武汉理工大学电工电子课设 彩灯循环.docx
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武汉理工大学电工电子课设彩灯循环
课程设计任务书
学生姓名:
高时海竟专业班级:
电气1007
指导教师:
罗惠谦工作单位:
武汉理工大学
题目:
彩灯循环控制电路的设计与制作
初始条件:
(1)8个彩灯能够自动循环点亮。
(2)彩灯循环显示且频率快慢为1S。
选作:
设计具有控制彩灯左移,右移,全亮及全灭功能的电路
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
(1)设计任务及要求
(2)方案比较及认证
(3)系统框图,原理说明
(4)硬件原理,完整电路图,采用器件的功能说明
(5)调试记录及结果分析
(6)对成果的评价及改进方法
(7)总结(收获及体会)
(8)参考资料
(9)附录:
器件表,芯片资料
时间安排:
6月25日~6月28日:
明确课题,收集资料,方案确定
7月28日~7月2日:
整体设计,硬件电路调试
7月2日~7月6日;报告撰写,交设计报告,答辩
指导教师签名:
2012年7月日
摘要
开设电子实验技术的目的在于使学生理论联系实际,在老师的指导下完成大纲规定的实验任务。
开发我们分析问题或解决问题的能力,培养严谨的工作作风,实事求是的科学态度,刻苦钻研、勇于探索和创新的开拓精神以及遵守纪律、团结协作和爱护公物的优良品质。
可编程的彩灯控制电路很多,绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的,例如,用中规模集成电路实现的彩灯控制电路主要用计数器,译码器,分配器和移位寄存器等集成。
本次设计的可编程彩灯控制电路就是用移位寄存器、计数器和译码器等来实现,其特点是用发光二极管显示,能实现可预置编程循环功能。
关键词:
数字电子技术集成电路彩灯控制预置编程循环流水灯
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系统设计要求
1.1.1设计内容及要求
彩灯循环控制电路的设计与制作,要求设计8个彩灯能够自动循环点亮,彩灯循环显示的频率为1HZ,可以循环左移,循环右移,并可实现全亮和全灭。
1.2设计思路及原理框图
彩灯循环控制电路应包括以下几部分:
CP脉冲产生电路,彩灯循环控制电路,彩灯花形演示电路。
具体结构如图所示:
图1-1彩灯循环电路的结构框图
脉冲电路产生周期为1s的脉冲送达循环电路的输入端,控制电路的计数器或者移位寄存器开始工作,然后将产生的高低电平的控制信号输入到发光二极管阵列,驱动流水灯开始自动循环点亮,或者全亮、全灭。
1.3设计原理与方案论证
1.3.1脉冲产生电路
方案一:
使用555定时器组成的多谐振荡器。
图1-2555定时器多谐振荡
555定时器内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路形式,受影响较小,其振荡周期由R1,R2和C决定,方便计算和调节。
由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器,脚2与脚6直接相连。
电路没有稳态,仅存在两个暂稳态,电路亦不需要外接触发信号,利用电源通过R1、R2向C充电,以及C通过R2向放电端
放电,使电路产生振荡。
电容C在
和
之间充电和放电,从而在输出端得到一系列的矩形波。
输出信号的时间参数是:
T=
=0.7(R1+R2)C
=0.7R2C
其中,
为VC由
上升到
所需的时间,
为电容C放电所需的时间。
R1=50K,R2=25K,C1=10uF,C2=0.01uF,T=1S
555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ,但两者之和应不大于3.3MΩ。
方案二:
使用CMOS门电路组成一个简单的多谐振荡器,产生周期为T的脉冲波
图1-3门电路多谐振荡器
优点:
电路简单,易于搭建,设计原理简单。
所用元件数量少,节省经费且可靠性高。
缺点:
该方案仅适合于R>>CMONS门中NMOS,PMOS管的导通电阻,C远大于电路的分布电容的情况,且频率不稳定,电压变化易产生影响。
使用coms电路应注意的问题:
1.电源极性:
电源极性不得接反,否则将损坏集成块。
使用ic插座时,管脚顺序不允许插反。
