流水灯课程设计报告.doc

1、摘 要流水彩灯控制器在我门日常生活中有重要的运用，如广告牌的设计和节日彩灯的设计都能运用到它的原理。本次设计的流水彩灯控制器是其中较简单的，但这是进行复杂设计的基础。本次课程设计要设计一个流水彩灯控制器（用8只发光二极管显示，至少三种工作方式）。首先要分析设计要求，从要实现至少三种工作方式入手推导出要使用的芯片。可通过八位右移寄存器74LS164实现八个彩灯的向右移动，从它的右移输入端控制来实现它的流水彩灯的变化。要控制流水彩灯的变化，可通过一个八位拨码开关，八选一数据选择器74LS151，模十六加法计数器74LS161来实现。时钟信号由一个555产生，产生周期可由一个滑动变阻器控制。而彩灯的

2、变化可由拨码开关自行选择。 经实验验证，所设计的流水彩灯控制器能完成题目要求。 关键词 : 时钟脉冲；分频；移位寄存器；数据选择器；拨码开关；目 录摘 要11设计课题与要求31.1 设计方案选择32 系统模块组成42.1 系统组成框图42.2 各模块的组成与功能分析43 单元电路设计与计算53.1 时钟脉冲产生电路53.2 单种码产生电路73.3 拨码开关控制电路83.4 输出电路设计104 整机电路设计124.1 整机电路工作原理105 组装调试135.1 仿真过程156 总结15结 论16参考文献16附录1 流水彩灯控制器原理总图17附录2 PCB总图17附录 2 元器清单181 设计课题

3、及要求（一） 题目：流水彩灯控制器（二） 基本要求：1、用8只发光二极管显示。2、至少三种工作方式。1.1 方案选择利用数字芯片实现。用555做时钟信号，用模十六加法计数器74LS161的输出端的最高位Q3接到移位寄存器74LS164的输入端可以实现1111111100000000码，模十六加法计数器74LS161的输出端的Q1 Q2 Q3接到八选一的数据选择器74LS151的选择控制端。74LS151的八个输入端都接到八位拨码开关，由拨码开关和控制端控制输出端，输出端接到移位寄存器74LS164的输入端。而移位寄存器74LS164的输出端接8只发光二极管，可以实现流水功能，并有多种工作方式。

4、如图3-1所示。图3-1 2 系统模块组成21系统组成框图四花样彩灯设计可先对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：时钟电路、单种码产生电路、拨码开关控制电路、数据输出，设计框图如图2-1所示。单种码产生电路555时钟电路输出电路拨码开关控制电路图2-1 系统组成框图2.2各模块的组成及功能分析1.时钟电路：由一个555和电阻电容组成，构成一个多谐振荡器，周期为可调，控制计数器和移位寄存器。2.单种码产生电路:由模十六加法计数器74LS161可产生。3.拨码开关控制电路：八位拨码开关和八选

5、一数据选择器74LS153组成，模十六的计数器74LS161的三个输出端接数据选择器的地址输入端，就能按二进制译码，从拨码开关控制8个输入端D0D7,选择一个需要的数据送到输出端Y。4.数据输出电路：由八位移位寄存器74LS164和八个彩灯与电阻组成，选择输出的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，实现彩灯的变化。3 单元电路设计与计算3.1 时钟脉冲产生电路时钟脉冲产生电路由NE555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

6、再波形的产生与变换、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，555芯片管脚图如图4-1所示。图4-1 NE555定时器555定时器内部机构如图4.1所示，它主要有以下部分组成：(1)电阻分压器。由3个5 K的电阻组成。(2)电压比较器。由C1和C2组成，当控制输入端悬空时，C1和C2的基准电压分别是2/3Vcc和1/3Vcc。(3)基本RS触发器。由两个与非门G1和G2构成，对两个比较器输出的电压进行控制。(4)放电三极管VT。VT是集成极开路的三极管，VT的集成极作为定时器的引出端D。(5)缓冲器。由G3和G4构成，以提高电路的负载能力。引脚功能:1

