課程設(shè)計（論文）彩燈循環(huán)顯示控制器

1、 課程設(shè)計(論文)說明書題 目： 彩燈循環(huán)顯示控制器 院 （系）： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 2007 年 1 月 20 日 摘 要本流水彩燈控制器的設(shè)計采用串行輸入方式完成其功能，由八個發(fā)光二極管、雙向移位寄存器74LS194、四位同步二進(jìn)制計數(shù)器74LS161、八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151以及由555芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路構(gòu)成。通過控制外部操作開關(guān)S1、S2，可以實現(xiàn)彩燈亮點(diǎn)的右循環(huán)、左循環(huán)、兩亮兩滅左循環(huán)等功能。關(guān)鍵字：寄存器74LS194；計數(shù)器74LS161；數(shù)據(jù)選擇器74LS151；多諧振蕩器Abstract74LS151 and the how in harm

2、ony oscillating circuits being composed of 555 chips compose running water illumination controller 74LS161 designing 74LS194 , synchro four digit binary system counter adopt serial entering way to accomplish whose function , depositing an implement from eight light-emitting diodes , two-way shifting

3、 , eight selections one data selectors. Handle switch S1 , S2 by controlling the outside, the right circulation being able to realize the illumination brightened dot , left functions such as cycling , lighting liang to exterminate left circulation liang.Key Words: 74 LS194 depositing an implement; C

4、ounter 74 LS161; Data selector 74 LS151; many be settled oscillator目 錄 引 言041.設(shè)計任務(wù)及要求042.方案論證和選擇043.系統(tǒng)框圖054.電路的工作原理054.1時鐘信號發(fā)生器054.2序列信號發(fā)生器064.3移位輸出顯示電路094.4總電路圖及工作原理115. 電路板的組裝125.1原理圖的設(shè)計125.2 電路板制作過程126. 電路的調(diào)試136.1調(diào)試儀器136.2調(diào)試方法和過程136.3調(diào)試所遇問題137.測試結(jié)果及設(shè)計心得1371方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)1372課題的核心價值148. 總 結(jié)14謝 辭15參考文獻(xiàn)16

5、附 錄17引 言本課程設(shè)計主要選用由555構(gòu)成的時鐘信號發(fā)生器，四位同步二進(jìn)制計數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器組成的序列發(fā)生信號器和雙向移位寄存器構(gòu)成的移位顯示輸出電路。1 、設(shè)計任務(wù)及要求18只發(fā)光二極管顯示；2設(shè)置外部控制開關(guān),具有控制彩燈亮點(diǎn)的左移,右移,全亮,全滅等功能；3亮點(diǎn)移動規(guī)律,2亮2滅右移或左移；4彩燈亮點(diǎn)移動時間間隔取1秒。2、 方案論證和選擇流水彩燈控制器主要由三部分組成：555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘信號即時鐘信號發(fā)生器；四位同步二進(jìn)制計數(shù)器74LS161和八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151構(gòu)成序列信號發(fā)生器；雙向移位寄存器74LS194構(gòu)成的移位輸出顯示電路。 21 方案論證211時鐘信

6、號發(fā)生器主要用來產(chǎn)生脈沖信號。因為流水彩燈對頻率的要求不高，只要能產(chǎn)生高低電平就可以了，且脈沖信號的頻率可調(diào)，所以采用555組成多諧振蕩器，其輸出的脈沖作為下一級的時鐘信號。212序列信號發(fā)生器 在數(shù)字信號的傳輸和數(shù)字系統(tǒng)的測試中，有時需要用到一組特定的串行數(shù)字信號，這種串行數(shù)字信號稱為序列信號。產(chǎn)生序列信號的電路稱為序列信號發(fā)生器。序列發(fā)生器的構(gòu)成方法有多種，比較簡單、直觀的方法是用計數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器組成?？梢杂伤奈煌蕉M(jìn)制計數(shù)器74LS161和八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151或者和雙四選一的數(shù)據(jù)選擇器74LS153組成。213移位輸出顯示電路用兩個74LS194接成多位雙向移位寄存器，可以

