數(shù)字邏輯課程設計~四花樣彩燈控制器

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著科技日新月異的發(fā)展，在現(xiàn)代生活中，彩燈作為一種景觀，安裝在建筑物的適當?shù)胤揭皇亲鳛檠b飾增添節(jié)日氣氛，二是有一種廣告宣傳的作用；用在舞臺上增強晚會燈光效果。對動態(tài)燈光實時控制的裝置很多。這些控制裝置被控燈光系統(tǒng)按設定的變化方案進行亮、滅燈控制，形成各種燈光圖案，有時還配以和諧的音樂，使光、聲、色的綜合藝術效果。此次，我們主

2、要通過小型的數(shù)字集成器來設計更為實用的彩燈控制器。</p><p>　　本次課程設計基本要求設計一個四花樣自動切換的彩燈控制器，要求實現(xiàn)(1)彩燈一亮一滅,從左向右移動；(2)彩燈兩亮兩滅，從左向右移動；(3)四亮四滅，從左向右移動；(4)從1～8從左到右逐次點亮，然后逐次熄滅；(5)四種花樣自動變換。</p><p>　　通過對課設的分析得知，首先要實現(xiàn)的是四種彩燈花樣的四種碼，花樣的顯

3、示，以及四種花樣之間與彩燈右移的頻率產生等要點進行一一分析與實現(xiàn)，時鐘信號由兩個555產生，一個矩形脈沖控制模十六計數(shù)器74LS161和八位右移寄存器74LS164,另一個脈沖控制雙D觸發(fā)器。當彩燈完成一種花樣時，雙D觸發(fā)器輸出狀態(tài)改變，數(shù)據(jù)選擇器選擇另一種碼輸出，彩燈變?yōu)橄乱环N花樣，直到完成四種花樣再循環(huán)變化。</p><p>　　此外，本次課設對于全部的設計實現(xiàn)后，進行了要求提高，即每次花樣完成后實現(xiàn)小彩燈的

4、全滅，從而轉接下一個花樣。</p><p>　　【關鍵詞】彩燈控制 花樣轉換 脈沖產生</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要 …………………………………………………………………………… 1</p><p>　　前言 …………………………………………………………………………… 3<

5、/p><p>　　第一章 設計要求 …………………………………………………………… 4</p><p>　　1.1 設計課題及要求 …………………………………………………… 4</p><p>　　第二章 系統(tǒng)組成及工作原理 ……………………………………………… 5</p><p>　　2.1 系統(tǒng)組成框圖 ………………………………………

6、……………… 5</p><p>　　2.2 工作原理分析 ……………………………………………………… 5</p><p>　　第三章 電路方案設計 ……………………………………………………… 7</p><p>　　3.1 電路圖設計 ………………………………………………………… 7</p><p>　　3.2 方案比較 …………

7、………………………………………………… 7</p><p>　　第四章 單元電路設計與計算 ………………………………………………9</p><p>　　4.1 555時鐘脈沖產生電路 …………………………………………… 9</p><p>　　4.2 四種碼產生電路 …………………………………………………… 10</p><p>　

8、　4.3 彩燈開關電路 ……………………………………………………… 12</p><p>　　4.4 花樣輸出電路 ……………………………………………………… 13</p><p>　　第五章 實驗、調試及測試結果分析 …………………………………………15</p><p>　　5.1 結果的調試及分析……………………………………………………15</p&g

9、t;<p>　　結論………………………………………………………………………………16</p><p>　　參考文獻 …………………………………………………………………… 17</p><p>　　附錄1 花樣彩燈控制器的原理總圖 ………………………………………18</p><p>　　附錄2 元器件清單 ………………………………………………

10、……………20</p><p>　　附錄3 芯片的引腳圖 …………………………………………………………21</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　科學技術是第一生產力。以前的三次工業(yè)革命就使我們的社會發(fā)生了翻天覆地的變化，使我們由手工時代進入了現(xiàn)代的電器時代。同時科技在國家的國防事業(yè)中發(fā)揮了重要的作用，只有科技發(fā)展

