多彩循環(huán)彩燈控制器設(shè)計 精品.doc

課程設(shè)計任務(wù)書題 目: 循環(huán)彩燈控制器 初始條件：1. Quartus4.1以上版本軟件；2. 課程設(shè)計輔導資料：“數(shù)字電路EDA入門”、“VHDL程序?qū)嵗薄ⅰ癊DA技術(shù)與VHDL”、“EDA與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”等；3. 先修課程：電路、電子設(shè)計EDA、電子技術(shù)基礎(chǔ)等。4. 主要涉及的知識點： 門電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路等。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1. 課程設(shè)計時間：1周；2. 課程設(shè)計內(nèi)容：根據(jù)指導老師給定的題目，按規(guī)定選擇其中1套完成； 3. 本課程設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)要求：研讀輔導資料對應(yīng)章節(jié)，對選定的設(shè)計題目進行理論分析，針對具體設(shè)計部分的原理分析、建模、必要的推導和可行性分析，畫出程序設(shè)計框圖，編寫程序代碼（含注釋），上機調(diào)試運行程序，記錄實驗結(jié)果（仿真結(jié)果），并對實驗結(jié)果進行分析和總結(jié)。具體設(shè)計要求包括： 復習EDA的相關(guān)技術(shù)與方法； 掌握VHDL或者Verilog語言，并要求能編寫程序。 Quartus軟件的使用：掌握程序編輯、編譯、調(diào)試、仿真方法。 設(shè)計相關(guān)簡單的電路，完成既定的功能。4. 課程設(shè)計說明書按學?！罢n程設(shè)計工作規(guī)范”中的“統(tǒng)一書寫格式”撰寫，具體包括： 目錄； 彩燈電路相關(guān)的理論分析、歸納和總結(jié)； 循環(huán)彩燈控制器的結(jié)構(gòu)組成及原理分析。 程序設(shè)計框圖、程序代碼（含注釋）； 給出程序中主要函數(shù)或者語句的功能說明和使用說明； 給出程序仿真運行結(jié)果和圖表、以及實驗結(jié)果分析和總結(jié)； 課程設(shè)計的心得體會（至少500字）； 參考文獻； 其它必要內(nèi)容等。時間安排：具體時間設(shè)計內(nèi)容7月7日指導老師就課程設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計要求、進度安排、評分標準等做具體介紹。學生確定選題，明確設(shè)計要求7月8日開始查閱資料，完成相關(guān)電路原理分析、代碼或原理圖設(shè)計。7月9日采用VHDL或Verilog語言編程，上機調(diào)試，得出實驗結(jié)果7月10日撰寫課程設(shè)計說明書7月11日上交課程設(shè)計說明書，并進行答辯摘要 這次設(shè)計彩燈控制循環(huán)器主要是實現(xiàn)自然數(shù)列，奇數(shù)列，偶數(shù)列，音樂數(shù)列的循環(huán)顯示，于是總電路可以分為循環(huán)電路，自然數(shù)列顯示電路等序列顯示電路，此外就是脈沖產(chǎn)生電路和分頻電路，分頻電路的作用是使自然序列和音樂序列的顯示時間與奇偶電路的顯示時間相等。循環(huán)彩燈的電路很多，循環(huán)方式更是五花八門，而且有專門的可編程彩燈集成電路。絕大多數(shù)的彩燈控制電路都是用數(shù)字電路實現(xiàn)的，例如，用中規(guī)模集成電路實現(xiàn)的彩燈控制電路主要用計數(shù)器，譯碼器，分配器和移位寄存器等集成。本次設(shè)計的循環(huán)彩燈控制器就是用計數(shù)器和譯碼器來實現(xiàn)，其特點用雙色發(fā)光二極管，能發(fā)紅色和綠色兩色光。關(guān)鍵詞：循環(huán)彩燈 計數(shù)器 譯碼器 電路III1.1 設(shè)計意義（1） 通過課程設(shè)計，使同學加深對模電、數(shù)電等理論知識的學習，并且能夠熟練掌握電子系統(tǒng)設(shè)計的方法。