学号：27课程设计题目三种图案霓虹灯控制器设计学院自动化学院专业电气工程及其自动化班级电气1206班姓名黄思琪指导教师杨莉林伟2014年7月10日课程设计任务书学生姓名：黄思琪专业班级：电气1206班指导教师：杨莉林伟工作单位：武汉理工大学题目: 三种图案霓虹灯控制器设计初始条件：1．运用所学的模拟电路和数字电路等知识；2．用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片等。
要求完成的主要任务:1．现有4只彩灯，红－绿－蓝－黄，试设计控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案，彩灯控制器的三种图案及其状态转换如下所示：2．摇摆状态0101←→1010，重复6次。
3．暗点循环0111→1011→1101→1110→0111→这样重复循环3次。
4．逐个点亮，逐个熄灭，0000→1000→1100→1110→1111→0111→0011→0001→0000→这样重复循环2次。
5．霓虹灯控制工作状态按照上述2至4步自动重复循环。
时间间隔为1秒。
6．严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。
时间安排：第1天下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；第2天进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案；第3天提交电路图，经审查后领取元器件；第4天组装电路并调试，检查错误并提出问题；第5天结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；第6-7天补充完成课程设计报告和答辩。
指导教师签名：2014年7月7日系主任（或责任教师）签名：2014年7月7 日目录1设计意义及要求41.1 设计意义41.2 设计要求42方案设计52.1 设计思路52.2 设计方案一电路图62.3 设计方案二电路图72.4方案比较83部分电路设计83.1 四十进制设计83.2 摇摆状态103.3 暗点循环113.4 逐个点亮逐个熄灭123.5 时钟脉冲信号的制作 (13)4调试及检测134.1 调试中故障及解决办法134.2 调试及运行结果145方案总结及课题价值146仿真操作步骤及使用说明15结束语16参考文献17附录1方案一电路图18附录2方案二电路图19本科生课程设计成绩评定表1、设计意义及要求1.1 设计意义在我们的日常生活中，霓虹灯随处可见，可以广泛应用于广告牌，商场装饰，现场装扮等各种场合，因此霓虹灯具有不可或缺的作用。
利用我们所学过数模电知识，可以设计出不同变换组合的霓虹灯电路，具有很实用的实际意义。
除此之外，对霓虹灯控制器的设计有利于将我们所学知识学以致用，不局限在课本内的知识，并提高了我们思考分析问题的能力和团队合作能力。
1.2 设计要求初始条件：3．运用所学的模拟电路和数字电路等知识；4．用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片等。
要求完成的主要任务:7．现有4只彩灯，红－绿－蓝－黄，试设计控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案，彩灯控制器的三种图案及其状态转换如下所示：8．摇摆状态0101←→1010，重复6次。
9．暗点循环0111→1011→1101→1110→0111→这样重复循环3次。
10．逐个点亮，逐个熄灭，0000→1000→1100→1110→1111→0111→0011→0001→0000→这样重复循环2次。
11．霓虹灯控制工作状态按照上述2至4步自动重复循环。
时间间隔为1秒。
12．严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。
时间安排：第1天下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；第2天进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案；第3天提交电路图，经审查后领取元器件；第4天组装电路并调试，检查错误并提出问题；第5天结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；第6-7天补充完成课程设计报告和答辩。
2、方案设计2.1 设计思路首先，先分别分析三种不同的霓虹灯转换状态，即分别设计出能实现摇摆状态，暗点循环和逐个点亮逐个熄灭的电路。
其次，分析三种状态所发生的时间和顺序，可以发现第一种状态占12秒，第二种状态占12秒，第三种状态占24秒。
因此利用一个40进制的计数器来控制三种状态的转换，使前12秒第一部分电路正常工作，13到24秒第二部分电路正常工作，最后16秒第三部分电路正常工作，并用逻辑门完成对灯的控制。
最后，用555定时器做一个脉冲信号发生源。
系统原理框图如图1-1所示。
图1-1 系统原理框图2.2设计方案一电路图（小组方案）图2-1 方案一电路图如图2-1所示。
首先，利用555定时器制作一个1HZ的脉冲信号作为时钟。
其次，设计分别实现的三种图案的电路图，摇摆状态和暗点循环可以利用一块74LS138分别实现，逐个点亮逐个熄灭可以利用74LS194制作一个扭环形计数器来实现。
然后，用两个74LS90制作了一个四进制计数器和一个十进制计数器，两片计数器间通过正确连接相当于一个四十进制计数器。
通过设计要求可以分析出摇摆状态、暗点循环、逐个点亮逐个熄灭各占了12、12、16，也就相当于3:3:4，用一个四分频加一个十进制就可以实现前12秒使摇摆状态进行正常工作，13到24秒使暗点循环正常工作，最后16秒使最后一个状态正常工作。