11、了才能使一個國家變得強大。而作為二十一世紀的主義，作為一名大學生，不僅僅要將理論知識學會，更為重要的是要將所學的知識用于實際生活之中，使理論與實踐能夠聯(lián)系起來。電子課設是電子技術學習中非常這哦那個要的一個環(huán)節(jié)，是將理論與實踐相結合的環(huán)節(jié)，是真正鍛煉學生實踐能力的環(huán)節(jié)。</p><p>　　數(shù)字電路課程設計對我們而言是一種全面的、綜合地訓練，它要求我們通過自己所學過的內容按要求去設計電路，并且要將所設計的電路焊接出

12、來，這很大程度上提升了我們的問題分析能力、資料查找與整理能力和動手能力。它比平時的習題更復雜也更接近實際，在這其中很多問題都是我們在學習理論時所不曾遇見的，它使我們更好地深化理解和靈活掌握教學內容。通過這一綜合訓練培養(yǎng)了學生嚴肅認真的工作態(tài)度和科學作風,為今后從事電路設計和研制電子產品打下初步基礎，檢驗學生的理論實踐的能力，動手能力，分析和處理問題的能力，自學能力。通過本次課設提高了大家的動手和動腦能力，增強了大家對電子方面的學習興趣及

13、自學能力，本次課程設計使大家學到了很多，知道了自己在哪一方面的不足，為今后的學習提供了方向，使大家有了個質的提高。</p><p><b>　　設計要求</b></p><p>　　1.1 設計課題及要求</p><p>　　課設題目：四花樣彩燈控制器</p><p>　　（二） 基本要求：設計一四花樣自動切換的彩燈

14、控制器，要求實現(xiàn)</p><p>　　(1) 彩燈一亮一滅,從左向右移動；</p><p>　　(2) 彩燈兩亮兩滅，從左向右移動；</p><p>　　(3) 四亮四滅，從左向右移動；</p><p>　　(4) 從1～8從左到右逐次點亮，然后逐次熄滅； </p><p>　　(5) 四種花樣自動變換。&

15、lt;/p><p><b>　　主要參考元器：</b></p><p>　　74LS161 四位二進制計數(shù)器 1</p><p>　　74LS153 四選一數(shù)據(jù)選擇器 1</p><p>　　74LS164 八位移位寄存器 1

16、 </p><p>　　74LS04 六非門 1</p><p>　　74LS74 雙D觸發(fā)器 1 </p><p>　　555 計時器 2 </p><p

17、>　　第二章 系統(tǒng)組成及工作原理</p><p>　　2.1 系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　把四花樣彩燈設計分為幾個獨立的功能模塊進行設計,每一個模塊完成特定的功能,再把它們有機的組織起來構成一個系統(tǒng)完成彩燈控制器的設計。系統(tǒng)可由四個模塊組成，它們分別是：四種碼產生電路、花樣選擇電路、花樣輸出、時鐘電路。設計框圖如圖2.1所示：</p><p>　　由兩

18、個555（或函數(shù)發(fā)生器）構成兩個時鐘電路，由模十六計數(shù)器和組合邏輯門構成四種碼產生電路，由雙D觸發(fā)器和數(shù)據(jù)選擇器構成花樣選擇電路，由移位寄存器和八個彩燈構成輸出電路，一個時鐘控制模十六計數(shù)器和移位寄存器，另一個時鐘控制雙D觸發(fā)器。</p><p>　　2.2 工作原理分析</p><p>　　從多諧振蕩器出來的方波信號分為兩路：一路作為計數(shù)脈沖送到模十六計數(shù)器，讓其產生花樣所需的代碼；另

19、一路做為移位時鐘脈沖加到移位寄存器。調節(jié)多諧振蕩器的電阻可以改變震蕩頻率，即改變彩燈移動的速度，得到不同的動態(tài)效果。</p><p>　　多諧振蕩器、雙D觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器共同組成一個電子選擇電路。多諧振蕩器輸出的計數(shù)脈沖經(jīng)雙D觸發(fā)器兩位二進制計數(shù)器，在它的兩個輸出端得到00、01、10、11四種邏輯狀態(tài)。這四個狀態(tài)作為數(shù)據(jù)選擇器的四個數(shù)據(jù)通道選擇信號，對應從模十六計數(shù)器輸送到數(shù)據(jù)選擇器的QA，QB，QC，QD四

