彩灯循环控制电路的设计与制作.docx
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彩灯循环控制电路的设计与制作
摘要
电子技术实验是一门重要的实践性技术基础课程,开设本课程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。
近年来,由于集成电路的迅速发展,使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。
在设计中更多的使用中规模集成电路,不仅可以减少电路组件的数目。
使电路简捷。
而且能提高电路的可靠性,降低成本。
因此用集成电路来实现更多更复杂的器件躬耕则成为必然。
现代生活中,彩灯越来越成为人们的装饰品,它不仅能美化环境,渲染气氛,还可用于娱乐场所和电子玩具中。
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彩灯控制器主要用计数器,译码器,分配器和移位寄存器等集成。
流水灯是一串按一定的规律像流水一样连续闪亮的灯的组合,流水灯控制是可编程控制器的一个应用,其控制思想在工业控制技术领域也同样适用。
流水灯控制可用多种方法实现,如单片机I/O口控制,双向位移寄存器控制,计数器循环控制等,本次选用计数器40193做控制电路,其脉冲产生由555定时器构成的多谐振荡器构成,再通过三线八线译码器输出给发光二极管,实现了所需要的功能。
关键词:
流水灯计数器二进制译码器多谐振荡器
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,最后,将产生的高低电平输入到发光二极管,驱动流水灯开始工作。
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1-2门电路多谐振荡器
优点:
电路简单,易于搭建,设计原理简单。
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。
方案二:
使用555定时器组成的多谐振荡器。
图1-3555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=R2=10K,C=47uF,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。
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
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。
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—7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。
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=390欧R2=510欧,电容C=1uf,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。 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,称为异步预置数。 图2-374ls193的引脚图 图2-474ls193时序图 3.138译码器 74LS138为3线-8线译码器,共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式,其工作原理如下: 当一个选通端(E3)为高电平,另两个选通端(E1)和/(E2))为低电平时,可将地址端(A0、A1、A2)的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 利用E1、E2和E3可级联扩展成24线译码器;若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。 图2-574ls138引脚图 4.与门74ls08 74ls08是2输入的四与门,使用它可以控制输出的高低电平,来控制led灯的亮灭 与门功能说明见表2-3 表2-3与门真值表 输入 输出 A B Y L L L L H L H L L H H H 与门的输入: 当且仅当与门的两端输入均为高电平“1”时,与门的输出才为高电平,若与门的任一端输入低电平则与门的输出为低电平0.与门实现逻辑&的关系。 3调试记录及结果分析 3.1设计调试过程及遇到问题 设计采用仿真软件proteus9.4仿真的方法,该方法可以较好的模拟电路的输出输入,同时各端口的高低电平可以实时监测。 在proteus中加载元件并连线,可以避免因设计错误导致的元件浪费。 在使用仿真软件设计电路过程中遇到的最大问题是: 1.没有给Led发光二极管加上合适的驱动,导致产生的电压无法驱动发光二极管,二极管的亮度微弱 2.第一次组装的时候没有加上与门,使流水灯只能左右移动而不能够外加控制它的亮灭。 