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1、精选优质文档-倾情为你奉上数字电路课程设计报告课程名称：循环彩灯控制器 设计题目： 循环彩灯控制器 学 院： 电气工程与自动化学院 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名: 申泽轩 学 号: 3 班 级： 测仪1302 指导教师: 朱红伟 谢东垒 日期: 2015.12.18 目 录1. 摘要-22.关键字- 23.设计背景 -23.1 了解数字电路系统的定义及组成-23.2 掌握时钟电路的作用及基本构成-23.3 课程设计计划书-33.4设计要求-44. 设计方案的选择-45. 电路分析-65.1电路总体框图-65.2各模块组成及功能分析-65.3工作原理分析-66. 元器件清单-77. 各个模
2、块部分分析-77.1电源部分-77.2脉冲电路部分-87.3四种码产生电路-97.4彩灯控制电路-117.5信号输出电路-127.6总体电路图-138仿真界面-139.分析与总结-1610.参考文献-18循环彩灯控制器的设计1.摘要本次循环彩灯的设计制作由时钟信号CP电路、花型控制电路、花型演示电路、节拍控制电路构成的集成电路来实现，其中花型控制电路由1614位二进制同步计数器完成，花型演示电路由195 双向移位寄存器完成（可左移右移完成花型变化），节拍变化由151八选一数据选择器完成，节拍的快慢变化可有74双上升沿D触发器完成，它可实现二分频。2.关键字循环彩灯、时钟信号CP电路、花型控制电
3、路、花型演示电路、节拍控制电路。3.设计背景 3.1了解数字电路系统的定义及组成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。在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。 3.2掌握时钟电路的作用及基本构成时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电
4、路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。比如多路可编程控制器中的 555 多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。3.3课程设计计划书课程设计题目循环彩灯控制器姓名申泽轩学号3班级测仪1302院部电气工程与自动化学院专业测控技术与仪器组员申泽轩、杨吉成指导教师朱红伟、谢东垒课程设计目的 1进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。 2熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。 3了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题
5、。 4培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。 5数点课程设计是大学中为我们提供的一次动手实践的机会，增强动手实践的能力。课程设计环境用proteus 仿真软件画出总体电路图、word编写课程设计报告课程设计任务和要求设计要求： 1. 8路彩灯能演示三种花型（花型自拟）； 2. 彩灯用发光二极管LED模拟； 3选做：实现快慢两种节拍的变换。设计任务：1设计电路实现题目要求；2电路在功能相当的情况下设计越简单越好；3. 注意布线，要直角连接，选最短路径，不要相互交叉；4. 注意用电安全，所加电压不能太高，以免烧坏芯片和面包板。课程设计工作进度计划序号起止日期工 作 内 容12015年12月8
6、日2015年12月10日选择设计题目并阅读相关文献、资料，学习使用proteus22015年12月11日2015年12月12日根据设计任务和要求，做出大纲和目录32015年12月13日2015年12月14日根据目录做出设计内容42015年12月15日2015年12月16日根据设计内容用proteus画图52015年12月17日整理课程设计的格式与内容62015年12月18日打印并装订3.4设计要求设计一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路。基本要求设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现：(1) 彩灯一亮一灭,从左向右移动(2) 彩灯两亮两灭，从左向右移动(3) 四亮四灭，从左向右移