7、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的左循環(huán)、右循環(huán)和兩亮兩滅左循環(huán)等多種工作方式。22 方案選擇本課程設(shè)計主要選用由555構(gòu)成的時鐘信號發(fā)生器，四位同步二進(jìn)制計數(shù)器74LS161和八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151組成的序列發(fā)生信號器和兩個7474LS194構(gòu)成的移位顯示輸出電路。對于序列信號發(fā)生器，因為如果選用74LS153，則還要加上一個非門和一個2輸入的或門，就要多加兩個芯片，顯得有點(diǎn)浪費(fèi)資源。3、 系統(tǒng)框圖 八位撥碼開關(guān)控制 輸出時鐘信號 序列號 兩位撥碼開關(guān)控制時鐘信號發(fā)生 器序列信號發(fā)生器移位輸出顯示電路圖1流水彩燈控制器系統(tǒng)框圖4、 電路的工作原理41時鐘信號發(fā)生器時鐘信號由555構(gòu)成的多諧振蕩電路產(chǎn)生（電路

8、圖如圖2），發(fā)光二極管用來指示該電路是否產(chǎn)生時鐘信號，電容C1是用來抗干擾的。由于彩燈對頻率要求不高，只要產(chǎn)生高低電平就可以。 圖2 時鐘信號發(fā)生器42序列信號發(fā)生器本設(shè)計的序列信號發(fā)生器采用八進(jìn)制計數(shù)器取自74LS161（四位同步二進(jìn)制計數(shù)器）的低三位和八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151構(gòu)成。電路圖如圖3所示。圖3 序列信號發(fā)生器要了解序列信號發(fā)生器的工作原理就必須知道計數(shù)器74LS161和74LS151的工作原理。下面介紹這兩個芯片的工作原理。421 四位同步二進(jìn)制計數(shù)器74LS161 74LS161具有清零、置數(shù)、計數(shù)和保持四種功能，且具有進(jìn)位信號輸出，可串接計數(shù)使用。可以實現(xiàn)從015的模1

9、6加法計數(shù)。其引腳排列圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和邏輯功能表分別如圖4、圖5和表1所示。CPMRPECETCEP功能XLXXX清零HLXX預(yù)置XHHLH保持XHHHL保持 HHHH計數(shù)圖4 74LS161的引腳排列圖 表1 74LS161邏輯功能表由表1知，74LS161的功能為：（1）清零功能：當(dāng)清零端MR接低電平時，無論P(yáng)E、CET、CEP端口接低電平還是高電平，輸入端口Dn輸入任何數(shù)字，輸出端Qn都輸出0；（2）預(yù)置功能：當(dāng)MR接高電平，PE接低電平，時鐘的上升沿到來時，輸出端Qn輸出的為Dn設(shè)計的的數(shù)字；（3）保持功能：當(dāng)MR、 PE都為高電平，CET、CEP的輸入相反時，Qn的輸出保持；（4）計

10、數(shù)功能：當(dāng)MR、PE、CET、CEP都為高電平時，在時鐘信號CP的上升沿到時，計數(shù)器開始計數(shù)。圖5 74LS161的內(nèi)部結(jié)構(gòu)422八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS15174LS151 為有互補(bǔ)輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器。其引腳排列圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和功能表分別如圖6、圖7和表2所示。圖6 74LS151引腳排列圖表2 74LS151的功能表輸入輸出ES2S1S0Z1XXX00000I00001I10010I20011I30100I40101I50110I60111I7圖7 74LS151的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖S2、S1、S0是地址端，按二進(jìn)制譯碼方式，從八個數(shù)據(jù)輸入端I0I7中，選擇一個需要的數(shù)據(jù)送到輸出端Z；E為使能

11、端，低電平有效。當(dāng)使能端E=1時，不論S2、S1、S0的狀態(tài)如何，均無輸出（Z=0，Z=1），多路開關(guān)處于禁閉狀態(tài)。當(dāng)E=0時，多路開關(guān)正常工作，根據(jù)地址碼S2、S1、S0的狀態(tài)選擇I0I7中某一個通道的數(shù)據(jù)輸送到輸出端Z。例如，S2S1S0=000，則選擇I0數(shù)據(jù)到輸出端即Z= I0；依次類推，可以得到其他狀態(tài)地址的電路輸出。序列信號發(fā)生器的工作原理：在圖3中，當(dāng)時鐘信號CLK的上升沿到達(dá)計數(shù)器74LS161時，計數(shù)器開始計數(shù)，其輸出端Q2Q1Q0從000循環(huán)計到111。而這三個輸出端又作為數(shù)據(jù)選擇器74LS151的三個地址端CBA的輸入。74LS151開始根據(jù)地址碼的狀態(tài)選擇I0-I7中的