2.焊接:
焊接时,应采用20w内热式电烙铁,烙铁外壳需接地线,防止因漏电而损坏集成电路。
每次焊接时间应控制在3~5s内。
为了安全起见,也可先拔下烙铁插头,利用烙铁的余热进行焊接。
严禁在电路通电时进行焊接。
3.未通电决不能送输入信号:
在cmos电路尚未接通电源时,决不可以将输入信号加到cmos电路的输入端。
如果信号源和cmos电路各用一套电源,则应先接通cmos电源,再接通信号源的电源;关机时,应先切断信号源电源,再关掉cmos电源。
4.通电vdd与vss不得短路:
通电以后,不得将vdd(电源)与vss(接地)短路,也不得将输出引脚与电源端短路,否则会损坏集成电路。
5.不用的输入端所接输入逻辑电平应适当:
所有不同的输入端,均应根据实际情况接上适当的逻辑电平(vdd或vss),不得悬空,否则电路的工作状态将不确定,并且会增加电路的功耗。
对于触发器,还应考虑控制端的直流偏置问题。
一般可在控制端与vdd或vss(根据具体情况而定)之间接一只100kω的电阻,触发信号则接到管脚上。
这样才能保证在常态下电路状态是惟一的,一旦触发信号(脉冲)来到时,触发器便能正常翻转。
6.防感应电压:
cmos电路的栅极与基极之间。
有一层厚度仅为0.1~0.2µm的二氧化硅绝缘层,由于cmos电路的输入阻抗高,而输入电容又很小,只要在栅极上积有少量电荷,便可形成高压,将栅极击穿,造成永久性损坏。
由于人体能感应出几十伏的交流电压,衣服在摩擦时还能产生数千伏的静电,故尽量不要用手或身体接触cmos电路的管脚。
长期不用时,最好用锡纸将全部管脚短路后包好。
塑料袋易产生静电,不宜用来包装集成电路。
7.正常接线:
给数字cmos集成电路接线时,外围元件应尽量靠近所连管脚,引线力求短捷,应尽量避免使用平行的长引线,否则极易引入较大的分布电容和分布电感,容易形成lc振荡。
解决的方法是:
在输入端串入10kω左右的电阻。
8.高速cmos应注意电路结构:
使用高速cmos电路时,一定要注意电路结构和印制电路板的设计。
输出引线过长,容易产生“振铃”现象,进而就会引起波形失真,严重时还会导致电路无法工作。
9.输入规则·输入端接低内阻信号源时,应在输入端与信号源之间串接限流电阻。
输入端接大电容时,为防止电容放电形成较大的瞬时电流,也应在输入端与电容之间串接限流电阻。
10.输出规则:
除具有od结构和三态输出结构的门电路之外,禁止将输出端并联使用。
禁止输出端直接与vdd或vss连接。
为增加cmos电路的驱动能力,同一芯片上的cmos门允许并联在一起使用。
不在同一芯片上的门电路不允许这样使用。
11.抗干扰能力:
电源电压应保持在最大极限电压范围之内。
电源电压越高,电路抗干扰能力就越强,允许的工作频率越高,但功耗会相应增大。
12.防止产生锁定效应:
锁定效应也称为可控硅效应,是cmos电路的一个特有问题,发生锁定效应应会造成器件永久损坏。
它是由于对器件使用不当或受外界原因激发后,导致电源电压剧增。
为了防止锁定效应,应对输入ui,输出uo电压做适当要求:
vd 式中: vd——电路中寄生三极管发射结导通电压;vddbr——的击穿电压。 同时,还应采取如下的措施: 在电源输入端加去耦电路,防止vdd出现瞬时高压。 在vdd与外电源之间加限流电阻,以保护芯片不致过流损坏。 调试电路时应注意: 接通与关闭电源的顺序。 由于考虑到NE555芯片比较常见且价格比较便宜,故选择该芯片作为脉冲产生电路。 1.3.2流水灯循环控制电路 方案一: 使用可以进行加计数和减计数的计数器74ls193 74ls193引脚功能说明见表1-1 表1-1RS485针脚功能说明 MR PL CPu CPd 工作模式 H X X X 清零 L L X X 预置 L H H H 保持 L H ↑ H 加计数 L H H ↑ 减计数 MR为清零端,高电平时实现清零,PL为异步并行负载(低电平)输入端,当时钟脉冲从CPu输入且CPd端置高电平时,则实现加计数从二进制0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001→0000的循环,当时钟脉冲从CPd输入且CPu端置高电平时,则实现减计数从二进制0000→1001→1000→0111→0110→0101→0100→0011→0010→0001→0000.通过改变脉冲的输入端来改变计数器的加减方式,从而实现流水灯的左移右移。 