7、动(4) 从18从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭(5) 四种花样自动变换。主要参考元器555,74LS161，74LS74,74LS153,74LS1644. 设计方案的选择 针对题目设计要求，经过分析与思考，拟定以下二种方案：方案一：总体电路共分三大块。第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现时钟信号的产生。主体框图如下： 时钟信号CP产生电路花型控制电路花型演示电路方案二：在方案一的基础上将整体电路分为四块。第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现节拍控制；第四块实现时钟信号的产生。并在部分电路的设计上与方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。主体框图如下：根据
8、所提供的实验器材各模块总体思路如下：时钟信号CP电路：参见高等教育出版社 王淑银主编的数字电路与逻辑设计课本P404图10-3-6（a）;花型控制电路：由1614位二进制同步计数器完成；花型演示电路：由195 双向移位寄存器完成（可左移右移完成花型变化）；节拍控制电路：节拍变化由151八选一数据选择器完成，节拍的快慢变化可有74双上升沿D触发器完成，它可实现二分频。总体方案的选择方案一与方案二最大的不同就在，方案一是基于基本要求而设计的，方案二加入了节拍的变化，花型控制电路和花型演示电路的CP都是节拍控制之后的CP。两种方案的基本思路相同，将整个设计电路的功能模块化，设计思想比较简单。元件种类
9、使用少，且都较熟悉易于组装电路。这么设计的出发点是：电路设计模块化，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试都很方便。花型控制电路简单，花型也比较简单。由于在设计的构想时期，已经确定将电路模块化，设计的过程中又已经将节拍控制电路设计出来，通过仿真软件也实现了设计要求分频。方案二同时完成了选做的要求，只要确保每一模块实现其功能方案二并不难也不复杂，为了确保短时间内完成课程设计和高效率，我选择了方案二。5. 循环彩灯控制器电路分析5.1电路工作总体框图交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图1 所示，有电源电路，脉冲电路，分频电路，倒计时电路，状态控制电路，灯显示电路。图1 彩灯控制器系统框图5.
10、2 各模块的组成及功能分析1.时钟电路：由两个555和电阻电容组成，构成两个多谐振荡器，一个周期为0721秒，控制计数器和寄存器，另一个周期为14.01秒，控制双D触发器。 2.四种码产生电路:由模十六计数器74LS161产生四种码。 3.自动转换控制电路：由双D触发器74LS74和四选一数据选择器74LS153组成，双D的两输出端接数据选择器的地址输入端，它能产生两位循环二进制码，每改变一种状态，数据选择器选择一种码输出，使彩灯花样自动循环。 4.数据输出电路：由八位移位寄存器74LS164和八个彩灯组成，选择输出的每一种码输入到寄存器的数据输入端，使码在寄存器的八个输出端自左向右移动，实现
11、彩灯的花样。5.3 工作原理分析从多谐振荡器出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送到模十六计数器；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器。调节多谐振荡器的电阻可以改变震荡频率，即改变彩灯移动的速度，得到不同的动态效果。 时钟电路、四种码产生电路、数据输出电路、自动转换控制电路、时钟电路、多谐振荡器、双D触发器、数据选择器共同组成一个电子开关。多谐振荡器输出的计数脉冲经双D触发器两位二进制计数器，在它的两个输出端得到00、01、10、11四种逻辑状态。这四个状态作为数据选择器的四个数据通道选择信号，对应从模十六计数器输送到数据选择器的QA，QB，QC，QD四个分频信号。其作用相当于一个受控的一
12、刀四位的机械转换开关。当双D触发器输出为“00”时，数据选择器输出序列脉冲，为八分频信号，实现花样一；为“10” 时，数据选择器输出序列脉冲，为八分频信号，实现花样二；为“01” 时数据选择器输出序列脉冲，为八分频信号，实现花样三；为“11” 时数据选择器输出00000序列脉冲，为十六分频信号，实现花样四。调节开关电路的CP脉冲产生电路的电阻，可以改变开关的切换时间用以选择每种花样出现时间的长短。 数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端，在时钟脉冲的作用下，数据在移位寄存器的八位并行输出端从Q0到Q7顺序移动。移动的八位控制信号直接控制发光二极管的亮灭，就出现了八路四花样自动循环切换的流水彩灯