20、個分頻信號。其作用相當于一個受控的一刀四位的機械轉換開關。當雙D觸發(fā)器輸出為“00”時，數(shù)據(jù)選擇器輸出01010101序列脈沖，為八分頻信號，實現(xiàn)花樣一；為“01” 時，數(shù)據(jù)選擇器輸出00110011序列脈沖，為八分頻信號，實現(xiàn)花樣二；為“11” 時數(shù)據(jù)選擇器輸出11110000序列脈沖，為八分頻信號，實現(xiàn)花樣三；為“10” 時數(shù)據(jù)選擇器輸出1111111100000000序列脈沖，為十六分頻信號，實現(xiàn)花樣四。調節(jié)花樣選擇電路的CP脈沖

21、產生電路的電阻，可以改變開關的切換時間用以選擇每種花樣出現(xiàn)時間的長短。</p><p>　　數(shù)據(jù)選擇器的輸出端接移位寄存器的輸入端，在時鐘脈沖的作用下，數(shù)據(jù)在移位寄存器的八位并行輸出端從Q0到Q7順序移動。移動的八位控制信號直接控制發(fā)光二極管的亮滅，就出現(xiàn)了八路四花樣自動循環(huán)切換的流水彩燈。</p><p>　　第三章 電路方案設計</p><p><b>

22、;　　3.1 電路圖設計</b></p><p>　　將各單元電路組織起來就得到了系統(tǒng)電路圖，如附錄1圖1所示：</p><p>　　本電路圖設計簡單、結構清晰，可分為四種碼產生電路、開關電路、輸出電路和時鐘電路這四個模塊。四種碼產生電路由模十六計數(shù)器和組合邏輯門構成，開關電路由雙D觸發(fā)器和數(shù)據(jù)選擇器構成，輸出電路由移位寄存器和彩燈構成，時鐘電路由兩個555構成。</p&

23、gt;<p>　　通過改變多諧振蕩器的電阻可改變彩燈流動的速度和各花樣持續(xù)的時間，實現(xiàn)了彩燈花樣的動態(tài)變化，增強了控制器的靈活性。</p><p>　　但同時也存在一些問題，其一同時用兩個555來產生脈沖信號的話，比較容易產生干擾，尤其是短周期的脈沖信號，比較容易產生亂碼，導致彩燈不按照花樣亮滅。于是我們放棄一個短周期555，用信號源代替。第二是脈沖不易控制，導致花樣切換過程中有亂碼，影響美觀。&l

24、t;/p><p><b>　　3.2 方案比較</b></p><p>　　3.2.1 比較方案1：</p><p>　　在原方案的基礎上，用雙D觸發(fā)器的時鐘同時作為八位移位寄存器的清零信號，可以在一種花樣結束時，清空前一花樣的顯示，更加美觀一點。但前提必須修改555產生的方波信號的占空比，不然的話，由于164的清零為異步低電平有效，將會有一半的

25、時間清零。通過調整555，是的其產生的方波占空比為98%—99%，只切換花樣的一瞬間清零。比較方案1電路圖見附錄1圖2所示。</p><p>　　完成之后，效果比原方案確實好上不少。</p><p>　　但還是有問題，就是由于555的周期不易調整，導致一種新的花樣出現(xiàn)時，不一定從頭開始，導致開始亂碼，不美觀。</p><p>　　3.2.2 比較方案2：</

26、p><p>　　方案2因為時間問題未在硬件上實現(xiàn)，但是我們感覺最好的。</p><p>　　為了徹底解決周期問題，我們在老師的幫助下討論決定將555舍棄，另加一個161作為切換花樣的脈沖發(fā)生電路。</p><p>　　具體方案為：利用第二個161的進位信號來控制雙D觸發(fā)器和164的清零以及代碼產生161的清零。將代碼產生的161的進位段接到控制161的cp端，可以先將控

27、制161置為14，彩燈亮一個周期之后，代碼產生161將進位給控制161，控制161自加1，變?yōu)?5，再一個周期之后，控制161將產生進位，同時控制自己重新置數(shù)為14，而且將164清零，還控制雙D觸發(fā)器切換花樣。這樣就實現(xiàn)了一種花樣結束時才清零。另一種花樣出來時就是開始，沒有了亂碼。比較方案2電路圖見附錄1圖3所示。</p><p>　　具體實現(xiàn)需要加非門對進位信息進行調整。</p><p>

28、;　　第四章 單元電路設計與計算</p><p>　　4.1 時鐘脈沖產生電路</p><p>　　短時鐘脈沖建議使用函數(shù)發(fā)生器或試驗箱上的0.5秒脈沖</p><p>　　用555定時器構成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個周期性的矩形脈沖,其周期為:</p><p>　　T=0.7(R1+2R2)C………………………(4-1)</p&