此方案需配合使用译码器,选择三线八线译码器74ls138。 74ls138引脚功能说明见表1-2 表1-274LS138引脚真值表 E3 E2 E1 A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 X X H X X X H H H H H H H H L X X X X X H H H H H H H H X H X X X X H H H H H H H H H L L L L L L H H H H H H H H L L L L H H L H H H H H H H L L L H L H H L H H H H H H L L L H H H H H L H H H H H L L H L L H H H H L H H H H L L H L H H H H H H L H H H L L H H L H H H H H H L H H L L H H H H H H H H H H L 138有三个使能端,E3高电平有效,E1,E2低电平有效,当使能端按要求接入,从地址输入端送入三位二进制数时,八个输出端将有一个输出低电平,从而实现驱动流水灯的某一盏工作。 图1-474ls193与74ls138串联 把计数器193的低三位输出接到译码器138的输入端,则193的Q0,Q1,Q2输出实现一个八进制的循环,138则按此循环二进制数译码,Y0~Y7口依次输出低电平,改变CPu和CPd的输入,则可以使循环的方式发生改变实现左移右移. 方案二: 使用双向位移寄存器74ls194,用其输出端对三个彩灯分别进行循环循环控制, 194的引脚图如图1—5所示。 图1-474ls194的引脚图 把CR接高电平,SR接到Q3端,实现环形计数器,D0D1D2D3预置1000,SL置空,Q0接红灯Q1接黄灯Q2和Q3通过一个或非门接一个绿灯,CP接上一个芯片来的脉冲,Q0Q1Q2Q3通过同或门接到S1端,S0接高电平,当开启电源时,Q0Q1Q2Q3通过同或门向S1端输入高电平,达到S1S0都为高电平,这样就像芯片送数1000,这是Q0Q1Q2Q3通过同或门向S1送低电平,这时芯片就会1000→0100→0010→0001→1000→0100→0010→0001实行循环。 74ls194引脚功能说明见表1-3 表1-374LS138引脚真值表 MR S1 S0 SR SL Pn Q0 Q1 Q2 Q3 L X X X X X L L L L H L L X X X Q0 Q1 Q2 Q3 H H H H L L X X L H X X Q1 Q1 Q2 Q2 Q3 Q3 L H H H L L H H L H X X X X L H Q0 Q0 Q1 Q1 Q2 Q2 H H H X X Pn P0 P1 P2 P3 如果将两片194级联,第一片的Q3接到第二片的SR,第一片的SL接到第二片的Q0,构成八进制计数器。 图1-574ls194级联成八进制位移寄存器 当两片194的脉冲输入端同时输入CP脉冲,第一片开始工作,当第一片的最高位输出为1时,第二片的SR输入为1,第二片开始工作,实现了八进制的功能。 由194的真值表可知,通过改变S1,S0的输入可以实现左移和右移,我们只需使用D触发器的的输出端Q和反向输出端的变化改变对S1,S0的控制,从而实现左移右移的改变。 此方案两片74LS194级联成8位移位寄存器。 彩灯移位非左即右,即S1S0=01或S1S0=10,由D触发器构成的T’触发器控制(FF2)。 设S1S0=10(194的Q3从DL接收数据,从Q0移出数据),在CP作用下彩灯依次点亮。 第9个CP,使FF1置1,其/Q=0,将74LS194清0,彩灯全灭;熄灭后反馈信号由1→0。 同时,FF1的Q端由0→1,产生FF2的CP信号,使FF2翻转,S1S0=01。 第10个CP,使FF1重新置0,Q端由1→0,/Q端由0→1,解除对74LS194的清0,使74LS194可以进行反向移位。 第11个CP开始,彩灯反向逐个点亮。 由此电路实现彩灯逐个点亮--全亮后熄灭--再反向逐个点亮--全亮后熄灭的循环控制。 图1-6双向八位彩灯的设计方案之一 需要用到两个D触发器,需要考虑到时序的问题,比较复杂,而且彩灯只能依次循环点亮并反向,外加电源控制需考虑其它问题,故舍弃,选择方案一。 1.3.3流水灯显示电路 用与门驱动发光二极管显示,这样可以在与门的一个端接开关,控制流水灯的全亮全灭。 