循环彩灯课程设计

成绩

课程设计说明书

题目：循环彩灯电路设计

课程名称：数字电子技术

学院：电子信息与电气工程学院

学生姓名：李倩

学号：201102020025

专业班级：电子信息工程2011级1班

指导教师：翟亚芳

2013 年6 月7 日

课程设计任务书设计题目循环彩灯

学生姓名李倩所在学院电子信息与电气工

程学院

专业、年级、班

电子信息工程

2011级1班

设计要求：

1、设计制作一个循环彩灯电路；

2、设置彩灯数量为8个，8个彩灯从左到右依次点亮，然后依次熄灭，点亮和熄灭的时间间隔为1秒。

学生应完成的工作：

设计循环彩灯的工作原理，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。

参考文献：

[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:高等教育出版社,2005.

[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[5]张阳天，韩异凡.Protel DXP电路设计[M].北京：高等教育出版社，2005.

工作计划：

5月27号—30完成原理图设计；5月31号进行PCB设计；6月3号到4号制作PCB板；6月5到7号电路板安装与调试，提交课程设计报告。

任务下达时期：2013 年5月27日

任务完成时期：2013年6月7 日

指导教师（签名）：学生（签名）：

循环彩灯

摘要：设计制作了一个循环彩灯控制电路，该电路可以控制8个彩灯从左到右依次点亮，然后依次熄灭，点亮和熄灭的时间间隔为1秒。电路主要由555定时器、同步十六进制加法计数器74LS161和8位串行输入、并行输出移位寄存器74LS164以及2输入端4与非门74LS00组成。555定时器可以产生振荡周期为1秒的时钟信号；74LS161对时钟信号进行加法计数；74LS00对74LS161产生的信号进行取反，74LS164对74LS00输出的信号移位寄存输出并驱动对应的发光二极管工作，使其可以达到可以依次点亮依次熄灭的目的。

关键词：555定时器；加法计数器；反相器；移位寄存器；

目录

1. 设计背景 (1)

1.1 了解数字电路系统和数字电路的定义和组成 (1)

1.2 掌握时钟电路的作用及基本构成 (1)

2. 设计方案 (1)

2.1 任务分析 (1)

2.2 方案论证 (2)

3. 方案实施 (2)

3.1 原理图设计 (2)

3.2 电路仿真 (4)

3.3PCB制作 (5)

3.4 安装与调试 (6)

4. 结果与结论 (6)

5. 收获与致谢 (6)

6. 参考文献 (7)

7. 附件 (7)

7.1 电路原理图 (8)

7.2仿真图 (8)

7.3 PCB布线图 (9)

7.4实物图 (10)

7.5 元器件清单 (11)

1. 设计背景

1.1 了解数字电路系统和数字电路的定义和组成

数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。输入电路主要作用是将被控信号转换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。比如数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。

数字电路是用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路，又叫数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。

1.2 掌握时钟电路的作用及基本构成

时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。比如多路可编程控制器中的555多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。

2.设计方案

2.1 任务分析

根据课程设计要求，设置彩灯数量为8个，8个彩灯从左到右依次点亮，然后依次熄灭，点亮和熄灭的时间间隔为1秒。要想达到这样的目的，我们应该用什么样的元器件呢？首先8个彩灯要依次亮，时长为一秒，因此我们必须要找一个能提供周期为一秒的脉冲信号，多谐振荡器可以满足，多谐振荡器可以产生相应的时钟脉冲，产生时钟脉冲后，要想办法将脉冲计数，这样才能控制八个LED灯，因此这时可以接一个74LS161

加法计数器，除了要控制八个灯，还要使八个灯依次点亮，依次熄灭，因此还需要一个移位寄存器，74LS164可以满足我们的条件，因为74LS161的Q4端口依次输出的是00000000，而别的端口的信号不能满足这样，而且我们后面的电路二极管是共阳极的，为了使其先出现11111111，所以用一个反相器74LS00将其反一下。然后用移位寄存器将产生的信号进行移位，使LED 灯产生依次点亮依次熄灭的结果。

2.2 方案论证

电路结构框图如图1所示。

图1 电路结构框图

3. 方案实施

3.1 原理图设计

1、时钟电路设计

555集成定时电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，可连接成多谐振荡

电路，产生时钟脉冲信号，用于触发计数器。其振荡周期由R1，R2和C1、C2决定，方便计算,调节555定时器构成的时钟信号产生电路如图2所示。根据振荡周期计算公式2

ln )221(C R R T

+=可得，该电路的振荡周期为1s ，因此可以计算出555定时器中需要

47KΩ、51KΩ电阻和10nF 、10uF 的电容。

时 钟 发 生 器

加

法 计 数 器

反

相

器

显示输出端

移 位

寄 存

器

图2多谐振荡器

2、驱动电路设计

由74LS161加法计数器、74LS00与非门和74LS164移位寄存器组成,用以驱动发光二极管正常工作，并且在时钟电路的控制下让八个发光二极管根据要求工作。

设计原理：74LS161可以将多谐振荡电路产生的脉冲进行计数，是为了能够控制八个LED灯，然后用74LS00将74LS161产生的信号进行反相，是为了使传入74LS164的脉冲为11111111，然后将74LS00传入的脉冲进行移位，这样就可以使得LED灯依次点亮依次熄灭。驱动电路图如图3所示。