29、gt;<p>　　要用兩個555產生兩個時鐘脈沖,一個控制74LS161模十六計數(shù)器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動,其周期設為0.6秒左右, 電阻值和電容值可設為：</p><p>　　R1=1KΩ R2=50KΩ C=10μF</p><p>　　由公式（4-1）計算得：T=0.707S</p><p>　　但是不支持這個信號用55

30、5，易亂碼。</p><p>　　電路圖如圖4.1所示:</p><p><b>　　圖4.1 時鐘電路</b></p><p>　　另一個555產生的矩形脈沖控制彩燈的自動轉換,其周期設為模十六計數(shù)器的周期倍最好,改變R1、R2的阻值即可，可設為：</p><p>　　R1=1KΩ ， R2=1MΩ ，C=10μF&l

31、t;/p><p>　　由公式（4-1）計算得：T=14.007S</p><p>　　僅僅是計算值，現(xiàn)實不會很準確，建議用電位器調節(jié)。</p><p>　　4.2 四種碼產生電路</p><p>　　根據(jù)彩燈要實現(xiàn)的四花樣,可確定移位寄存器輸出的二進制碼,即四種碼產生電路要產生的碼，如表4-1所示：</p><p><

32、;b>　　表4-1 四種碼</b></p><p>　　要產生這四種碼，可由十六進制計數(shù)器接組合邏輯門產生，十六進制計數(shù)器的真值表如表4-2所示：</p><p>　　表4-2 計數(shù)器真值表</p><p>　　當初大意，所有的輸出加上一個非門就更好啦。</p><p><b>　　由表4-2分析得：</b&

33、gt;</p><p>　　Z1=Q1 Z2=Q2 Z3=Q3 Z4=Q4</p><p>　　所以四種碼產生就是161的4個輸出，無需再加邏輯門調整。</p><p>　　4.3彩燈花樣切換電路</p><p>　　要實現(xiàn)彩燈四花樣的自動轉換，就要使四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153循環(huán)地輸出

34、Z1、Z2、Z3、Z4。使雙D觸發(fā)器的輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的兩個地址輸入端，雙D觸發(fā)器能產生00、01、10、11這四鐘循環(huán)的狀態(tài)，從而使選擇器循環(huán)的選擇一種碼輸出，實現(xiàn)彩燈的四花樣循環(huán)。</p><p>　　花樣切換電路圖如圖4.3所示：</p><p>　　圖 4.3 開關電路</p><p>　　令Q1Q2=AB，74LS153數(shù)據(jù)選擇器的功能表如表4-3所示

35、：</p><p>　　表4-3 數(shù)據(jù)選擇器功能表</p><p>　　由表4-3可知，數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端A、B循環(huán)轉變，輸出端1Y循環(huán)選擇四種碼Z1、Z2、Z3、Z4輸出，使彩燈的四花樣自動循環(huán)改變。</p><p>　　為了輸出花樣的順序是1 2 3 4，就需要調整163和153數(shù)據(jù)傳輸循序啦。</p><p>　　4.4 花樣輸出

36、電路</p><p>　　輸出電路由八位移位寄存器74LS164、八個彩燈和八個驅動電阻構成。寄存器的數(shù)據(jù)輸入端接收開關電路輸出的四種碼，這四種碼在移位寄存器的八位并行輸出端從QA向QH移動，輸出四種彩燈花樣。</p><p>　　當輸入移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端的碼為11110000時，清零后在移位脈沖CP的作用下，寄存器數(shù)碼移動情況如表4-4所示：</p><p>　

37、　表4-4 寄存器數(shù)碼移動情況表</p><p>　　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亮，實現(xiàn)了彩燈依次點亮的花樣。當輸入另外的三種碼時，寄存器的數(shù)碼移動原理相似，所以就不累贅了。</p><p>　　第五章 實驗、調試及測試結果分析</p><p>　　5.1結

38、果的調試及分析</p><p>　　1.調試使用的主要儀器: 示波器 函數(shù)信號發(fā)生器</p><p>　　2.測試電路的方法和技巧:</p><p>　　先檢查各芯片的電源和地是否接上，檢查線路是否連好；前面的檢查無問題后，再根據(jù)彩燈的變化情況，確定可能的原因，分析是哪個功能模塊出了問題，用數(shù)字萬用表檢查各模塊的功能，發(fā)現(xiàn)并改正錯誤，直到符合要求為止。<