再利用一块数据选择器74LS151和各种逻辑门，使得前24秒74LS138使能同时74LS139清零，并且利用74LS138的地址端的选择和逻辑门的输出使前12秒实现摇摆状态，13到24秒实现暗点循环；后16秒74LS138不使能同时74LS139正常工作。
最后，经过分析和计算将三种图案状态的输出端分别通过逻辑电路接到四盏灯上，使摇摆状态、暗点循环、逐个点亮逐个熄灭能够有序的结合并循环起来，从而达到实验要求，实现电路功能。
2.3设计方案二电路图（个人方案）图3-1 方案二电路图首先，利用555计时器做一个输出为1HZ的脉冲信号。
其次，分别设计三种图案的电路。
利用一片74LS90和74LS139实现摇摆状态，再用两片74LS139，暗点循环利用它的并行置数和右移的功能实现，逐个点亮逐个熄灭用扭环计数器实现。
然后，及方案一类似，利用一个40进制计数器分别控制三种状态的出现顺序和重复次数。
将十进制计数器输出端通过逻辑电路接分别到Y1、Y2、Y3，使L1在十进制计数器输入为0、1、2时输出为1其余状态为0，Y2在3、4、5时输出为1其余状态为0，Y3在6、7、8、9输出为1其余状态为0，并将Y1接上非门接到74LS139的使能端，Y2，Y3直接接到对应状态的74LS194的清零端。
将Y2、Y3分别接入非门，再和摇摆状态的输出端一起接入及门。
这样在第一种状态时，Y2、Y3都为0，接入非门后都为1，和第一种状态输出端相及时不影响其输出状态。
而当工作在后两种状态时，及门输出的总为0，再把及门的输出端和两片74LS194的输出端接入用三个二极管做成的三输入或门，最后接入LED灯，形成三种状态的输入的整合，完成要求。
2.4 方案比较方案一和方案二都运用了四分频，并通过组合电路把每一部分成功的组合了起来,但方案一只利用一片数选和一些逻辑门就完成对三部分电路工作的分别控制；方案一在实现各个状态时用了一片译码器和一片移位寄存器，方案二利用了一片译码器和两片数据选择器；两种方案最后都经过分析将其使能端或清零端接出和各个输出端Qn经过逻辑门相连便能实现其功能。
虽然方案二理解起来思路更清晰，但方案二则通过对逻辑输出关系的分析，利用尽可能少的元件进行对方案的实现。
相对来说，方案一所用元器件更少，方案二相对更于理解和分析，但元件和逻辑门相对较多，电路组合较复杂。
因此经过小组讨论，我们决定将方案一作为最终的小组方案。
3、部分电路设计3.1 四十进制设计\说明：实际电路中U2CKA接的是555多谐振荡器发出的方波信号作为时钟。
先用两片LS290做出四进制和十进制的计数器，再将四进制290的Q1输入至十进制290的CKA作为时钟，组成四十进制计数器。
将十进制计数器输出端通过逻辑电路接分别到Y1、Y2、Y3，使L1在十进制计数器输入为0、1、2时输出为1其余状态为0，Y2在3、4、5时输出为1其余状态为0，Y3在6、7、8、9输出为1其余状态为0，并将Y1接上非门接到74LS139的使能端，Y2，Y3直接接到对应状态的74LS194的清零端。
这样做到了对三种状态电路的分别控制。
74LS90引脚图及功能表如图5-1和表1-1所示。
三种图案霓虹灯控制器设计图5-1 74LS90引脚图表1-1 74LS90功能表3.2 摇摆状态图6-1 摇摆部分电路图说明：如图6-1，用74LS90制作一个四进制计数器，将Q0、Q1分别接A、B，通过74LS139输出，然后将Y0、Y2和Y1、Y3分别接入两个及门后输出，在分别将其输出接到D1、D3和D2、D4，在脉冲信号作用下，便能实现摇摆功能。
例如：AB输入00时，Y3Y2Y1Y0输出1110，因此灯D1、D3灭，D2、D4亮。
74LS138引脚图及功能表如图7-1和表2-1所示。
Array图7-1 74LS139引脚图表2-1 74LS139功能表3.3 暗点循环图8-1 暗点循环部分电路说明：如图8-1，第13秒时的一瞬间Q0Q1Q2Q3输出为0000，此时将Q3通过反相器接入S1，S1即为1，又S0为1，开始置数功能。
将置数端D0D1D2D3分别接入0111并行置入输出端Q0Q1Q2Q3，D03D14D25D36SR 2SL 7CLK 11S09S110MR 1Q015Q114Q213Q312U1074LS194+5V+5V56U1:C74LS04GNDD13LED-BLUED14LED-YELLOWD15LED-GREEND16LED-REDG N DU10(CLK)则此时灯D16D15D13D14输出状态为0111。
此时Q3经反相器输出给S1端的为0，又S0为1，故开始右移功能。
将SR接入高电平1，即74LS194开始右移计数0111→1011→1101→1110。
当进入1110状态时，Q3经反相器输出给S1的又变为1，芯片开始置数功能，重新置为0111，重复以上过程完成暗点循环。
3.4 逐个点亮逐个熄灭D03D14D25D36SR2SL7CLK11S09S110MR1Q015Q114Q213Q312U174LS194U1(CLK)12U2:A74LS04D4LED-REDD3LED-REDD2LED-REDD1LED-RED图9-1 逐个点亮逐个熄灭部分电路说明：如上图，用74LS194设计4位扭环形计数器，在脉冲信号作用下，便能够实现逐个点亮逐个熄灭的循环状态。
74LS194的引脚图及功能表如图10-1和表3-1所示。
图10-1 74LS194引脚图表3-1 74LS194功能表3.5 时钟脉冲信号的制作R4DC7Q 3G N D1V C C8TR 2TH6CV5U1NE555R14.7KR24.7KC1100uFC20.01uFGND+5V图11-1 时钟脉冲信号部分电路时钟信号频率可由下列公式求得：f=1/(R1+2R2)*C1*ln2 Hz 即： t=(R1+2R2)*C1*ln2 s由题目要求周期为1s，所参数设计为：R1=4.7k R2=4.7k C1=100uF按此参数设计，多谐振荡器输出脉冲周期大约为1s。