12、某一個通道的數(shù)據(jù)輸送到輸出端Z。而I0-I7的數(shù)據(jù)則由一個八位的撥碼開關(guān)控制著使每一個通道可以選擇輸入的是低電平或高電平。4.3 移位輸出顯示電路主要由兩個雙向移位寄存器74LS194和八個發(fā)光二極管組成。74LS194的引腳排列圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和功能表分別如圖8、圖9和表3所示。PO、P1、P2、P3是并行數(shù)據(jù)輸入端；Q0、Q1、Q2、Q3是并行數(shù)據(jù)輸出端；DSR是右移串行輸入端；DSL是左移串行輸入端；S1、S0是工作模式控制端；MR是直接無條件清零（復(fù)位）端。CP是時鐘脈沖輸入端。74LS194有并行送數(shù)寄存、右移（方向由Q0至Q3）、左移（方向由Q3至Q0）、保持及清零等五種不同的工作模

13、式。S1、S0和 MR端的控制作用及功能表如表3所示。圖8 74LS194的引腳排列圖圖9 74LS194的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖功能輸入輸出MRS1S0CPP0P1P2P3Q0Q1Q2Q3復(fù)位LXXXXXXXLLLL預(yù)置HHHdcbadcba右移HLHXXXXDSRQ0Q1Q2左移HHLXXXXQ0Q1Q2DSL保持HLHXXXXXQ0Q1Q2Q3表3 74LS194的功能表移位輸出顯示電路的電路圖如圖10所示。其工作原理為：（1）使 S2的2、3腳導(dǎo)通，則當(dāng)時鐘的上升沿到來時，由于U4的Q3與U5的DSR相連接，U5的Q3又通過序列信號發(fā)生器與U2的DSR相連，所以由功能表知，可以實現(xiàn)發(fā)光二極管的右移

14、循環(huán)流水功能。對序列信號的改變輸入所需的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)二亮二滅等右移循環(huán)流水功能；（2）使S2的1、4腳導(dǎo)通，則當(dāng)時鐘的上升沿到來時，由于U5的Q0與U4的DSL相連接，U4的Q0又通過序列信號發(fā)生器與U5的DSL相連，所以由功能表知，可以實現(xiàn)發(fā)光二極管的左移循環(huán)流水功能。圖10移位輸出顯示電路4.4總電路圖及工作原理總的電路圖如圖11所示。流水彩燈控制器的工作原理如下：當(dāng)排插J1接入+5V的電壓時，發(fā)光二極管L被點(diǎn)亮，同時時鐘信號發(fā)生器開始工作。555芯片的Q端輸出周期秒的脈沖，發(fā)光二極管L3以一定的頻率開始閃爍。由時鐘信號發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘信號同時輸送到序列信號發(fā)生器和移位顯示輸出電路中。序

15、列信號發(fā)生器開始工作。74LS161在輸入的時鐘信號的上升沿到來時開始計數(shù)。在第一個時鐘上升沿，74LS161的輸出端Q2、Q1、Q0把輸出的數(shù)據(jù)0、0、0輸送到74LS151的地址端C、B、A中，即CBA=000，那么數(shù)據(jù)選擇器的輸出端Z就選擇I0這個通道的輸入數(shù)據(jù)。I0的數(shù)據(jù)輸入由八位撥碼開關(guān)的第一個開關(guān)決定。依次類推，計數(shù)器74LS161從0到15循環(huán)計數(shù)，其輸出端Q2Q1Q0也就把相應(yīng)的輸出000111輸送給74LS151的地址端CBA，則輸出端Z就相應(yīng)的把I0-I7的數(shù)據(jù)輸送給74LS194芯片U4的DSR端口和U5的DSL端口。撥動八位撥碼開關(guān)，使其處于導(dǎo)通（即I0-I7的輸入為高