39、;/p><p>　　3.調試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法：</p><p>　?。?）彩燈只有一種花樣變化，沒有其它的花樣：</p><p>　　原因可能是雙D觸發(fā)器74LS74不能產生周期性的兩位二進制碼或是555不能產生觸發(fā)雙D觸發(fā)器的CP脈沖，使雙D觸發(fā)器維持在一種狀態(tài)?？蓳Q一片好的74LS74芯片或檢查555CP脈沖產生電路，看是否產生周期性的CP脈沖，使雙D觸

40、發(fā)器產生四種循環(huán)的狀態(tài)，彩燈就能四花樣變化。</p><p>　?。?）彩燈無規(guī)律變化：</p><p>　　原因可能是四種碼的產生電路不能產生符合要求的四種碼，檢查模十六計數(shù)器的CP脈沖是否穩(wěn)定，看74LS161是否能計數(shù)，即QA、QB、QC、QD是否周期性的高低電平變化，前面沒問題，再檢查與門74LS08和非門74LS04是否能實現(xiàn)它們邏輯功能。</p><p>

41、;　?。?）彩燈的四種花樣都有，但中間有一些混亂的狀態(tài)：</p><p>　　原因可能是數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼之間的間隔大于彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間，使彩燈的一種花樣完成后并沒有進入另一種狀態(tài)，當進入另一種狀態(tài)時上一種狀態(tài)的多余碼進入下一個狀態(tài)，故出現(xiàn)了混亂的狀態(tài)?？筛淖冸pD觸發(fā)器的CP脈沖，即改變多諧振蕩器的電阻，使得一種花樣完成后，數(shù)據(jù)選擇器地址輸入端狀態(tài)改變，正好選擇另一組碼輸出，彩燈花樣改變。</p

42、><p><b>　　結 論</b></p><p>　　設計電路關鍵在于對設計要求的理解分析以及對基本電路相關知識的熟練掌握。設計電路時，將總體的功能分成若干個部分來實現(xiàn)，是簡化電路設計思路的很好方法；且搞清各個模塊的功能與實現(xiàn)要求操作的具體方法，對電路故障的檢查也是很有幫助。</p><p>　　通過這次設計，學到了很多東西，如查找資料，設計

43、比較，從各種圖中提取所需。焊接時學到了好多，如如何在一定大小的板子上正確擺放好芯片等，調試時也是，知道了用工具如萬用表來檢查、修復故障。</p><p>　　此外，這次課設還讓我們學到很多，也吸取了很多教訓。真正提高了動手能力，學會獲取資料，活躍了自己的思維，鞏固了所學知識。 </p><p><b>　　參考文獻</

44、b></p><p>　　[1]何小艇.電子系統(tǒng)設計.杭州：浙江大學出版社，2001</p><p>　　[2]雷勇.電工電子技術實驗.成都：四川大學出版社，2002</p><p>　　[3]王毓銀.數(shù)字電路邏輯設.北京:高等教育出版社,2006</p><p>　　[4]《中國集成電路大全》編寫委員會.中國集成電路大全《TTL集成電

45、路》.北京：國防工業(yè)出版社，1985</p><p>　　[5]陳先龍.電子技術基礎實驗.北京:國防工業(yè)出版社,2006</p><p>　　[6]宋萬年.模擬數(shù)字電路實驗.上海:復旦大學出版社,2004</p><p>　　[7]溫飛兵.電子技術實踐教程.湖南:長沙國防科技大學,2003</p><p>　　附錄1 花樣彩燈控制器原理總圖

46、</p><p>　　圖1 花樣彩燈控制器原理總圖 </p><p>　　圖 2 比較方案1原理總圖</p><p>　　圖3 比較方案2原理總圖 </p><p>　　附錄2 元器件清單</p><p>　　附錄3 芯片的引腳圖及其真值表</p><p>　　<74LS161功能表

47、></p><p>　　<74LS153功能表>四選一數(shù)據(jù)選擇器</p><p>　　<74LS164功能表>八位移位寄存器</p><p>　　<74LS08 功能表>四二輸入與門</p><p>　　5 .<74LS74功能表>雙D觸發(fā)器</p><p>　　&