数电课程设计
课程设计报告题目多路彩灯控制器设计
2013-2014 第二学期
班级电气一班
姓名尹星星
学号 201295014014
指导教师韩芝侠
单位宝鸡文理学院
2014 年 6 月 24 日
多路彩灯控制器设计
[摘要] 随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高,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。由于电子技术的发展, 应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展，彩灯作为一种景观应用越来越多。在电子电路设计领域中，电子设计自动化工具已成为主要的设计手段，通过对电路的控制来控制彩灯的变化状况。本次设计是八路彩灯控制器,现代生活中,彩灯已经成为必不可少的景观,此次设计本着与实际生活密切联系的原则,论述了使用数字点知技术设计八路彩灯控制器的过程，在设计中使用了振荡电路、显示电路、译码器、计数器、分频器、移位寄存器等各种电路，大大地提高了设计的灵活性、可靠性和可扩展性,为大学生更好地认识社会提供了很好的机会。
[关键词] 自动控制；工作可靠；彩灯控制器；
1 设计任务和要求
彩灯控制器可以自动控制多路彩灯按不同的节拍循环显示各种灯光变换花型。彩灯控制器是以高低电平来控制彩灯的亮灭，彩灯控制采用移位寄存器实现。在实际应用场合彩灯可能是功率较大的发光器件，需要加以一定的驱动电路。本课题用发光二极管LED模拟彩灯，可以不用驱动，可以实现对八盏LED彩灯的简单控制。
现要求设计一个8路移存型彩灯控制器，彩灯用发光二极管LED模拟，具体要求如下：
任务一
（1）彩灯能够自动循环点亮，产生一种流动变化的效果，俗称流水灯控制；
（2）彩灯循环显示且频率快慢可调。
（3）该控制电路具有8路输出。
任务二
八个发光二极管（代替彩灯）一字排开，以它们的明暗构成彩灯图形，其循环模式为：（1）彩灯全熄4秒钟；
（2）彩灯自左向右在4秒钟内依次点亮；
（3）彩灯自右向左在4秒钟内依次熄灭；
（4）彩灯全亮4秒钟；
2 总设计
根据题目的任务、要求和性能指标，经过分析与思考，得出以下方案：整体电路分为三个模块：第一个模块实现节拍的发生；第二个模块实现彩灯明暗变化的控制；第三个模块实现彩灯变化的显示。
主体框图如下：
计数器/译码分配器显示电路
振荡电路
……
CLK
八位双向移位寄存器
2Hz
CP源
八分频
电路
四分频
电路
开机清零电路
+
显示电路
……
S1 S0
/CR
控制电路
图1 任务1原理框图
图2 任务2原理框图
在本方案中，各单元电路只实现一种功能。其优点在于：电路设计模块化且各模块功能明确，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试带来方便。缺点是：由于设计思想比较简单，元件种类使用少，花型复杂一些就会导致中间单元电路连线过多而易出错。
3 模块设计
任务1
3.1.1 多谐振荡器的设计
多谐振荡器电路采用由555定时器制作而成的多谐振荡器制作而成，由一个555定时器、两个电阻、两个二极管、两个电容和若干导线组成。
实现输出脉冲信号。任务要求为转换节拍为1s，即8个（彩灯个数）时钟信号的总时长为8s，而改变RA、RB的大小则可以改变彩灯的快慢，选择RA=10kΩ，RB=23.5kΩ，C1=10μF， C2=0.01μF，从而T1+T2=(R2+2R1)C1ln2=1s,使得8（T1+T2）=8s s，1为输出端。其方框图和功能表如图3、图4所示
图3 可变多谐振荡器电路图
图4 555功能表
3.1.2 计数器的设计
计数电路主要由一个74LS160十进制计数器及与非门等基础控制电路组成，主要实现对之前的时钟信号计数以控制后面的状态转换电路。计数器从Q3Q2Q1Q0=0000开始计数，当第7个CP 到达后，计到0111，并不能立即清零，而是要等第7个脉冲上沿到来后，计数器被置成0000。
不会用异步清零端那样出现0110过渡状态，这是与用异步清零端的差别。用74LS160设计的八进制计数器和功能表如图5、图6所示
图5 八进制计数器电路图
图6 八进制计数器功能表
3．1.3 3-8译码器与显示电路的设计
1）3-8译码器
在数字系统中，能将二进制代码翻译成所表示信息的电路称为译码器。译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的作用是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数据分配，存贮器寻址和组合控制信号等。不同的功能可选用不同种类的译码器，本次选择3-8译码器。3-8译码器电路的输
入变量有三个即D0，D1，D2，输出变量有八个Y0-Y7，对输入变量D0，D1，D2译码，就能确定输出端Y0-Y7的输出端变为有效（低电平），从而达到译码目的。其原理图和功能表如图7、图8所示
图7 3-8译码器原理图图8 3-8译码器功能表
2）显示电路
此次试验的显示器为共阳极显示器，显示器的com端需要接地，所谓共阳LED 数码管8段 LED 的阳极是连在一起的，限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用430Ω的限流电阻。如图9所示
图9 显示电路
任务二
3.2.1多谐振荡器的设计