16、電平）或是斷開（即I0-I7的輸入為低電平）狀態(tài)，若撥動撥碼開關(guān)，使S2的2、3腳導(dǎo)通，可以實現(xiàn)發(fā)光二極管的右移循環(huán)功能；在此狀態(tài)下，撥動八位撥碼開關(guān)，使其2和15、3和14腳導(dǎo)通，其余的為斷開，則U4的DSR端連續(xù)輸入兩個高電平，這時可以實現(xiàn)發(fā)光二極管的二亮二滅的右移循環(huán)功能。類似的，若撥動撥碼開關(guān)，使S2的1、4腳導(dǎo)通，可以實現(xiàn)發(fā)光二極管的左移循環(huán)功能。圖11流水彩燈控制器原理圖5、電路板的組裝電路的設(shè)計由計算機(jī)來完成，電路的設(shè)計廣泛采用Protel軟件來設(shè)計，該軟件具有高度的集成性與擴(kuò)展性，并具有仿真功能，但是該功能不強(qiáng)，用Protel進(jìn)行電路設(shè)計步驟如下圖所示：5.1 原理圖的設(shè)計原理

17、圖的設(shè)計過程如下圖：繪制原理圖運(yùn)行軟件加載元件庫生成PCB布局元件并布線（1）加載元器件庫，在繪制電路原理圖之前，將所需的原理圖元件庫裝入原理圖編輯器；（2）繪制原理圖，根據(jù)自己的設(shè)計原理，繪制原理圖；（3）生成PCB，布局元件，布線，電腦布線并不十分令人滿意，可以手動調(diào)整； 5.2 電路板制作過程電路板是用絕緣材料做成的表面附銅的板子，PCB的線寬要大于0.5mm，否則制作的時候容易斷，接觸也不是很好，地線、電源線和信號源線要大于0.7mm，另外，孔的大小也要合理，要根據(jù)元件的管腳來設(shè)置。熨燙、腐蝕、打孔打印PCB焊接元件檢查（1）熨燙：將熱轉(zhuǎn)印紙倒敷在銅板有銅的那一面，用電熨斗熨到銅板上，

18、熨斗的溫度不能太高，不能熨燙過久，久的話紙上面的一層膜容易粘到板子上面，腐蝕的時候不容易腐蝕掉，給腐蝕造成一定的難度；（2）腐蝕：熨燙好的銅板待冷卻后，將印上電路圖的銅版放入氯化鐵溶液中，氯化鐵的濃度高腐蝕的速度也會比較快，腐蝕過后洗掉墨線；（3）打孔：要注意孔的尺寸，根據(jù)孔和元件的大小來選擇鉆頭的大小；（4）焊接：放置元件，從比較矮的器件到比較高的器件，器件越貼近電路板越好，這樣可以減小干擾。注意焊接容易接成短路，焊點(diǎn)不要太大，防止虛焊。（5）檢查：檢查是否虛焊、短路和斷路，管腳位置是否正確。6. 電路的調(diào)試6.1 調(diào)試儀器DT9202 數(shù)字萬用表1個5V直流穩(wěn)壓電源1臺 示波器 1臺6.2

19、 調(diào)試方法和過程電路板做好后即可進(jìn)行調(diào)試步驟如下：（1）首先觀察電路有無斷點(diǎn)或可疑點(diǎn)，若有則用電烙鐵進(jìn)行焊接。在本次實驗所印電路有一根斷線，可能是在腐蝕的時候和其他電路板碰在了一起，使墨線斷掉了；（2）用萬用表測試所有線路，確保都為正常電路；（3）調(diào)節(jié)電源為5伏，用萬用表測試電壓，保證電壓正常能夠使芯片工作；（4）先不插芯片，將電源正確的接在電路的正負(fù)兩端，此時綠燈亮，測量芯片的工作電壓是否正常，測試為4.9V，能使芯片工作正常；（5）撥動撥碼開關(guān)，使S2的2、3腳，撥動八位撥碼開關(guān)，使其2和15導(dǎo)通，其余的為斷開，發(fā)光二極管亮點(diǎn)右循環(huán)；在此狀態(tài)下，撥動八位撥碼開關(guān)，使其2和15、3和14腳導(dǎo)