13、。6. 元器件清单 74LS161（四位二进制同步计数器） - 1个； 74LS194（移位寄存器） - 2个； 74LS151（八选一数据选择器） - 1个； 74LS74- 1个； 74LS86- 1个； 74LS161- 1个；74LS153- 1个；74LS164- 1个； 发光二极管- 8个； NE555- 1个； 电容： 10f -1个；001f -1个； 电阻：1k- 1个；510- 8个；51k -1个； 实验板一块；万用表一个；钳子一个；导线若干。7. 各部分电路设计7.1电源电路电源供电模块采用6V供电，这是因为将四节5号干电池放到电池盒里面，即可提供6V电压。这完全满足该
14、课程设计的供电需求。故电源模块直接采用4连电池盒模块。如图2。图2 彩灯控制器电源模块7.2脉冲电路 时钟脉冲产生电路由NE555定时器、两个电阻和两个电容构成。555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它可以方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，由于使用灵活、方便，所以555定时器再波形的产生与变换、测量与控制等多种领域都得到广泛应用。时钟脉冲产生电路主要由555定时器芯片来实现。555定时器内部主要有以下几部分构成： （1）电阻分压器。由3个5 K的电阻组成。 （2）电压比较器。由C1和C2组成，当控制输入端悬空时，C1和C2的基准电压分别是2/3Vcc和1/3Vcc
15、。 (3)基本RS触发器。由两个与非门G1和G2构成，对两个比较器输出的电压进行控制。 (4)放电三极管VT。VT是集成极开路的三极管，VT的集成极作为定时器的引出端D。 (5)缓冲器。由G3和G4构成，以提高电路的负载能力。 引脚功能:1脚位接地端；2脚是低电平触发端入端；3脚是输出端；4脚是复位端；5脚是电压控制端；6脚是高电平触发端入端；7脚是放电端；8脚是电源端。用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,要用两个555产生两个时钟脉冲,两个时钟电路是相同的。一个控制74LS161模十六计数器和八位移位寄存器,要能看到彩灯的流动,为方便计算，其周期可先设为1秒,
16、电阻值和电容值可设为： W=R1 = 1k，R2 = 51k，C1 = 10uF=由公式（3-1）计算得：T=0.721s 参考【数字电子技术】 时钟电路的输出一路作为计数脉冲送到模十六计数器74LS161；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器74LS164。脉冲电路的具体电路部分如下：图3 脉冲产生电路7.3 四种码产生电路根据彩灯要实现的四种花样,可确定移位寄存器输出的二进制码,即四种码产生电路要产生的码，如下表所示：表 1 四种码要产生这四种码，可由十六进制计数器接组合逻辑门产生，十六进制计数器的真值表如表所示：表 2 计数器真值表由表分析得： Z1=Q3Q2Q1 Z2=Q3Q2 Z3=
17、Q3 Z4=Q4所以四种码产生电路如图：图4 四种码产生电路7.4彩灯控制电路要实现彩灯四种花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4。使双D触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双D触发器能产生00、01、10、11这四钟循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四种花样循环。控制电路如下图：图5 控制电路令Q1Q2=AB，74LS153数据选择器的功能表如表3所示：表3 数据选择器功能表由表可知，数据选择器的地址输入端A、B循环转变，输出端1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四种花样自动循环改变。参考【中国集成
18、电路大全】7.5闪烁模式输出电路输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。 当输入移位寄存器数据输入端的码为时，清零后在移位脉冲CP的作用下，寄存器数码移动情况如表所示：表 4 寄存器数据移动情况表由表可看出，输入码中的那位高电平“1” 从寄存器的输出端QA经八个移位脉冲CP作用后逐渐到了QH，使输出端所连接的彩灯依次点亮，实现了彩灯依次点亮的花样。当输入另外的三种码时，寄存器的数码移动原理相似。参考【中国集成电路大全】7.6总体电路图图6 循环彩灯控制
19、器8. 仿真 参考【Proteus电路设计】PROTEUS软件环境下仿真结果如下：图7 彩灯一亮一灭图8 彩灯两亮两灭 图9 四亮四灭 图10 18依次点亮9.分析与总结 从本次课程设计中我收获很多。可以总结为以下的几点：一巩固数电知识这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识，在整个实习过程中，都离不开对数字电路课程知识的再学习。我在最开始，就先将实习用到的知识通过翻阅数电书回顾了一遍（这也是对这门课的复习，给以后的复习备考减少了很多负担），这样的回顾让我对知识的理解更加透彻，对后来的快速设计起了很好的铺垫作用。而且还参考了数字电路实验指导书， 关于芯片的管脚，里面有清晰的描述。二