多谐振荡器电路采用由555定时器制作而成的多谐振荡器制作而成，由一个555定时器、两个电阻、两个二极管、两个电容和若干导线组成。实现输出脉冲信号。任务要求为转换节拍为0.5s，即8个（彩灯个数）时钟信号的时长为0.5s，
故选择RA=4kΩ，RB=1kΩ，C1=10μF， C2=0.01μF，从而T1+T2=(R2+2R1)C1ln2=0.0624s,使得8（T1+T2）=0.499s约等于0.5s，1为输出端。其方框图和功能表如图10、图11所示
图10 可变多谐振荡器电路图
图11 555功能表
3.2.2 移位寄存器的设计
移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。既能左移又能右移的称为双向移位寄存器，只需要改变左、右移位的控制信号便可实现双向移位要求。根据移位寄存器存取信息的方式不同分为：串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。移位寄存器应用
很广，可构成移位寄存器型计数器：顺序脉冲发生器；串行累加器；可用作数据转换，即把串行数据转换为并行数据，或把并行数据转换为串行数据等。本次实验选用两片74LS194组成双向移位寄存器研究移位寄存器，其中 D0、D1、D2、D3为并行输入端；Q0、Q1、Q2、Q3为并输出端；SR为右移串行输入端，SL为左移串行输入端；S1、S0为操作模式控制端；C R为直接无条件清零端；CP为时钟脉冲输入端。CC40194有 5种不同操作模式：即并行送数寄存，右移（方向由 Q0→Q3），左移（方向由 Q3→Q0），保持及清零。器原理图和功能表如图12、图13所示
图12 双向移位寄存器原理图
图13 双向移位寄存器功能表
3.2.3 八进制计数器的设计
八进制计数电路主要由一个74LS160十进制计数器及与非门等基础控制电路组成，主要实现对之前的时钟信号计数以控制后面的状态转换电路。计数器从Q3Q2Q1Q0=0000开始计数，当第7个CP到达后，计到0111，并不能立即清零，而是要等第7个脉冲上沿到来后，计数器被置成0000。不会用异步清零端那样出现0110过渡状态，这是与用异步清零端的差别。用74LS160设计的八进制计数器原理图和功能表如图14、图15所示
图14 八进制计数器原理图
图15 八进制计数器功能表
3.2.4 模四计数器的设计
模四计数器电路主要由一个74LS160十进制计数器及与非门等基础控制电路组成，主要实现
对之前的时钟信号计数以控制后面的状态转换电路。计数器从Q3Q2Q1Q0=0000开始计数，当第3个CP到达后，计到0011，并不能立即清零，而是要等第3个脉冲上沿到来后，计数器被置成0000。不会用异步清零端那样出现0010过渡状态，这是与用异步清零端的差别。用74LS160设计的模四计数器原理图和功能表如图16、图17所示
图16模四计数器原理图图17 模四计数器功能表
3.2.5 显示电路
此次试验的显示器为共阳极显示器，显示器的com端需要接地，所谓共阳LED 数码管8段
LED 的阳极是连在一起的，限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用430Ω的限流电阻。如图18所示
图18 显示电路
4 设计总原理图
任务一
任务二
5设计总结
通过本次课程设过程中，我有很多心得体会。
第一，学习要知其然，更要知其所以然。通过实验，我们发现了很多实验现象不同于设计时料想的。通过在软件中尝试性修改，我们终于得到了正确的设计方法。但是，我们不仅满足于做出可以正常工作的电路。我们分析电路，自行设计小试验验证部件功能。最后，我们充分理解了它，可以从原理上解释各种现象。在更充分的理解电路后，我们可以不再只通过不断试验改进设计方案，而是从理论分析后，从根本上直接解决问题，设计出各种优化设计。完成这个作品不是真正的目的，真正的目的是巩固知识，并培养学以致用的能力，体会做人做事的道理。
第二，细节定成败。我组在课设过程中，有时运行程序无法模拟执行，但找不到电路连接错误之处。在其他同学的提示下才发现是由于子电路合并成总电路时用了复制功能，而使一些元件参考（R）值相同，而无法执行。困扰我们最深的往往不是具体知识上的掌握问题，而是我们最容易忽略的其他细节。
第三，实践出真知我们信心满满的设计总
图初稿在实验之后，被证明是，不仅缺乏优化，而且错误多多的。“纸上得来终觉浅，得知此事要躬行”。我们经过实践中磨练改进，最终才做出今天的作品。实践出真知，我们要在学习理论后，在实践中应用，以理论指导实践，从实践中升华出理论。
第四，要拥有感恩的心，懂得合作。我在此要感谢与我同组的同学，以及其他帮助我们的同学，是我们的合作，让课设得以完成。我们都认识到了团队合作的含义。更要感谢为我们认真验收，细心指导的老师。总而言之，本次课程设计不止让我在知识掌握和应用水平上有了显著提高，而且让我明白了很多课本之外的做人做事的道理。
6参考文献
[1] 江晓安.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社（第3版）,2006.1.
[2] 江晓安.数字电子技术[M].北京:高等教育出版社（第3版）,2006.1.
[3] 韩芝侠.数字电路在EDA开发系统上的实现
方法研究[J].宝鸡文理学院学报(自然科学版),2010,6(2):57-60.
[4] 韩芝侠.一款工作可靠的智力竞赛抢答器电路的设计与分析[J].现代电子技术,2005（20）:29-31.
附录1 需要用到的元件引脚图
555引脚图74LS160引脚图
74LS194
引
脚图 3-8译码器引脚图