彩灯循环控制电路的设计与制作 (2).doc

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1、武汉理工大学电工电子技术课程设计说明书目录摘要21 结构设计与方案选择31.1 基于计数器74LS193和译码器74LS138的系统结构31.2 基于双向移位寄存器74LS194的系统结构31.3 方案比较与选择42 系统单元电路设计42.1 移位控制脉冲产生电路42.2移位控制电路72.3 彩灯显示电路103 安装与调试113.1 基于面包板的插装113.2 电路调试11结束语13参考文献14附录15摘要本设计中彩灯控制器可用于对霓虹灯或彩灯及节日字灯的控制，八路彩灯循环电路由555 电路和两片双向移位寄存器74LS194 组成，其中555 电路用来产生移位控制脉冲， 74LS194 用来对

2、控制脉冲实现移位，传递出的触发信号脉冲驱动彩灯作循环流动。8 个LED按照一定的时间间隔，可以向左或向右循环移动点亮，也可以同时全亮或全灭。关键词：NE555 双向移位寄存器74LS194 彩灯循环彩灯循环控制电路的设计与制作1 结构设计与方案选择1.1 基于计数器74LS193和译码器74LS138的系统结构本方案彩灯循环电路由双时钟4位二进制计数器74LS193、译码器74LS138和NE555构成，其中555 电路用来产生移位控制脉冲， 74LS193 用来控制脉冲，实现8进制计数，再由译码器74LS138对循环的8个3位二进制数转化为循环的高低电平触发信号脉冲驱动彩灯作循环流动。系统结

3、构框图如图1-1所示：LED外部+5V电源74LS13874LS193NE555图1-1 基于计数器和译码器的系统结构框图完整电路图详见附录11.2 基于双向移位寄存器74LS194的系统结构本方案彩灯循环电路由两片双向移位寄存器74LS194和NE555构成，其中555 电路用来产生移位控制脉冲，74LS194 用来对控制脉冲实现移位，传递出的触发信号脉冲驱动彩灯作循环流动。8 个LED按照一定的时间间隔，可以向左或向右循环移动点亮，也可以同时全亮或全灭。系统结构框图如图1-2所示：74LS193NE555LED外部+5电源74LS194 图1-2 基于移位寄存器74LS194的系统结构框图

4、1.3 方案比较与选择两种方案均是可行的,方案一是采用计数器的原理，利用74LS193来循环8进制计数，再通过译码器来将3位二进制数转化为高低电平驱动彩灯循环点亮，该电路可以实现彩灯的左右移和全亮功能，但是若要实现全灭功能则需要用一组拨码开关来直接使灯全灭，比较麻烦；方案二是采用移位寄存器的原理，将两片74LS194级联组成一个8位移位寄存器，控制脉冲实现移位从而使彩灯循环点亮，该电路可以比较方便的实现彩灯的左右移、全灭和全亮功能。综上，选择方案二，下面就方案二做详细说明。2 系统单元电路设计2.1 移位控制脉冲产生电路移位控制脉冲产生电路主要由NE555构成，555集成时基电路是一种数字、模

5、拟混合型的中规模集成电路，可连接成多谐振荡电路。它不需要外加激励信号就便能连续地、周期性地自行产生矩形脉冲，产生单位脉冲，用于触发计数器。在延时操作中，脉冲由一个电阻和一个电容控制。 图2-1 NE555内部功能框图各管脚说明：1接地2触发 3输出 4复位5控制电压 6门限(阈值） 7放电 8电源电压Vcc。图2-2 NE555管脚图 图2-3 移位控制脉冲产生电路表2-1 NE555功能表 输入信号组合输出及三极管状态RDVi1（6端输入信号）Vi2（2端输入信号）V0（输出电压） T的状态0X X低电平导通1 1/3Vcc不变不变1 2/3Vcc 1/3Vcc高电平（不定）截止1 2/3V