20、学会用电路板、芯片、导线等组装各种功能的电路；虽然这不是第一次用电路板，因为之前的课内实验也用过，但当时的运用也只是插些导线和电阻电容之类的，用了电路板的很小部分。这次的实习中应用了整块板子，实习后对电路板的组成完全了解了，并能熟练运用。实习中通过对电路的连接也懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的放置芯片在最合适的位置。在导线的连接上，如何选择导线走向是关键，我们应该尽量保证所连电路的简捷，宁短勿长，合理布线。一个完美的作品不仅要能很好的完成要求实现功能，还要在感官上给人美的享受。所以站在美的角度对自己的电路进行改良是很必要的。三理论联系实际据老师介绍，这是大学里唯一一次比
21、较大型的动手实践机会。我当然不会错过。课程设计，通过选择的题目，根据要求，运用所学知识将其付诸实践来完成。这并不是在课堂上的单纯听懂，或者课后看书过程中的深入理解，这需要的是一种理论联系实践的能力。理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论，而实际的动手操作则完全不同，需要考虑实际中的很多问题。有些知识在理论上可能完全没错但到了实际中则不然。比如在动笔做题时我们是不用考虑导线、电阻是否连接的牢固合理，但在实际中，导线电阻有时是会带来时延造成花型变化的错乱，所以我们应尽量在连接电路时选择最短路径。平时试验中，我就很认真，所以会比平时不动手的要轻松地多。四和同学共同合作、互相学习、共同进步最初大家没
22、思路的时候，特别的着急，我想出来了，大家问我，我就说了我的思路，我们不是抄袭，只是探讨，每个人都理解了才开始设计，我做的循环两遍，他们的都不是。我们的设计不同，我只是给大家启发了一个思考点。理论上我先设计出来，但在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题，请教同学或老师是很好的做法，节省时间，也会从别人身上学到更多。在设计时和同学相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的idea，其他人的设计也可能有比你出色的地方，很好的借鉴，并在大家的商讨中选择最优方案最终一定会得到最好的设计方法。总结本次试验中包括CP的产生电路用的555芯片，基本电路
23、我用了7个芯片（一片555、两片161、两片194、一片00、一片04），分频电路用74和151实现，一共用了9个芯片。是目前我想出的用最少的器件，最简单的布线来实现所要求的功能。从电路图的设计、实现、仿真、实验报告，都是自己思考和动手。掌握了ModelSim软件的操作，用所学习过的芯片设计电路，并用面包板来实现，实现的过程中排错、检查的能力也得到锻炼。总而言之，好好利用了学校给我们提供的此次实习的机会，努力按要求完成了任务，提高了自己的综合思考能力和动手实践能。感觉在这段时间中自己学会了很多东西，如设计电路最重要的是思路要清晰，一旦有了自己的思路就应该有层次有条理的探索下去，只要坚持自己的观
24、点和判断，就一定能实现，即便最后发现走进了死胡同，但是探索设想与求证的过程却是通往另一条道路必不可少的环节。经过这次试验，终于感觉到了理论与实际的差别有多大了，当然这个过程也是非常的考验人的，不仅仅是考察你的理论知识，动手能力，以及检查问题并解决问题的能力，更是在考验一个人的耐心，细心。在连接电路的过程中，丝毫不得马虎，必须清楚的了解每个芯片的管脚分布图，功能表。说实话，在实验过程中出现问题并不可怕，可怕的是在反复的受挫中没有革新，不能改进自己的方法和思路。因此自己应该具有创新思维。通过这次课程设计，我对电子技术中的诸多知识有了更深层次的理解，也初步学会了如何将理论知识有机地与实际结合加以运用。这是一次获益匪浅的实习。10.参考文献1 -高等教育出版社 王毓银编2 -北京邮电学院出版社 高书莉编3童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2005. 4臧春华.电子线路设计与应用M.北京:高等教育出版社,2005.5邱关源 罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.6阎 石.数字电子技术（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.7张阳天 韩异凡Protel DXP电路设计M.北京：高等教育出版社，2005专心-专注-专业