20、通，其余的為斷開，發(fā)光二極管開始二亮二滅右循環(huán)。（6）撥動撥碼開關(guān)，使S2的1、4腳導(dǎo)通，發(fā)光二極管亮點(diǎn)左循環(huán)；如果S2的導(dǎo)通和斷開狀態(tài)不對應(yīng)，則電路不能實現(xiàn)左移右移的功能。6.3 調(diào)試所遇問題及問題的解決： （1）在調(diào)試過程中，接通電源，只有L1發(fā)光，L3沒有，用萬用表檢查，555的1端口與接地端斷路，用一導(dǎo)線接通，再接通電源，電路開始工作。（2）再次接通電源，發(fā)現(xiàn)555電路不起振，接上示波器觀察發(fā)現(xiàn)，R3、U2大小選擇不合適，更換后調(diào)節(jié)指示LED顯示正確。（3）555電路正常后發(fā)現(xiàn)電路彩燈還是不能按設(shè)計閃動，再次用電表排查各端接口，發(fā)現(xiàn)74LS151計數(shù)器工作異常，更換后達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。7.

21、測試結(jié)果及設(shè)計心得本電路可以實現(xiàn)設(shè)計要求要實現(xiàn)的右循環(huán)、左循環(huán)、二亮二滅右循環(huán)等三種工作方式。而且使用的芯片較少。71方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)在于使用了八選一數(shù)據(jù)選擇器74LS151，從而使整個電路使用的芯片個數(shù)減少。而八位撥碼開關(guān)的使用，則增添了電路的工作方式。（2）缺點(diǎn)在于本電路只能實現(xiàn)一種數(shù)據(jù)的傳輸，就是串行數(shù)據(jù)傳輸，不能實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)的傳輸。在電路設(shè)計中，并行傳輸比串行傳輸速度要快得多。72課題的核心價值本課題可應(yīng)用于對現(xiàn)實生活中。例如，夜里建筑大樓外面那些用來裝飾的流水彩燈以及歌舞廳里循環(huán)亮著的彩燈等。由于人們對彩燈的變換樣式的要求不斷的提高，所以彩燈電路設(shè)計就變得十分重要了。這就需

22、要我們研究出更多樣式的彩燈來滿足人們的需要了。8.總 結(jié)在本次的電路設(shè)計中，自己學(xué)到了很多東西，動手能力也得到了加強(qiáng)。要設(shè)計好一個電路，就必須要對每一個原器件的工作原理以及其優(yōu)缺點(diǎn)有一定的了解，然后才能夠設(shè)計好一個電路。在設(shè)計時，要考慮到每一種可能性，這樣設(shè)計出來的電路就更加的完美。這次設(shè)計中，有的器件第一次遇到，像排阻，它也有接電源端，由于以往的觀念（電阻不分極刑），導(dǎo)致排阻的反接。這些問題都是在實踐中以及科協(xié)成員的幫助下得到解決的。通過這次課程設(shè)計,我對計數(shù)器74LS161、選擇器74LS151和移位寄存器74LS194有了更深的理解。這次課程設(shè)計把我學(xué)到的知識應(yīng)用到實際當(dāng)中去，讓我真正體會到了學(xué)以自用的樂趣，理論聯(lián)系實際加強(qiáng)了我對學(xué)習(xí)的欲望和有所學(xué)有所用的探索精神。以前對電路的工作過程只能抽象地去理解，做電路板也都是進(jìn)行簡單的模仿，做這次課程設(shè)計剛開始也是模仿其他電路，結(jié)果不能調(diào)試出來，除了前面所說的原因外一個重要的原因就是沒有完全理解別人的電路，并且別人的電路不一定符合自己的要求，只有在別人電路的基礎(chǔ)上自己設(shè)計出來的電路錯了才知道在哪里修改及怎樣修改，后來，翻閱了有關(guān)書籍，關(guān)于這次課程設(shè)計所要用到的一些電路的知識又重新復(fù)習(xí)了一下，終于完全明白了電路的原理