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1、数电课程设计题 目 16路彩灯循环控制电路设计 课 程 名 称 数字电路课程设计 院（系、部、中心） 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 生 姓 名 学 号 设计地点 数电实验室 指导教师 课 程 设 计 任 务 书一设计要求及主要技术指标 4二、实验任务、要求及提示 4三、设计方案的选择和电路框图 5四、设计原理 6五、各单元电路的设计、计算和说明 6六、整体电路图 8七、所用元件及器材 9八、芯片功能 10九、课程设计的心得体会 21十、参考文献 21 引言数字电路是一门理论性强、工程应用广的专业基础课程。为了训练读者对数字电路及系统的设计、安装、调试的实际动手能力，特在数字电路课程中
2、设置了课程设计这一重要的实践环节，以便在实践中掌握数字系统的设计方法。 数字逻辑 (电路)课程设计的目的通过完成本章所列的一些设计任务，掌握基于可编程器件的EDA技术，学习Max+plusII软件开发工具，明确数字系统的概念与设计的一般流程，训练从事电子系统设计工作必备的基本技能。鉴于课程设计设置的主要目的，同时考虑学习的循序渐进、承上启下的过程，所以在本书的数字系统设计中，采用经典方法设计电路原理图，用EDA工具进行仿真，最后用编程逻辑器件实现的方法。彩灯控制器设计简介 利用移位寄存器和计数器等设计一彩灯控制电路，改变电路的不同工作状态，控制彩灯变幻出不同的闪烁效果。电路实用，也可以通过计算
3、机仿真直观地看到循环彩灯的控制效果，综合运用所学数字电路知识，学会设计和调试方法，从而产生浓厚兴趣。如果稍微改动控制电路，可以更加完善，完成基于移位寄存器的彩灯控制器设计。 在现代生活中，彩灯作为一种装饰，既可以增强人们的感观，起到广告宣传的作用，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽，用在舞台上增强晚会灯光效果，利用控制电路可使彩灯（例如霓虹灯）按一定的规律不断的改变状态，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电（与全部彩灯始终全亮相比）。因此，彩灯控制电路应用越来越丰富我们的生活，成为我们生活不可缺少的一部分。本课题是利用四位双向移位寄存器为核心元件实现彩灯的循环控制。一设计要求及主要技
4、术指标1.1 设计要求（1）、根据技术指标要求确定电路形式，分析工作原理，计算元件参数。（2）、列出所用元器件清单并购买。（3）、安装调试所设计的电路，使之达到设计要求。（4）、记录实验结果。（5）、撰写设计报告。1.2 主要技术指标（1）实现16个LED灯循环点亮。（2）间隔时间可调。（3）LED灯的闪烁按一定的规则变化，可通过输入开关设置闪烁规律。（4) 电路有复位控制，复位按钮闭合时LED循环输出，按钮断开彩灯熄灭。1.3设计目的设计一种利用发光二极管作为彩灯指示,实现发光二极管依次点亮形成移动的光点,并不断循环的彩灯循环控制电路，要求可以实现彩灯循环的时间可以调节 。 （1）学会分析、
5、设计和测试用555定时器构成的多谐振荡器。（2）熟悉译码器和中规模集成计数器的工作原理。（3）利用译码器和计数器设计彩灯控制电路，实现不同的闪烁效果二、实验任务、要求及提示2.1 设计一个十六路彩灯循环电路，使其满足以下要求：（1）16 路彩灯输出显示。（2）彩灯的闪烁按一定规则变化(至少三种以上)，可通过输入开关设置彩灯闪烁的规律。（3）电路有复位控制，复位按钮闭合时彩灯循环输出，复位按钮断开时彩灯熄灭。（4）可设定彩灯的闪烁时间，彩灯闪烁的时间可通过实验箱上的开关输入。2.2 设计提示 （1）设计要求显示16路彩灯，需要1 16个发光二极管模拟，实验开发系统上的发光二极管已连接好限流电阻，
6、若自行连接线路需要连接限流电阻。 （2）电路图是在EWB电子工作平台设计仿真的，若需在Max-plus+II10.0的模拟仿真，并且在SE-5M实验开发系统上实现，实验系统自带不同频率的脉冲，不必设计脉冲产生电路。 （3）要完成三种以上彩灯闪烁花样的设计、可以采用不同的计数器与不同的译码输出信号相结合的方法。彩灯图案变换的设计以4个彩灯为例，第一种图案变换：彩灯左右摆动，状态图为：01011010；第二种图案变换：暗带移动，状态图为：0111101111011110；第三种图案变换：彩带一条一条亮，然后再一条一条熄灭，状态图为：0000100011001110，上述变化可以用环形计数器、扭环形
7、计数器实现。当然，也可以是：彩灯从右到左，然后从左到右逐个点亮；彩灯从右到左点亮，然后从左到右逐个依次熄灭，全亮全灭；彩灯两边同时亮2个逐次向中间移动移动再散开，彩灯两边同时亮4个，4亮4灭。 为完成上述不同白勺闪烁规律，也可将手动改变规律设计为自动循环变化闪烁图案。 （4）如进一步提高彩灯的观赏性，可改变不同图案的闪烁频率，可以将输人脉冲进行分频。三、设计方案的选择和电路框图3.1 题目分析 我们设计的流水灯实际上是主要使用一个74LS191，两个74LS138，和一个555定时器这四个芯片对16个LED进行控制，产生循环控制的效果。 3.2题目设计用附加电容、电阻把555定时器接成一多谐震