解决方法: 加上与门和相应的开关,并在led灯接合适的上拉电阻,增加相应的开关同步控制流水灯的亮灭,问题得以解决。 3.仿真时,芯片74ls138和74ls194有很多种,有些在仿真库里是没有模型的,在第一次画完之后发现系统报错,后来更换芯片,仿真成功。 在组装面包板的过程中,遇到的最大问题是: 1.面包板上的某些插口接触不良,导致流水灯亮灭不遵循循环的规律。 2.彩灯演示时有时正常有时混乱,在排除其它可能的情况下,检查各端子的连接情况,发现清“0”端在清“0”后悬空了,将其插到电源正极后,发现问题解决。 考虑到面包板插线不是十分稳定,由于导线的错综复杂使得信号有干扰,并且导线过于乱引起排查故障不便,我们组决定进一步采取措施,使用手工焊接电路板,用焊锡走线的方法来完成第二次电路搭接。 在焊锡焊接电路板过程中遇到的问题: 1.由于电路较为复杂,因此在走线的时候使用了导线跳线的方式,用示波器测试555产生脉冲的时候发现信号受到干扰,解决方法是把该导线拆下重新按照横平竖直的原则焊接,后测试信号较之前稳定。 2.在焊接完毕后测试发现有两个Led灯不亮,检查后发现该点处虚焊,又重新焊接,调好。 3.2实验过程及现象记录 1.先将电路的VCC,GND接到电源的输出端,用万用表测试各芯片工作电压,确保其上电正常。 2.用示波器接555定时器电路的脉冲输出端,调节滑动变阻器值使输出脉冲周期为1s(误差1%)。 3.按优先级测试开关S1,S2,S3的作用是否正常。 S3接低电平则led全亮 S3接高电平,S2接低电平则led全灭 S3接高电平,S2接低电平,当S1接Cpu则led灯一次向右循环移动,当S1接Cpd则led灯一次向左循环移动, 4对成果的评价及改进方法 4.1自我评估 本次作品基本完成了设计要求达到的功能,巧妙的利用了可以进行加减的计数器74ls193,较好的实现了流水灯的循环左移右移和全亮全灭四种花形,但是其仍存在许多局限性,例如: 不能随意改变花形,所用芯片较多,开关分为三个较为复杂等等。 4.2对作品的改进及提高 如果能够使用单片机对流水灯进行程序控制,就可以随意改变流水灯的亮灭时间和花样,能够实现较多的功能。 此方法需要对电子电工技术更高程度的掌握。 5小结及体会 通过对本课件的制作,我学会了很多东西。 首先。 我进一步熟悉了数字电路课程的知识,并将其实际应用,并且掌握了几种常用芯片的工作原理,熟记他们的真值表。 更深刻地了解了74LS193,555振荡器等芯片的使用和管脚的连接。 了解一般科学实验的基本步骤,学会了用科学精神去解决实际问题,初步培养了科学严谨的工作作风和实事求是的工作态度。 其次,电路的调试时一个十分重要的环节。 大部分电路图接好后就不会一次性成功,都会或多或少的存在一些问题,毕竟理论和实际是有差距的。 这时就要调试电路。 首先应该根据错误初步估计出错的地方和原因,是线路连接错误还是芯片或板子本身是坏的,当然还是有别的原因,然后有针对性的检查电路,对错误进行改正。 这里有必要说明一点,电路本身存在一个安全稳定性问题,所以在面包板上接线时,尽量用一根导线将输入和输出接通,因为导线中间每断一次都是电路的一个安全隐患。 再次,和同学的交流让我受益匪浅。 比如开始时对实验无从下手,面包板使用的模糊,以及后来设计和连线过程中间遇到的很多细节上的问题,经过同学的帮助都成功的解决并取得了很好的效果。 在检查电路错误的过程中我获得了很多排查电路错误的理论方法和实际经验。 另外,通过这次课程设计我的动手能力提高了很多,清楚地看到了自己的知识薄弱的方面,各个知识点没有联会贯穿,有些芯片的掌握不够牢固。 本次实验我们使用了计数器74ls193和译码器74ls138,在设计过程中我们还考虑了用D触发器和74ls194构成的电路,极大的加深了我对于时序电路,组合逻辑电路,以及逻辑门电路的掌握,巩固了电路,模拟和数字电子技术知识,水平得到提升。 以前只注重了理论学习,没有关注实践,这次课程设计弥补了我的这个弱势,提高了我的动手能力,增强了自信心。 在做此课程设计的过程中,充分体会到了实际操作的重要性。 课堂上所学的知识是基于理论的,我们需要动手实践来巩固这些理论并加深对它的理解。 此次试验由我们4人合作完成,在这个过程中我充分体会到了团队合作的重要性。 此次课程设计极大的锻炼了我的动手能力,巩固了平时所学的知识。 参考文献 [1]伍时和.数字电子技术基础.清华大学出版社,2009 [2]康华光.电子技术基础模拟部分(第五版).高等教育出版社,2005 [3]鲍可进.数字电路逻辑设计.北京: 高等教育出版社,1998 [4]武时和.数字电子技术基础.北京: 清华大学出版社,2009 [5]邱关源.电路.北京: 高等教育出版社,1988 附录: 元器件清单 元件清单见表7-1 表7-1元器件清单 元件名称 参数 数量 74ls08 - 两片 74ls138 - 一片 74ls193 - 一片 NE555 - 一片 电解电容 1uf 一个 电解电容 0.01uf 一个 发光二极管 直径3mm(红色) 八个 电位器 500千欧 两个 单刀双掷开关 - 三个 另外有自制5v电源一个 万用版一块 导线若干
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