（2） 鍛煉同學們將理論知識用于解決實際問題的能力，加強發(fā)現(xiàn)問題、獨立解決問題的能力，并且提高同學們之間的合作學習能力。（3） 培養(yǎng)同學們的創(chuàng)新能力。（4） 讓同學們學會并掌握撰寫報告的能力。1.2 設(shè)計要求現(xiàn)有8只彩燈，試設(shè)計一控制器，要求彩燈能實現(xiàn)如下追逐圖案：（1） 使8只彩燈從右到左逐一循環(huán)點亮。（2） 使8只彩燈按照 1110 1110左移循環(huán)點亮。（3） 使8只彩燈交替閃爍。（4） 接著重復以上的動作，這樣一直循環(huán)下去。時間間隔為0.5秒。（5） 嚴格按照課程設(shè)計說明書要求撰寫課程設(shè)計說明書。2 方案設(shè)計該設(shè)計要求8只彩燈按一定的樣式進行循環(huán)，時間間隔為0.5秒。首先，我用555芯片設(shè)計一個周期為0.5秒的脈沖發(fā)生電路。在這三種樣式中，第一個是要求8只彩燈從右到左逐一點亮，我使用計數(shù)器74LS90、8選1數(shù)據(jù)選擇器74LS151和移位寄存器74LS164設(shè)計一個電路來完成。用一片74LS90設(shè)計一個8進制的計數(shù)電路，來控制74LS151的數(shù)據(jù)選擇輸出，而輸出的電平信號則輸入74LS164中，74LS164在555脈沖發(fā)生電路發(fā)出的脈沖信號控制從輸出端將電平信號輸入8只發(fā)光LED燈，來完成8只彩燈從右到左逐一點亮的功能。接下來，就是使8只彩燈按照1110 1110左移循環(huán)點亮，我使用74LS151和74LS161設(shè)計一個電路來完成。最后就是使8只彩燈交替閃爍，我則是使用2-線譯碼器74LS139和而輸入與門74LS08設(shè)計電路完成。最后就是兩片74LS90設(shè)計一個24進制的計數(shù)電路和相應(yīng)的邏輯門來控制三種樣式閃爍的先后順序及不斷循環(huán)。最終完成該設(shè)計的設(shè)計要求，在8進制、24進制計數(shù)電路和555脈沖電路的控制下使8只彩燈以三種樣式不斷循環(huán)閃爍。2.1設(shè)計方案一（1） 系統(tǒng)框圖該設(shè)計要求8只彩燈完成三種功能循環(huán)，所以分為幾個獨立模塊進行設(shè)計，每個模塊完成相應(yīng)的功能，在將各個模塊連接起來，就構(gòu)成了一個完整的電子系統(tǒng)，使8只彩燈完成設(shè)計要求的功能。根據(jù)設(shè)計要求而設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖1所示：555脈沖發(fā)生器數(shù)據(jù)選擇器555脈沖發(fā)生器計數(shù)器移位寄存器LED顯示圖1多彩循環(huán)彩燈控制器設(shè)計框圖由555芯片構(gòu)成的脈沖發(fā)生電路發(fā)出的周期為0.5秒的脈沖作用于74LS90構(gòu)成的8進制計數(shù)電路和24進制計數(shù)電路，以及以為寄存器74LS164上。而計數(shù)器控制數(shù)據(jù)選擇器74LS151和74LS139。最后電平信號傳輸?shù)絃ED燈上，進而控制LED燈的閃爍，這樣就完成了多彩循環(huán)彩燈的控制。（2） 電路工作原理按照設(shè)計要求設(shè)計的電路圖如圖2所示。整個電路分為六個模塊：555脈沖發(fā)生器電路，計數(shù)器電路，燈左移逐一點亮控制電路，燈1110 1110點亮控制電路，燈交替閃爍控制電路，LED電路。首先，用555設(shè)計而成的脈沖發(fā)生電路，其周期為0.5秒。該電路產(chǎn)生脈沖，使74LS90、74LS164等芯片能夠正常工作。計數(shù)器電路中的8進制計數(shù)電路控制8選1數(shù)據(jù)選擇器74LS151和2-4線譯碼器74LS139，使其按照0.5秒的周期輸出電平。數(shù)據(jù)輸入端全接高電平的74LS151在8進制技術(shù)電路控制下每隔0.5秒將一個電平信號輸入移位寄存器中，再由移位寄存器的8個輸出端分別輸出到對應(yīng)的LED燈，從而完成8只彩燈循環(huán)左移逐一點亮的功能。