在使用LED产品时,请严格遵照以下条件并参照我司提供的规格书进行,以防止不必要的损坏: LED使用的注意事项: 一、使用电流 (1)LED-LAMP的正常工作电流为20mA,电压的微小波动(如0.1V)都将引起电流的大幅度波动(10%-15%)。 (2)过流保护: 过高的电流会引起LED灯的烧坏及亮度的加速衰减。 在电路设计时应根据LED的压降配对不同的限流电阻进行串联保护,以保证LED工作稳定和处于最佳工作状态。 电阻值计算公式为: R=(VCC-VF)/IF[VCC: 电源电压,VF: LED驱动电压,IF: 顺向电流]。 (3)LED应在相同的电流条件下工作,一般建议LED之电流为15~18mA.电流过大,LED会缩短寿命,电流过小,达不到所需光强。 二、亮度测试及产品使用说明 (1)测试VF、亮度、波长时电流必须设为20mA,测试VR时IR设为10uA,测试IR时VR设为5V,与测试同步; 检测和使用LED时,必须给每个LED提供相同电流即使用恒流检测,才能保证测亮度一致,电流最好不要超过20mA,最好使用15~18mA的电流。 (2)使用已分光色的产品时,请按BIN号的先后顺序归类使用,不能把不同等级BIN号(每包标签上有标识)的产品混合使用在同一个产品上,以免产生颜色、、电压的差异。 如确要混BIN使用,相邻BIN号方可放在一起使用,但应尽量避免。 三、防静电的注意事项 (1)所有接触LED的设备及仪器、作业台面均需加装地线,特别焊接的烙铁及锡炉必须接地良好。 (2)操作人员一定要戴防静电手套,防静电手腕并保证良好接地,并且地线与市地线电位差不超过5V或者阻抗不超过25Ω。 在接触LED前进行消静电动作,电烙铁或浸焊设备一定要接地,同时应使用离子风扇消除静电。 严禁徒手触摸LED的两只引线脚。 因为LED的防静电为100V,而人在工作台上工作湿度为60%-90%时人体的静电会损坏发光二极管的结晶层。 若LED结晶层有被静电损害,会显示一些不良特性,如漏电流增加、静态顺何电压降低或上升,在低电流测试不亮或发光不正常(偏暗),被静电损坏的LED工作一段时间后(如10小时)就会发光不正常、变暗或失效(不亮),严重时会立即失效。 (3)防静电手腕必须每天进行测试,不合格的须更换。 四、焊接条件 (1)焊接时LED不能通电。 (2)使用烙铁焊接时: 烙铁最大功率30W,烙铁尖最高温: 280℃,预热最长时间60秒,焊接最长时间不得超过3秒;使用浸焊时,最高温度不得超过260度,最长时间不得超过5秒。 (3)烙铁焊接位置: 距胶体底面大于3mm以上;浸焊位置: 距胶体底面大于3mm。 (4)在焊接或加热时,温度回到正常以前,必须避免使LED受到任何的震动或对其施加外力。 五、因设计需要弯脚或切脚时引脚成形方法 (1)在对LED进行弯脚及切脚时,弯脚及切脚的位置距胶体底面至少大于2mm以上,否则会使LED胶体胶体 破裂及损坏内部结构,管脚在同一处的折叠次数不能超过3次,管脚弯成90°,再回到原位置为1次。 (2)支架成型须用夹具或由专业人员来完成。 (3)支架成型应在焊接前完成。 (4)支架成形需保证引脚和间距与线路板上板孔间距对应一致。 (5)切脚时由于切脚机振动磨擦产生很高电压的静电,故机器要可靠的接地,做好防静电工作(可吹离子风扇消除静电)。 六、LED安装方法 (1)注意各类LED引线的排列,以防极性装错。 LED不可与发热元件靠得太近,工作条件不要超过其规定的极限。 (2)请不要在引脚变形的情况下安装LED。 (3)当决定在孔中安装时,计算好面板及线路板上孔距的尺寸和公差以免支架受过度的压力。 (4)安装LED时,建议用导套定位。 七、清洗 (1)当用化学品清洗时必须特别小心,勿用有机溶剂(如丙酮,天那水、三氯乙烯)清洗或擦拭LED胶体,造成胶体表面损伤并引起褪色、发光不正常或胶体内部破裂,导至LED内部金线与芯片过接破坏.造成发光不正常或胶体内部破裂,导至LED内部金线与芯片过接破坏.。 如需要清洁LED,建议用超声波清洗LED,如暂时没有超声波清洗机可暂用乙醇擦拭、浸渍,时间在常温下不超过1分钟。 八、工作及储存温度 (1)LEDLAMPS: 工作温度-30℃~80℃储存温度-40℃~85℃。 通电情况下,避免在80℃以上高温作业,如有高温作业一定要做好散热保护措施。 (2)LEDDISPLAYS: 工作温度-20℃~70℃储存温度-20℃~85℃ (3)OUT-DOORLEDLAMPS: 工作温度-20℃~60℃储存温度-20℃~70℃。 