端QA經(jīng)八個(gè)移位脈沖CP作用后逐漸到了QH，使輸出端所連接的彩燈依次點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)了彩燈依次點(diǎn)亮的變化。</p><p><b>　　4 整機(jī)電路設(shè)計(jì)</b></p><p

31、>　　根據(jù)單元電路可得到整機(jī)工作原理圖，如圖5-1。</p><p>　　圖5-1 流水彩燈控制器的整機(jī)電路圖</p><p>　　4.1 整機(jī)電路工作原理</p><p>　　由以一個(gè)多諧振蕩器輸出脈沖信號(hào)，分為兩路：一路作為計(jì)數(shù)脈沖送到模十六計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖CP端；數(shù)據(jù)從74LS161十六位計(jì)數(shù)器的輸出端QA，QB，QC，QD輸出，QD端直接接到移位寄存器

32、的輸入端，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)碼1111111100000000的變化，QA，QB，QC輸入到八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151的地址控制端A,B,C，數(shù)據(jù)選擇器74LS151的輸入端有八位撥碼開(kāi)關(guān)控制輸入編碼，輸出端接到移位寄存器的輸入端，用單刀雙擲開(kāi)關(guān)可控制電路的選擇。另一路做為移位時(shí)鐘脈沖加到移位寄存器的時(shí)鐘脈沖信號(hào)輸入端。調(diào)節(jié)多諧振蕩器的電阻可以改變震蕩頻率，即改變彩燈移動(dòng)的速度，得到不同的動(dòng)態(tài)效果。</p><p>

33、　　最終，寄存器的數(shù)據(jù)輸入端接收控制電路輸出的編碼，編碼在移位寄存器的八位并行輸出端從QA向QH移動(dòng)，輸出流水彩燈變化。</p><p><b>　　組裝調(diào)試</b></p><p><b>　　5.1仿真過(guò)程</b></p><p>　　使用ISIS軟件進(jìn)行仿真。仿真電路圖為：</p><p>　

34、　當(dāng)SW2開(kāi)關(guān)選擇單碼控制電路時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)燈1到8逐個(gè)點(diǎn)亮，再逐個(gè)熄滅。</p><p>　　當(dāng)SW2選擇撥碼開(kāi)關(guān)控制電路時(shí)，可人工選擇編碼，如10000000</p><p><b>　　如11000000</b></p><p>　　調(diào)試時(shí)用數(shù)字萬(wàn)用表檢查是否短路斷路，接上5V電壓后，用示波器檢測(cè)555輸出波形并記錄其周期，與理論值對(duì)比。&

35、lt;/p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)電路的特點(diǎn)</b></p><p>　　電路的設(shè)計(jì)能完成基本功能實(shí)現(xiàn)，使用的芯片數(shù)量少，可以人工控制調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)思路清晰明了。但設(shè)計(jì)電路有明顯的局限性，因?yàn)槭褂糜乙莆患拇嫫鞯木壒?，不能使LED燈向左移動(dòng)，不能使LED跳躍移動(dòng)。使用模十六的加法計(jì)數(shù)器74

36、LS161還可以功能拓展，但因?yàn)橐恍┎季€的局限，拓展沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　課題核心價(jià)值</b></p><p>　　通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，讓我獨(dú)立完成電路的設(shè)計(jì)，組裝，調(diào)試，了解了一個(gè)電子產(chǎn)品的產(chǎn)生過(guò)程。改進(jìn)意見(jiàn)是希望老師能多多介紹下關(guān)于課題的介紹與理解。不然會(huì)造成學(xué)生與老師要求不一致的現(xiàn)象出現(xiàn)。</p><p><b>

37、;　　7 結(jié)論</b></p><p>　　本次所設(shè)計(jì)的是流水彩燈控制電路的設(shè)計(jì)，本次課程設(shè)計(jì)主要結(jié)合了數(shù)字電路課程。在汪杰君老師的指導(dǎo)和支持下完成的。還要感謝其他同學(xué)對(duì)我的無(wú)私幫助，使我得以順利完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和完整的設(shè)計(jì)思維和方法。設(shè)計(jì)電路關(guān)鍵在于對(duì)設(shè)計(jì)要求的理解分析以及對(duì)基本電路相關(guān)知識(shí)的熟練掌握。設(shè)計(jì)電路時(shí)，將總體的功

38、能分成若干個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，是簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)思路的很好方法；且搞清各個(gè)模塊的功能與實(shí)現(xiàn)要求操作的具體方法，對(duì)電路故障的檢查也是很有幫助。</p><p>　　通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多東西，如查找資料，設(shè)計(jì)比較，從各種資料中提取所需。也吸取了很多教訓(xùn)。真正提高了動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)獲取資料，活躍了自己的思維，鞏固了所學(xué)知識(shí)。流水彩燈控制器的設(shè)計(jì)是對(duì)數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)知識(shí)的實(shí)踐運(yùn)用，加深了對(duì)知識(shí)的理解。</p>&

39、lt;p>　　這次課設(shè)是一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，與實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的能力，解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過(guò)對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)力、抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望

40、看到的也正是我們進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的目的所在</p><p>　　最后，再次對(duì)關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝。</p><p><b>　　8參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1].康華光.數(shù)字電子技術(shù) 高等教育出版社，2009</p><p>　　[2].周巍 黃雄華 數(shù)字邏輯電路 實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì) 仿真,電子科技大

41、學(xué)出版社 2010</p><p>　　[3].百度文庫(kù)：wenku.baidu.com</p><p>　　[4].豆丁網(wǎng)：www.docin.com</p><p>　　附錄1 流水彩燈控制器原理總圖</p><p><b>　　附錄2 PCB總圖</b></p><p><b>