數(shù)據(jù)輸入端接有高、低電平的74LS151同樣在8進制計數(shù)電路控制下每隔0.5秒將一個電平信號輸入移位寄存器中，再由移位寄存器的8個輸出端輸出到鎖存器中，則8個周期后，1110 1110已經(jīng)輸入到了鎖存器中，同時此時鎖存器使能端接高電平進行正常工作，將從移位寄存器中每0.5秒左移一次的電平信號1110 1110輸入到相應(yīng)的LED燈，完成8只彩燈按照 1110 1110左移循環(huán)點亮的功能。2-4線譯碼器74LS139在在8進制技術(shù)電路控制下4個輸出端將0011譯碼后的電平通過2輸入與門輸出兩個電平，再分別經(jīng)過一個非門在依次輸入到LED燈，完成8只彩燈交替閃爍，并閃爍8次，每0.5秒閃爍一次。由兩片74LS90設(shè)計的24進制計數(shù)電路和相應(yīng)的邏輯門電路配合，以8個555脈沖周期為一個大周期，分別控制燈左移逐一點亮控制電路，燈1110 1110點亮控制電路，燈交替閃爍控制電路這三個電路的使能端，使其按一定順序循環(huán)工作。再將這三個電路的最終電平輸出端通過三輸入或非門相接，三輸入或非門的輸出端接LED燈。最終完成設(shè)計要求的功能。圖2 多彩循環(huán)彩燈控制器設(shè)計電路圖2.2設(shè)計方案二按照設(shè)計要求，本小組設(shè)計的電路圖如圖3所示：該方案是由單片機AT89S52做為控制處理器，通過編寫程序來控制其一組8個IO口的電平的變化，在通過IO口輸出電平到對應(yīng)的8個LED燈，從而完成相應(yīng)的功能。首先，編程控制8個IO口的電平從左到有逐一點亮，每0.5秒點亮一盞，從而完成8只彩燈循環(huán)左移逐一點亮的功能。接下來，編程控制8個IO口以1110 1110每0.5秒左移一次，從而控制8只彩燈按照 1110 1110左移循環(huán)點亮的功能。最后，編程控制8個IO口高、低電平交替變化，從而控制LED等交替閃爍，完成8只彩燈交替閃爍的功能。編程控制這三種模式以一定的順序不斷循環(huán)，就完成了該設(shè)計要求的全部功能。圖3多彩循環(huán)彩燈控制器設(shè)計電路圖2.3 方案比較方案一是使用555芯片、數(shù)據(jù)選擇器、移位寄存器、計數(shù)器以及一些邏輯門芯片等集成芯片設(shè)計的電路，設(shè)計起來比較困難，因為其設(shè)計的模電、數(shù)電知識較多，需要對這方面知識有一定的掌握，和對一些集成芯片的了解。不過通過方案一的設(shè)計，無論設(shè)計過程和設(shè)計結(jié)果都能夠最好的達到該課程設(shè)計的目的，更能鍛煉我們的實踐、創(chuàng)新等各方面的能力。方案二則是通過單片機AT89S52這個可編程器件來控制電平的變化，從而控制8只彩燈的閃爍。比較簡單，但是得到的鍛煉不多。3 部分電路設(shè)計3.1 555脈沖發(fā)生器由于要求彩燈每0.5秒閃爍一次，所以該555脈沖發(fā)生器的周期設(shè)計為0.5秒，電路圖如圖4所示：是由555構(gòu)成的多諧振蕩電路，振蕩周期為0.5秒。因為周期為0.5秒，取C1=0.01uF，C2=10uF，f=2Hz。f=1.43/(R2+2*R1)*C2 （1-1）算得R1=25.075k，R2=20k。圖4 555脈沖發(fā)生器555定時器引腳圖及功能表如圖5所示：圖5 555引腳圖及功能表555定時器中 6腳稱閾值端(TH)，是上比較器的輸入；2腳稱觸發(fā)端(TR)，是下比較器的輸入；3腳是輸出端(Vo)，它有O和1兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7腳是放電端(DIS)，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4腳是復位端(MR)，加上低電平時可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端(Vc),可用它改變上下觸發(fā)電平值；8腳是電源端，1腳是地端。