图1-7发光二极管显示电路 2整体设计及原理说明 2.1系统总体电路图 图2-1系统整体电路图 整体说明: 取脉冲时钟电路的R1=50K欧,R2=25K欧,电容C1=10uf,C2=0.01uf,可产生周期为1s的脉冲方波,将此脉冲送到193的Cpu端,则193开始加计数,若接入CPd端,则计数器减计数,将193的输出第三位Q0,Q1,Q2接到138芯片的A0,A1,A2位,则138开始译码输出。 单刀双掷开关S1决定脉冲输出接Cpu或CPd,所以S1控制循环的左移或右移,单刀双掷开关S2控制138的使能端,如果接低电平则,138输出全为高电平,S3控制与门的一个输入端,当S3接低电平,led全亮,当S3接高电平且S2接低电平则led全灭,当S3接高电平且S2接搞电平则led循环左移或者右移。 三个开关S1,S2,S3的优先级和功能表如表2-1: 表2-1开关S1,S2,S3的优先级 开关名称 S1 S2 S3 Led情况 所接端口 接CPu 接CPd 接VCC 接GND 接VCC 接GND 接入情况 X X X X 0 1 全亮 X X 0 1 1 0 全灭 1 0 1 0 1 0 循环右移 0 1 1 0 1 0 循环左移 (1表示此事件发生,0表示不发生) 2.2部分电路的原理说明 2.1.1各芯片具体介绍 1.555定时器 图2-2555定时器内部逻辑图 555定时器的逻辑功能取决于C1、C2比较器的工作状态。 在没有外加电压Vm的情况下: 当Vi1>V-1、Vi2>V+2时,比较器输出Vc1=1、VC2=0,触发器置0,Q=0,Vo=0,TD导通。 将Vo=0,Vo’对地导通的状态称定时器的0态。 当Vi1 将Vo=1,Vo’对地断开的状态称定时器的1态。 当Vi1 555电路的引脚功能见表2-2 表2-2555定时器的引脚功能 触发 阈值 复位 IS 放电端 输出 > H 导通 L H 原状态 × H 截止 H × × L 导通 L 2.计数器193 74LS193是双时钟4位二进制同步可逆计数器。 简要说明: 193为可预置的十进制同步加/减计数器,共有 54193/74193,54LS193/74LS193两种线路结构形式。 其主要电特性的典型值如下: 193的清除端是异步的。 当清除端(CLEAR)为高电平时,不管时钟端(CDOWN、CUP)状态如何,即可完成清除功能。 193的预置是异步的。 当置入控制端(LOAD)为低电平时,不管时钟(CDOWN、CUP)的状态如何,输出端 (QA-QD)即可预置成与数据输入端(A-D)相一致的状态。 193的计数是同步的,靠CDOWN、CUP同时加在4个触发器上而实现。 在CDOWN、CUP上升沿作用下QA-QD同时变化,从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。 当进行加计数或减计数时可分别利用CDOWN或CUP,此时另一个时钟应为高电平。 当计数上溢出时,进位输出端(CARRY)输出一个低电平脉冲,其宽度为CUP低电平部分的低电平脉冲;当计数下溢出时,错位输出端(BORROW)输出一个低电平脉冲,其宽度为CDOWN低电平部分的低电平脉冲。 当把BORROW和CARRY分别连接后一级的CDOWN、CUP,即可进行级联。 引出端符号 表2-374ls193引出端符号和作用 BORROW 错位输出端(低电平有效) CARRY 进位输出端(低电平有效) CDOWN 减计数时钟输入端(上升沿有效) CUP 加计数时钟输入端(上升沿有效) CLEAR 异步清除端 A-D 并行数据输入端 LOAD 异步并行置入控制端(低电平有效) QA-QD 输出端 74LS193的特点是有两个时钟脉冲(计数脉冲)输入端CPU和CPD。 在RD=0、LD=1的条件下,作加计数时,令CPD=1,计数脉冲从CPU输入;作减计数时,令CPU=1,计数脉冲从CPD输入。 此外,74LS193还具有异步清零和异步预置数的功能。 当清零信号RD=1时,不管时钟脉冲的状态如何,计数器的输出将被直接置零;当RD=0,LD=0时,不管时钟脉冲的状态如何,将立即把预置数数据输入端A、B、C、D的状态置入计数器的QA、QB、QC、QD端,称
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