7、脚位接地端；2脚是低电平触发端入端；3脚是输出端；4脚是复位端；5脚是电压控制端；6脚是高电平触发端入端；7脚是放电端；8脚是电源端。时钟电路案例图如图4-2所示。图4-2 时钟电路案例（数据可变）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 555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=20K R2=2.2K（可变） C=100f由公式计算得：T=1.72s时钟电路的输出一路作为计数脉冲送到模十六计数器74LS161；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器7

8、4LS164。工作原理:多谐振荡器的输出波形图，如图4-3所示 图4-3 多谐振荡器的输出波形接通电源后，VCC经R1，R2给电容C充电。由于电容上电压不能突变，电源刚接通时Vc=0，当Vc上升到大于Vcc3时，RD=1，SD=1，基本RS触发器状况不变，即输出端Q仍为高电平，当VC上升到略大于2VCC3时，Rn=0，SD=1，基本RS触发器置0，输出端Q为低电平。这时Q=1，使内部放电管饱合导通。于是电容C经R2和内部放电管放电，Uc按指数规律减小。 当Vc下降略小于Vcc3时，内部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，基本RS触发器置1，输出高电平。这时，Q=0，内部放电管截止。于是C结束

9、放电并重新开始充电。如此循环不止，输出端就得到一系列矩形脉冲。3.2 单种码产生电路单种码产生电路是由74LS161构成十六位计数器产生，模十六计数器74LS161芯片管脚图如图4-4所示。图4-4 74LS161管脚图74LS161具有以下功能：(1)异步清零。当0，不管其他输入端的状态如何，不论有无时钟CP，计数器输出将直接置零(QDQCQBQA)=0000，称为异步清零。(2)同步并行预置数。当=1，=0时，再输入脉冲CP上升沿的作用下，并行输入端的数据dcba被置入计数器的输出端，即(QDQCQBQA)= dcba。由于这个操作要与CP上升沿同步，所以称为同步预置数。(3)保持。当=1

10、，且EP*ET=0，则计数器保持原状态不变。这时，如EP0、ET=0，则进位信号Oc(Oc= QDQCQBQAET)保持不变；如ET=0则不管EP状态如何，进位信号Oc=0。(4)计数。当=EP=ET=1时，在CP端输入计数脉冲作用下，计数器进行二进制加法器计数。产生的码为1111111100000000，可实现灯从18从00左到右逐次点亮，然后逐次熄灭3.3 拨码开关控制电路拨码开关控制电路由模十六加法计数器74LS161，,8位拨码开关，八选一数据选择器74LS151组成，74LS161我们已经介绍过了，8为拨码开关如图所示，八选一数据选择器74LS151为互补输出的8选1数据选择器，引脚

11、排列如图所示，功能见表。选择控制端（地址端）为CA，按二进制译码，从8个输入数据D0D7中，选择一个需要的数据送到输出端Y，G为使能端，低电平有效。（1）使能端G1时，不论CA状态如何，均无输出（Y0，W1），多路开关被禁止。（2）使能端G0时，多路开关正常工作，根据地址码C、B、A的状态选择D0D7中某一个通道的数据输送到输出端Y。如：CBA000，则选择D0数据到输出端，即YD0。如：CBA001，则选择D1数据到输出端,即YD1，其余类推。理ab126计算公式大全74LS151功能表:输入输出数据选择选通YWCBAGHLHLLLLD0D0LLHLD1D1LHLLD2D2LHHLD3D3H

12、LLLD4D4HLHLD5D5HHLLD6D6HHHLD7D7 图1 74LS151引脚排列图工作原理：计数器控制数据选择器的地址控制端，拨码开关控制输入，可实现编码的人工控制。3.4 输出电路设计输出电路由由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。位移位寄存器74LS164芯片管脚图如图4-8所示。图4-8 74LS164管脚图当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA-QH）均为低电平，串行数据输出端(A，B)可控制数据。当A,B任意一个为低电平时，则禁止新的数据输入，在时钟端（CLEAR）脉冲作用下为低电平，当A、B有一个为高电平时则另一个就允许输入数据，并在CEL

13、AR上升沿作用下决定QA的状态。74LS164的引脚功能：CLOC：时钟输入端；CELAR：清除端（低电平有效）；A、B：行数据输入端；QAQH：输出端输出电路如图4-9所示。图4-9 花样输出电路当输入移位寄存器数据输入端的码为10000000时，清零后在移位脉冲CP的作用下，寄存器数码移动情况如表4-4所示。表4-4 寄存器数码移动情况表CPQAQBQCQDQEQFQGQH111000000 02001000000300010000 0400 00100005000001000600000010070000000108000000001工作原理输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩

14、灯和八个驱动电阻构成。寄存器的数据输入端接收控制电路输出的码，编码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。由表4-4可看出，输入码中的那位高电平“1”从寄存器的输出端QA经八个移位脉冲CP作用后逐渐到了QH，使输出端所连接的彩灯依次点亮，实现了彩灯依次点亮的变化。4 整机电路设计根据单元电路可得到整机工作原理图，如图5-1。图5-1 流水彩灯控制器的整机电路图4.1 整机电路工作原理由以一个多谐振荡器输出脉冲信号，分为两路：一路作为计数脉冲送到模十六计数器的时钟脉冲CP端；数据从74LS161十六位计数器的输出端QA，QB，QC，QD输出，QD端直接接到移位寄存器的输入

15、端，可实现单独码1111111100000000的变化，QA，QB，QC输入到八选一数据选择器74LS151的地址控制端A,B,C，数据选择器74LS151的输入端有八位拨码开关控制输入编码，输出端接到移位寄存器的输入端，用单刀双掷开关可控制电路的选择。另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器的时钟脉冲信号输入端。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。最终，寄存器的数据输入端接收控制电路输出的编码，编码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出流水彩灯变化。5 组装调试5.1仿真过程使用ISIS软件进行仿真。仿真电路图为：当SW2开关选择单码控制电

16、路时，可以实现灯1到8逐个点亮，再逐个熄灭。当SW2选择拨码开关控制电路时，可人工选择编码，如10000000如11000000调试时用数字万用表检查是否短路断路，接上5V电压后，用示波器检测555输出波形并记录其周期，与理论值对比。6 总结6.1 设计电路的特点电路的设计能完成基本功能实现，使用的芯片数量少，可以人工控制调节，设计思路清晰明了。但设计电路有明显的局限性，因为使用右移位寄存器的缘故，不能使LED灯向左移动，不能使LED跳跃移动。使用模十六的加法计数器74LS161还可以功能拓展，但因为一些布线的局限，拓展没有实现。6.2 课题核心价值通过此次课程设计，让我独立完成电路的设计，组

17、装，调试，了解了一个电子产品的产生过程。改进意见是希望老师能多多介绍下关于课题的介绍与理解。不然会造成学生与老师要求不一致的现象出现。7 结论本次所设计的是流水彩灯控制电路的设计，本次课程设计主要结合了数字电路课程。在汪杰君老师的指导和支持下完成的。还要感谢其他同学对我的无私帮助，使我得以顺利完成系统设计。此次课程设计需要严谨的科学态度和完整的设计思维和方法。设计电路关键在于对设计要求的理解分析以及对基本电路相关知识的熟练掌握。设计电路时，将总体的功能分成若干个部分来实现，是简化电路设计思路的很好方法；且搞清各个模块的功能与实现要求操作的具体方法，对电路故障的检查也是很有帮助。通过这次设计，我

18、学到了很多东西，如查找资料，设计比较，从各种资料中提取所需。也吸取了很多教训。真正提高了动手能力，学会获取资料，活跃了自己的思维，巩固了所学知识。流水彩灯控制器的设计是对数字电路逻辑设计知识的实践运用，加深了对知识的理解。这次课设是一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，与实际设计的结合锻炼了我综合运用所学的专业基础知识的能力，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力、抗压能力及耐

19、力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行课程设计的目的所在最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢。8参考文献1.康华光.数字电子技术 高等教育出版社，20092.周巍 黄雄华 数字逻辑电路 实验 设计 仿真,电子科技大学出版社 20103.百度文库：4.豆丁网：附录1 流水彩灯控制器原理总图附录2 PCB总图附录3 元件清单序 号名 称数 量单 价备 注1十六进制计数器74LS16112 八位移位寄存器74LS16413LM555141*40圆针插座25八选一数据选择器74LS15116电阻0.51K107电阻510K28滑动变阻器20K19电阻1K410电容10uF311电容0.01uF312LED灯1013单刀单掷开关114八位拨码开关115单刀双掷开关118