3.2 計數(shù)器電路該設(shè)計中設(shè)計的8進制計數(shù)電路和24進制計數(shù)電路如圖6所示：圖6 計數(shù)器電路74LS90引腳圖及功能表如圖7所示：圖7 74LS90引腳圖及功能表74LS90邏輯電路圖如圖3.6-1所示，它由四個主從JK觸發(fā)器和一些附加門電路組成，整個電路可分兩部分，其中FA觸發(fā)器構(gòu)成一位二進制計數(shù)器；FD、FC、FB構(gòu)成異步五進制計數(shù)器，在74LS90計數(shù)器電路中，設(shè)有專用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。74LS90具有如下的五種基本工作方式：（1）五分頻：即由FD、FC、和FB組成的異步五進制計數(shù)器工作方式。（2）十分頻（8421碼）：將QA與CK2聯(lián)接，可構(gòu)成8421碼十分頻電路。（3）六分頻：在十分頻（8421碼）的基礎(chǔ)上，將QB端接R1，QC端接R2。其計數(shù)順序為000101，當?shù)诹鶄€脈沖作用后，出現(xiàn)狀態(tài)QCQBQA=110，利用QBQC=11反饋到R1和R2的方式使電路置“0”。 （4）九分頻：QAR1、QDR2，構(gòu)成原理同六分頻。（5） 十分頻（5421碼）：將五進制計數(shù)器的輸出端QD接二進制計數(shù)器的脈沖輸入端CK1，即可構(gòu)成5421碼十分頻工作方式。 3.3 燈左移逐一點亮控制電路按設(shè)計要求使用74LS151和74LS164設(shè)計電路，完成8只彩燈左移循環(huán)逐一點亮的功能，電路圖如圖8所示：圖8燈左移逐一點亮控制電路（1）74LS151引腳圖如圖9所示，功能表如表1所示：圖9 74LS151引腳圖輸入輸出 WGi838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號數(shù)據(jù)選擇選通YWCBAGHLHLLLLD0D0LLHLD1D1LHLLD2D2LHHLD3D3HLLLD4D4HLHLD5D5HHLLD6D6HHHLD7D7表1 74LS151功能表74LS151選擇控制端（地址端）為CA，按二進制譯碼，從8個輸入數(shù)據(jù)D0D7中，選擇一個需要的數(shù)據(jù)送到輸出端Y，G為使能端，低電平有效。使能端G1時，不論CA狀態(tài)如何，均無輸出（Y0，W1），多路開關(guān)被禁止。使能端G0時，多路開關(guān)正常工作，根據(jù)地址碼C、B、A的狀態(tài)選擇D0D7中某一個通道的數(shù)據(jù)輸送到輸出端Y。（2）74LS164引腳圖及功能表如圖10所示：當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QAQH）均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當 A、B任意一個為，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0 為低電平。當A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK 上升沿作用下決定Q0 的狀態(tài)。 功能：CLOCK ：時鐘輸入端；CLEAR： 同步清除輸入端（低電平有效）； A，B ：串行數(shù)據(jù)輸入端；QAQH： 輸出端。圖10 74LS164引腳圖及功能表3.4 LED電路8只LED顯示電路如圖11所示：圖11 LED電路4 調(diào)試與檢測4.1 調(diào)試中故障及解決辦法在調(diào)試過程中，PROTEUS提示出錯誤，無法進行仿真，查看后發(fā)現(xiàn)有的元件的標號重復了，將重復的標號更改后就可以進行仿真了。但是在仿真的時候發(fā)現(xiàn)彩燈無法按照預期的樣式進行閃爍，檢查后發(fā)現(xiàn)74LS151是下降沿觸發(fā)，而74LS164是上升沿觸發(fā)，導致電路無法正常工作，后來在74LS164的時鐘信號輸入端接上一個非門后，就能正常工作了，同時8只彩燈都是按照設(shè)計要求的功能工作。4.2 調(diào)試與運行結(jié)果將PROTUES打開進行仿真，仿真結(jié)果如下：（1） 使8只彩燈從右到左逐一循環(huán)點亮。圖12 8只彩燈從右到左逐一循環(huán)點亮（2） 使8只彩燈按照 1110 1110左移循環(huán)點亮。圖13 8只彩燈