6、cc 2/3Vcc 1/3Vcc低电平 导通当加上电压后，由于C上端电压不能突变，故NE555处于置位状态，输出端呈高电平“1”，而内部的放电管截止，C通过两个串联电阻对其充电，2脚电位随C上端电压的升高呈指数上升。当C上的电压随时间增加，达到输入电压阈值电平时，上比较器翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出呈低电平“0”。此时放电管饱和导通，C上的电荷放电。当C放电使其电压降至输入电压触发电平时，比较器翻转，RS触发器复位，经倒相后，使输出端呈高电平“1”。用于稳定工作的振荡器时，频率由两个电阻和一个电容控制。NE555会在下降延触发和清零，此时输出端产生200mA的电流。NE555的工

7、作温度为070。其功能主要用来产生时间基准信号（脉冲信号）。因为循环彩灯对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。2.2移位控制电路移位控制电路由两片4位双向移位寄存器74LS194组成，为8位移位控制电路。74LS194是4位双向移位寄存器，它具有并行输入、并行输出、左移和右移的功能。74LS194的操作主要由两个工作方式控制端S1、S0来决定。当S1S0=00时，为保持状态；当S1S0=01时，进行右移；当S1S0=10时，进行左移；当S1S0=11时，进行送数操作。在后三种操作中，都是同步的，即

8、必须有时钟信号，在时钟信号的上升沿到来时，进行左移、右移和送数操作。图2-4 74LS194管脚图CP ：时钟输入端 ； CR ：清除端（低电平有效）；D0D3 ：并行数据输入端 ；M0 、M11 ：工作方式控制端 ；DSL ：左移串行数据输入端 ；DSR ：右移串行数据输入端Q0Q3 ：输出端 ；VCC ：电源端 ；GND ：接地端 图2-5 74LS194时序图 根据各端口输入状态不一样，74LS194的功能也不一样，如下为74LS194的功能表：表2-2 74LS194功能表以上介绍了74LS194的工作原理，下面介绍移位控制电路的工作原理，在脉冲信号的控制下实现左移、右移、全灭和全亮功

9、能。图2-6 移位控制电路移位控制电路工作原理：主要由两片74LS194和5个单刀双掷开关构成。由于输出端有八个，所以需要将两片74LS194级联构成8位移位寄存器，如图2-5所示，将U1的SL连接到U2的输出端Q0，U1的输出端Q3反馈到U2的SR，则级联成功；另外根据要求，彩灯需要循环左移或右移，则需将U1的Q0端反馈回U2的SL，使其能循环左移；将U2的输出端Q3反馈回U1的SR,则能够使其循环右移。在图2-6中，SW5为清零开关，接低电平时异步清零，使彩灯全灭；接高电平时，可以实现左移、右移、并行输入和保持功能。SW2和SW3为工作方式控制端S0和S1，SW1和SW4为置数端 。接通电

10、源，将控制端SW2和SW3同时接高电平，开始置数，SW1控制的D0（U1）接高电平，SW4控制的其他并行输入端接低电平，清零端SW5接高电平，则左边第一个彩灯点亮，再将SW2和SW3分别置高、低电平，则彩灯循环右移；重新置数，再将SW2和SW3分别置低、高电平，则彩灯循环左移；将SW2和SW3同时接高电平，开始置数，所以并行输入端全部接高电平即SW1和SW4接高电平，清零端接高电平，八路彩灯全亮；清零端接低电平，八路彩灯全灭。以上为移位控制端的工作原理和工作状态，可以实现彩灯的左移、右移、全灭和全亮功能。2.3 彩灯显示电路根据设计要求，点亮八路彩灯。如图2-9为显示电路：图2-7 显示电路发

