数字电路课程设计之四花样彩灯控制器

1课程设计说明书课程设计名称：数字电路课程设计课程设计题目：四花样彩灯控制器学院名称：信息工程学院专业：班级：学号：姓名：评分：教师：20年月日2数字电路课程设计任务书2012－2013学年第一学期第6周－7周注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。题目四花样彩灯控制器内容及要求〖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，从左向右移动(4)从1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭(5)四种花样自动变换。〖主要参考元器件〗555,74LS93，74LS74,74LS153,74LS164进度安排1.布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备：2天；2.领元器件、制作、焊接：3天3．调试＋验收：2.5天4.提交报告：2012-2013学年第一学期9～13周学生姓名：、指导时间：第6～7周指导地点：E楼、室任务下达2012年、月、日任务完成2012年、月、日考核方式1.评阅□2.答辩□3.实际操作□√4.其它□指导教师、系（部）主任、3目录前言……………………………………………………………………………………、第一章设计要求………………………………………………………………………、1.1设计课题及要求…………………………………………………………、第二章系统组成及工作原理………………………………………………………、2.1系统组成框图………………………………………………………………、2.2工作原理分析……………………………………………………………、第三章电路方案设计…………………………………………………………………、3.1电路图设计…………………………………………………………………、3.2方案比较…………………………………………………………………、第四章单元电路设计与计算……………………………………………………、4.2四种码产生电路…………………………………………………………、4.3彩灯自动转换控制电路……………………………………………………、4.4花样输出电路………………………………………………………………、第五章实验、调试及测试结果分析……………………………………………、结论…………………………………………………………………………………、参考文献…………………………………………………………………………、、4、第一章设计要求1.1设计课题及要求（一）题目：四花样彩灯控制器（二）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，从左向右移动；(4)从1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭；(5)四种花样自动变换。（三）主要参考元器：NE555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，与门74LS08，非门74LS04，四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164。5第二章系统组成及工作原理2.1系统组成框图把四花样彩灯设计分为几个独立的功能模块进行设计,每一个模块完成特定的功能,再把它们有机的组织起来构成一个系统完成彩灯控制器的设计。系统可由四个模块组成，它们分别是：四种码产生电路、开关电路、数据输出、时钟电路。设计框图如图2.1所示：各模块的组成及功能分析1.四种码产生电路:由模十六计数器74LS161、与门74LS08和非门74LS04组成，计数器的四个输出端接组合逻辑门从而产生四种码。2.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。3.数据输出电路：由八位移位寄存器74LS164和八个彩灯组成，选择输出的分频计数器数据选择器移位寄存器多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器开关电路输出图2.1系统组成框图6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，实现彩灯的花样。4.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0．721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2.2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。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10000000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11000000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11110000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1111111100000000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。7第三章电路方案设计循环彩灯电路设计方案有多种，这里考虑以下两种方案：方案一：用模十六计数器74LS161的输出端的最高位QD作为双D触发器的时钟，可以少用一个555定时器。计数器每计八个数，QD由低电平变为高电平，双D触发器的状态改变，四选一数据选择器74LS153选择下一种码输出，彩灯变为另一种花样，以后四种花样循环改变。如图3.1所示:图3.1比较方案1电路图该方案设计原理符合逻辑，简单易懂使电路更清晰，增强了电路的可靠性，故选择该方案。U1A74LS04D21U1B74LS04D43U1C74LS04D65U1D74LS04D89U2B74LS08D456U2C74LS08D9108U42Y92C0102C1112C2122C313A14B2~1G11Y71C061C151C241C33~2G1574LS153DU6QA3QB4QC5QD6A1B2~CLR9CLK8QE10QF11QG12QH1374LS164DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U374LS161DU7A1D21Q5~1Q6~1CLR13~1PR474LS74DU7B2D122Q9~2Q8~2CLR1311~2PR1074LS74D8方案二：该方案采用的是单片机原理，需要连的线比较少，图纸简洁，重在编程环节，因而容易实现四花样自动切换的彩灯控制器的设计。但是。只看原理图是不好理解设计思路的，尤其是在没有学过单片机的情况下，故不采用该方案。电路图如下：XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115U180C51R11kQ1PNPLS1SPEAKER+5VX1CRYSTALC122pC222p+5VC310uR22kR3220RR4220RR5220RR6220RR7220RR8220RR9220RR10220RD1LED-BLUED2LED-GREEND3LED-REDD4LED-YELLOWD5LED-BLUED6LED-GREEND7LED-REDD8LED-YELLOW234567891RP1RESPACK-8+5V模式控制键加速减速显示当前模式图3.2比较方案2电路图9第四章单元电路设计与计算4.1时钟脉冲产生电路时钟脉冲产生电路由555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定时器在波形的产生于变换、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。时钟电路图如图4.1所示:图4.1时钟电路用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,其周期为:T=0.7(R1+2R2)C………………………(4-1)U11DIS7OUT3RST48THR6CON5TRI2GNDVCC555_VIRTUALR11kohmR251kohmC10.01uFC210uF5VVCC10要用两个555产生两个时钟脉冲,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,其周期设为1秒左右,电阻值和电容值可设为：R1=1KΩ，R2=51KΩ，C=0.01μF由公式（4-1）计算得：T=0.721S时钟电路的输出一路作为计数脉冲送到模16计数器74LS161；另一路作为移位时钟脉冲加到移位寄存器74LS164.另一个555产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换,其周期设为模十六计数器的20倍,改变R1、R2的阻值即可，可设为：R1=1KΩ，R2=1MΩ，C=0.01μF由公式（4-1）计算得：T=14.42S114.2四种码产生电路四种码产生电路如图4.2所示U1QA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2~CLR1~LOAD974LS161NU2A12374LS08N&U2B45674LS08N&211U3A74LS04N431U3B74LS04N651U3C74LS04N891U3D74LS04N5VVCC图4.2四种码产生电路根据彩灯要实现的四花样,可确定移位寄存器输出的二进制码,即四种码产12生电路要产生的码，如表4-1所示：表4-1四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4-2所示工作原理：四种码产生电路由74LS161构成十六位计数器。74LS08是2输入四与门集成电路芯片，74LS04是带有4个非门的芯片，用来控制和改变74LS161输出的数据，使计数器迅速复位。最终产生四种不同的码，来实现彩灯的四花样。数据从74LS161十六位计数器的输出端QA,QB,QC,QD输出，经过与门和非门用来控制和改变74LS161输出的数据，最终输入到四选一数据选择器74LS153的数据输入端IC0,IC1,IC2,IC3。花样状态要求周期（位）码1一亮一灭，从左向右移动8100000002两亮两灭，从左向右移动8110000003四亮四灭，从左向右移动8111100004从1～8从00左到右逐次点亮，然后逐次熄灭16111111110000000013表4-2计数器真值表序号原状态[S(t)]Q4Q3Q2Q1次态[N(t)]Q4Q3Q2Q1输出Z1Z2Z3Z414由表4-2分析得：Z1=Q3Q2Q1Z2=Q3Q2Z3=Q3Z4=Q44.3彩灯自动转换控制电路要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153