彩灯控制系统说明书.docx
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彩灯控制系统说明书
电子技术课程设计
设计报告
题目：
彩灯控制电路
姓名：
学号：
班级：
计算机科学与技术1班
指导教师：
日期：
2013.1.10
摘要
随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。
用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。
在这样的大环境下，我们需要开发出更加时尚，而且电路简单，功能更多的多路彩灯控制器，使得它能在不同的场合，不同时间段，能够有不同的闪烁频率。
通过对数字电子技术课程所学的基础理论知识的认识、了解与掌握。
本设计将采用几个基本的数字集成的74系列（74LS161,74LS151,74LS193,555）芯片来完成所需要的数字逻辑显示功能。
设计过程中，先进行单元电路的设计，再进行总体方案的设计，通过几个方案的对比，得出最佳方案来设计总电路图。
设计的思想是以最少的芯片数量，制作成体积小、功耗低，并且具有很好的可靠性和可扩展性。
关键字计数器；数据选择器；移位寄存器
一、设计的任务与要求
1.1设计任务
四路彩灯从左向右逐次渐亮，间隔为1秒。
四路彩灯从右向左逐次渐灭，间隔为1秒。
四路彩灯同时点亮，时间为0.5秒，然后同时变暗，时间为0.5秒,反复4次
课程设计作为数字电子技术课程的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握数字系统设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。
按照本专业培养方案要求，在学完专业基础课数字电子技术课程后，应进行课程设计，其目的是使学生更好地巩固和加深对基础知识的理解，学会设计小型数字系统的方法，独立完成系统设计及调试，增强学生理论联系实际的能力，提高学生电路分析和设计能力。
通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。
1.2设计要求
1.教学基本要求
要求学生独立完成选题设计，掌握数字系统设计方法；完成系统的组装及调试工作；在课程设计中要注重培养工程质量意识，按要求写出课程设计报告。
2.能力培养要求
（1）通过查阅手册和有关文献资料培养学生独立分析和解决实际问题的能力。
（2）通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节，掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
（3）掌握常用仪器设备的使用方法，学会简单的实验调试，提高动手能力。
（4）综合应用课程中学到的理论知识去独立完成一个设计任务。
（5）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
二、系统设计
系统总框架
图一简化设计框图
说明：
用555电路产生1Hz的时钟信号。
根据设计要求需要进行12种状态间的循环转换，所以采用74161的计数功能实现上述状态间的转换。
将74161的输出给74151进行选择输出。
将74151的输出给74194，根据74151输出的不同结果使得74191选择左移和右移以实现前8种状态的变换。
后4种状态（闪烁），根据电路的设计，此时的74151不工作，状态转换是由555电路输出的时钟信号变换以及之间的逻辑门的运算实现的。
在以上芯片的共同作用下实现彩灯的左移、右移和闪烁。
三、方案选择与论证
我选择的方案是用555电路提供1Hz的时钟脉冲信号，利用十六进制计数器74161、8选1数据选择器74151和双向移位寄存器74194共同实现。
因为题目要求的时间间隔为1秒，所以先用555电路设计产生1Hz的时钟脉冲信号。
分析题目可以将彩灯系统分为12种状态，前4个状态彩灯依次点亮，中间4个状态彩灯逐个熄灭，后4个状态彩灯闪四下，利用74161的计数功能可以实现12种工作状态的循环（输出端从0000到1011依次循环变换）。
由题目可得彩灯要先从左向右逐个点亮，再从右向左逐个熄灭，这里可以用移位寄存器74194实现。
通过将74161的Q0、Q1、Q3输入到74151，再通过8选1分别将输出的D0~D7（11110000）输入到74194来，通过控制S0、S1（通过非门使得S0和S1的取值相反，S0=1，S1=0时右移，S0=0，S1=1时左移）的取值，从而实现前四个状态进行右移，后四个状态进行左移。
同时向右移动时右移移入信号应接高电平；向左移动时左移移入信号应接低电平。
至此可以完成前8个状态。
最后4个闪烁状态，是通过555输出的时钟脉冲和门电路实现的。
因为一个时钟周期时间为1秒，所以每个周期都有0.5秒的高电平，0.5秒的低电平，我的设计就是利用这一点，通过门电路实现了彩灯的0.5秒亮0.5秒灭，从而实现闪烁效果。
根据我的设计方案，我用Multsim进行了仿真，验证了我的设计方案切实可行。
四、单元电路设计
1.555定时器
图二555引脚图
图三555时钟脉冲信号（1Hz）图
R1=51K；
R2=47K；
端口TRIGGER连接的是10uf电容；
端口CONTROL连接的是0.1uf电容；
由此产生的输出脉冲信号频率为1Hz。
（f=1.43/[（R1+2R2）*C1]
2.计数器74161
图四74161引脚图
图五74161计数功能实现图