8、荡器，产生脉冲信号。两个74LS138扩展成4-16线译码器，与LED向接。74LS191作为计数器。3.3 结构框图如图1.555时序电路74LS191计数部分74LS138译码电路部分LED显示部分图 1结构框图四、设计原理设计彩灯循环控制电路，要求该电路彩灯循环显示频率快慢可调，控制器具有多路输出。该电路由555定时器、74LS191计数器和138译码器组成。74LS191计数器的时钟信号由555振荡电路提供，改变555的振荡频率，即句改变计数器的快慢，即可控制彩灯闪烁的快慢。计数器输出信号输人至138译码器，由138译码，根据计数器输出不同的计数结果，即可控制138译码器译码得到不同的
9、输出信号，决定彩灯的循环变化。显然，不同的计数器与译码器电路，得到的是不同的彩灯循环控制结果。若译码器不变，在计数器的控制端输入不同的控制信号，进行不同的计数，则在输出端可见不同的彩灯循环输出。五、各单元电路的设计、计算和说明（一）555时序电路在这次课程设计中，555定时器用来产生脉冲信号。因此把555定时器接成多谐震荡器。R1、R2、C2为定时元件。图9、555时序电路（二）74LS191计数部分 因为在试验中需要一个16进制的计数器，因此采用74LS191加减计数器。我们可以改变计数器的加减来控制LED亮灭的方向。 置数端A、B、C、D分别置0。4脚接地，11脚为异步置数控制端，地电平有
10、效，接高电平。14脚接脉冲信号，同555定时器的OUT脚向接。通过单刀双掷开关来控制74LS191计数器的加减。 图10、74LS191计数器电路（三）74LS138译码电路与LED显示部分74LS138为38线译码器，只有8个输出端，而在实验中须驱动16个LED，所以用两个74LS138扩展成416线译码器。扩展接法如上图6。扩展后形成的四个输入端分别同74LS191计数器的QA、QB、QC、QD相接。通过改变QA、QB、QC、QD与四个输入端的连接方法来控制LED的亮灭顺序。因为74LS138译码器输出端低电平有效，所以LED显示部分采用共阳极接法，负极分别接在74LS138的输出端上。7
11、4LS138译码电路与LED显示部分的电路图如图11。 图11、74LS138译码电路与LED显示电路六、整体电路图七、所用元件及器材1、芯片：NE555 ,1块；74LS191,1块；74LS138，2块；2、电阻：100，16个；10K，1个；1M,1个；3、电容：0.01F,1个；0.47F，1个；4、LED：红色，16个；绿色，1个；4、面包板：SYB-120，一块。八、芯片功能1、NE555NE555 (Timer IC)大约在1971由Signetics Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC，在往后的30来非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电，
12、尽管近CMOS技术版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前可直接的代用。 NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波讯号。 555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555,用 CMOS工艺
13、制作的称为 7555,除单定时器外 ,还有对应的双定时器 556 /7556。 555定时器的电源电压范围宽 ,可在 4. 5V16V工作 , 7555可在 318V工作 ,输出驱动电流约为 200mA ,因而其输出可与 TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器的各项参数及工作环境如表1 表1、555定时器的各项参数及工作环境555定时器成本低 ,性能可靠 ,只需要外接几个电阻、容 ,就可以实现多谐振荡器、稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应 用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2和图 3所示。它内部包括两个电压比较器 ,三个等值串联电阻 ,一个 RS触发器 ,一个放电管 T及功率输出级。它提供两个基准电压 VCC /3和 2VCC /3。555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 SR触发器和放电管的状态。 在电源与地之间加上电压 ,当 5脚悬空时 ,则电压比较器 C1的同相输入端的电压为 2VCC /3, C2的反相输入端的电压为 VCC /3。若触发输入端 TR的电压小于VCC /3,则比较器 C2的输出为0,可使 SR触发器置 1,使输出端OUT =1。如果阈