11、光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。八个发光二极管采用共

12、阴极接法，为了防止发光二极管因电流过大而烧坏，需要接保护电路，在发光二极管阴极接220电阻再接地3 安装与调试3.1 基于面包板的插装利用导线将各芯片和元器件连接起来，按照模块诶别插装到面包板上，布局尽量合理。3.2 电路调试电路安装完成后，开始进行测量与调试 。使用仪器有：万用表，稳压电源。调试的主要步骤：（1）调试前不加电源的检查对照电路图和实际线路检查连线是否正确，包括错接、少接、多接等；用万用表电阻档检查各节点是否良好；元器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良，二极管、集成电路和电解电容的极性是否正确；电源供电包括极性，电源端对地是否存在短路（用万用表测量电阻）。（2）静态检测与调试

13、把经过准确测量的电源接入电路，用万用表电压档监测电源电压，观察有无异常现象：如冒烟、异常气味、手摸元器件发烫，电源短路等，如发现异常情况，立即切断电源，排除故障如无异常情况，分别测量各关键点直流电压，如数字电路各输入端和输出端的高、低电平值及逻辑关系、输出端直流电压等是否在正常工作状态下，如不符，则调整电路元器件参数、更换元器件等，使电路最终工作在合适的工作状态。（3）动态检测与调试动态调试是在静态调试的基础上进行的，调试的方法在电路的输入端加上所需的CP脉冲，并循着脉冲的注射逐级检测各有关点的、参数和性能指标是否满足设计要求，如必要，要对电路参数作进一步调整。发现问题，要设法找出原因，排除故

14、障，继续进行。具体调试单元电路：（1） NE55脉冲产生电路调试利用万用表电压档测量输出端，后发现不够直观，于是选用一个红色发光二极管接到了输出端上，这样既可以检验有无电流输出，又可直观的看到频率，同时通过滑动电位器的调整使得输出脉冲频率达到合理范围内。经过调试测量发现，振荡周期与输入电压无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即与电阻和电容值有关，另外经查询振荡波的占空比与C的大小无关，仅与电阻的大小有关。（2） 移位控制电路调试在实际该电路模块组装测试时，我们的8组发光二极管可以循环点光，但在起初计数时，并不是只有一个灯亮，而是U2的输出端D1、D2和D3也亮了，我们分析作出一种假设，即这三

15、个输出端也被置为高电平了，可能是因为接触不良。用万用表检查，此对应的三输入端被置高电平，但其通过导线连出接至低电平，很有可能被悬空了，经过重新布置后，解决了悬空问题，彩灯循环点亮。结束语此次课程设计是我进大学的第一个课程设计。从最初的选题，购买元器件，组装，调试直到完成设计。其间，查找资料，与同学交流，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次实践，极大的锻炼了电路设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固。课程设计收获很多，作为工科专业的学生，设计是我们将来必需的技能，这次课程设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图

16、书馆查找资料到对电路的设计对电路的仿真再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。同时，毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚韧的毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个模块电路的连接及电路的细节设计上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，使整个电路可稳定工作。参考文献1阎石.数字电子技术基础.M高等教育出版社.2001.072康华光.电子技术基础.M高等教育出版社.2001.053谢自美. 电子线路设

17、计实验测试.M华中科技大学出版社.2001.044何小艇.电子系统设计.M浙江大学出版社.2002.085 郭培源. 电子电路及电子器件.M 高等教育出版社.2005.096孙梅生.电子技术基础课程设计.M高等教育出版社.2006.087阎石.电路基础.M高等教育出版社.2001.058（日）三宅和司. 电子元器件的选择与应用/电子技术丛书.M 科学出版社.2006.05附录:1 基于74LS193和74LS138设计的彩灯循环电路图2 基于74LS194设计的彩灯循环电路图3 元件清单元件名称数目74LS1942片NE5551个单刀双掷开关5个发光二级管8个电阻2208个电阻68K1个电阻15K1个电容0.1uF1个电容10uF1个导线若干本科生课程设计成绩评定表姓 名樊九九性 别男专业、班级自动化0805班课程设计题目： 彩灯循环控制电路的设计与制作课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：设计方案和内容（30分）制作与调试（30分）说明书内容和规范程度（20分）答 辩（10分）考 勤（10分）总 分（100分）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日18