计数器要把整个电路的工作状态控制在十二个状态的循环里，因此Q3Q2Q1Q0应在0000～1011之间循环，因此置数端接到Q3Q1Q0上，D0、D1、D2、D3都接0。
3.8选1数据选择器74151
图六74151引脚图
图七74151选择功能实现图
通过74161的输出控制74151的输入（CBA），使得74151依次输出D0~D7（D0~D3均等于1,D4~D7均等于0）。
当计数器74161计数到9时，即QD=1,此时74151的使能端=1,74151停止工作，直至74161输出的QD=0（到下一轮循环）。
4.双向移位寄存器74194
图八74194引脚图
图九74194移位寄存功能实现图
前4个状态（输出D0~D3）S0=1，S1=0，SR=1，实现右移高电平；后4个状态（输出D4~D7）S0=0，S1=1，SL=0，实现左移低电平。
计数器第9个状态后，151停止工作，此时194的输出为0000。
五实验过程与结论
1.构思
根据题目要求，并参照数字电子技术课本和实验指导书，依据相应芯片的功能，我有了基本的设计框架，就是用74161实现12种状态的计数；用74151通过8选1的选择输出，实现对左移右移的控制；用74194的移位寄存功能实现彩灯的前8个状态。
后4个闪烁状态则利用555时钟脉冲信号和门电路实现。
2.仿真
根据自己的设计构造出相应的电路，并在Multisim中进行仿真，验证是否正确。
3.实现
1）选择题目后，通过阅读《数字电子技术课程设计指导书》和《数字电子技术基础》等相关资料，确定设计思路，并熟悉自己实验所需芯片管脚图和真值表；
2）构造555时钟脉冲。
进行参数计算，可得用47K和51K电阻以及0.1uF和10uF的电容恰能产生1Hz的脉冲；
3）在Multisim中建立彩灯系统的原理图，通过仿真，查看结果，验证自己的电路结构。
4）画芯片各器件间的管脚图，将芯片在面包板上的排布方式以及各个引脚之间的接法都画出来，形成清晰的思路；
5）在面包板上连接电路，根据之前排好的方式将芯片插好，然后接线。
6）在数字实验箱上完成第一步测试，利用实验箱上的时钟信号和电源，观察结果
7）上一步没有错误可以进行下一步，如果没有得到预想的通过在实验箱上的检查，更改错误。
8）给电路5v直流电压，观察结果和修改电路。
9）提交结果，完成答辩
六心得体会
该电路的设计基本上完成了课程设计题目所要求的功能，但是仍然存在一定的不足之处，例如，在灯按照序号从L0到L9依次灭的时候，在灯L2、L3、L4灭的时候会出现短暂的闪烁。
同时，在设计这个电路的时候遇到了许许多多的问题，例如：
怎样能使10路彩灯能够自动循环点亮，又怎样控制，怎样把这些模块电路连接起来等等问题。
这些问题都是要经过上网查找资料，了解芯片的功能，在草稿纸上一遍又一遍的画出电路图，经过化简后再在软件multisim10上做出相应的电路图。
在这次的课程设计中，我收获很大，具体有以下几方面：
1.学以致用。
在学习数字电路的过程中，上课我们都是些理论上的东西，并且在做实验的过程中也是照着书本上给出设计好的电路连线，不需要自己设计，一直都没有运用到自己所学的知识来设计一个电路。
而这次的课程设计真正让我们通过自己的知识和努力，通过自己查阅资料、分析来解决问题。
这不但能巩固我们所学的理论知识，又能提高我们的实践能力。
2.学会分析解决设计上的问题。
在设计电路的过程中，每一步都要自己去思考分析，遇到问题时，经常都要经过多次的尝试来解决改善问题，有时一点微小的错误都会影响到结果的正确以否，而这些微小的错误经常都是很难发现，这就需要我们学会仔细分析问题。
3.懂得了如何去安装调试电路。
设计电路，关键步骤还在于解决实际遇到的问题，安装调试出正确的结果，这一步是至关重要也是最为困难的。
很多时候，理论分析正确，调试却不一定正确，这关键也在于调试过程是否正确。
我们必须遵循一些安装调试步骤，先单个调试，然后再整体调试，先局部再整体，切不可一次安装后调试，因为这样是很难查出错误来。
总之，这次的课程设计的收获是很大的，通过这几天的努力，终于设计出“彩灯控制器”的电路。
从开始的无从下手到熟悉各种芯片的功能，到尝试着设计各个单元电路，再到每个细节问题错误的改进和矫正，这里的每一步都是一个大大的提高，特别是许多的细节问题都是很棘手的。
但是结果证明，只要不断地努力，不断地思考，目标是一定会实现的。
七参考文献
1．《中国集成电路大全》编写委员会，中国集成电路大全TTL集成电路，北京国防工业出版社，1985
2．孙人杰，《电路数据手册TTL电路》电子工业出版社，1989
3．王毓银.数字电路逻辑设计（第三版）.北京：
高等教育出版社，1999
4．杨志忠.数字电子技术（第二版）.北京：
高等教育出版社，2000
5．胡宴如.高频电子线路（第三版）.北京：
高等教育出版社，2005
6邓云祥.孟劲松《数字电路的设计》中国测试技术，2005年03期
7鲁欣,赵亦工,徐秀红.《数字电路设计方案的比较与选择》.北京：
信息产业部电子第六研究所，2002
附录I：
总原理图
附录II：
multisim仿真图
附录III：
元器件清单
名称
型号
数量
十六进制计数器
74LS161
1
双向移位寄存器
74LS194
1
8选1数据选择器
74LS151
1
555定时器
NE555
1
2输入端四或非门
74LS02
1
六反相器
74LS04
2
2输入端四与非门
74LS00
1
四输入与非门
74LS20
1
电阻
47千欧
1
51千欧
1
电容
10uf
1
0.1uf
1
发光二极管
4
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