图3 驱动电路图

3、输出电路设计

输出电路有8个发光二极管和2个100Ω的电阻和一个低电平组成。只有当从驱动电路过来的是高电平，才可以让发光二极管导通发光。输出电路如图4所示。

图4 输出电路

3.2 电路仿真

在各单元电路设计的基础上，按照总体电路图在仿真软件Multisim上一一选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。将电路在Multisim上连接好后，为各个电阻和电容选取适当值，为各个开关设置好适当的键盘打开数值连接，然后打开Multisim的开关，根据彩灯的闪烁情况判断电路是否正常。用555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率理论值为1Hz，可能因为电压的不稳定，在开始时彩灯亮的时间并不为1s，而且亮灯不稳定，在经过我们的仔细检查修改之后，彩灯按照时长为1秒进行依次发亮。根据仿真结果可知电路原理无误，可以进行PCB板布线。仿真图如图5所示，多谐振荡器产生的脉冲信号如图6所示。

图5 仿真图

3.3 PCB制作

在布线前要在DXP中完成对电路图各元件的封装。在封装时，要注意，因为对于

同一个元件可能有多种封装方式。封装时根据所给元件的类型选择合适的封装，然后对各个元件进行封装。封装完成后，把原理图导入PCB板。导入PCB板后，再对元件的位置重新手动摆放，使尽量少的线重叠，以减少布线时的跳线出现。最开始的时候我们设计的原理图不对，但是通过老师和搭档的仔细观察，我们及时的发现了问题，然后及时纠正我们的原理图，最后我们的跳线也减少到了一根，为我们的后期的焊板减少了麻烦。

3.4 安装与调试

在安装上，我们要注意发光二极管有没有插反，请教了老师怎样辨认正负极。然后安装好所有的芯片和电路原件后，按照电路图逐一检查电路有没有漏焊的问题，接下来用万用表逐一检查有没有虚焊或线路断路或线路短路的。在安装的过程中我们发现我们的LED灯和电容C1的极性接反了，还好有搭档的及时发现我们立即得纠正了我们的错误，后来又发现了555定时器的封装出现了问题，又重新将555定时器进行封装，这些遇到的问题都不是大的问题，在后来的调试过程中发现我们的灯不亮，经过后期我们的仔细研究发现我们的原理图画错了，74LS161的CLK端接错了线，我们抓紧时间调整我们的原理图和PCB图以及我们PCB板的实物图连线，当后来看到灯终于亮的时候我们就知道自己的付出没有白费，汗水没有白流。

4. 结果与结论

我们这次的调试历尽千山万险，我们的PCB板终于调试成功了，很是欣慰啊，终于付出没有白费，汗水没有白流，也不枉我们指导老师翟亚芳一直的悉心指导，而且我学会了很多东西，大家一块团队思考问题的感觉真好，这次的课程设计确实让我学会了很多，也发现了我们在设计原理图时候的粗心，以后的我们会做事情更加的认真、仔细的。

5.收获与致谢

经过两个星期的电子技术课程设计，首先非常感谢翟亚芳老师的悉心教导，使我在这次的课程设计中学会很多，学会了数电学习中常用的元器件的用法，学会了专业课中

常用的Altium Designer以及Multisim软件的应用，更重要的是学习了同学间的相互合作精神。通过本次课程设计，我收获了很多。首先通过实践加深了对数字电子技术理论知识的理解，能够初步掌握电子信息专业常用软件的基本工具的应用，并且亲身感觉到与数字生活是如此的近距离，有说不出的喜悦与甜蜜。但是由于软件基本功不行，设计过程中遇到了小难题，尤其在PCB布线的时候，耽误了大量时间，在经过不懈努力后才完成了我们的PCB板。所以我们在设计的过程中，不可对其中任意一个环节不耐心，要认真检查到每一根导线。由于刚刚开始的时候我们的布线不是很合适出现了多根跳线，经过老师的悉心指导，我们的成功得把跳线减少到1根，这实在是令我们喜悦，这也让我们尝到了成功的果实。

这次课程设计我深刻意识到认真的重要性，也许是第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现自己的不足之处，对以前所学过的知识认识得不够深刻，掌握得不够牢固，理解的不够透彻。总体来说,这次实习我受益匪浅.在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,还培养了我的设计思维, 增加了实际操作能力。如果不能够认真谨慎的工作，我们的设计不会达到预期的效果。还有不论遇到什么困难，不要对自己失去信心。在以后我要更加努力学习，培养自己独立思考的能力，弥补自身的不足，提高自己的综合素质。这次设计过程中我要感谢翟亚芳老师的悉心教导，同时还要感谢我的搭档在我没有思路为难之际给与我的帮助，教会我运用DXP软件，让我知道了团队合作的重要性，我再次表示深深的感谢。

6. 参考文献

[1] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:高等教育出版社,2005.

[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[5]张阳天，韩异凡.Protel DXP电路设计[M].北京：高等教育出版社，2005.

7.附件

7.1 电路原理图

电路原理图如图7所示。

图7电路原理图7.2 仿真图

仿真图如图8 所示。

图8 仿真图7.3 PCB布线图

PCB 布线图如图9所示。

图9 PCB布线图

7.4 实物图

实物图如图10所示。

图10 实物PCB图

7.5 元器件清单

元器件清单如表1所示

表1元器件清单

名称功能个数

74LS161加法计数器1

74LS00与非门1

74LS164移位寄存器1

电容10nF 1

电容10uF 1

电阻47KΩ 1

电阻100Ω 2

电阻51KΩ 1

发光二极管蓝、绿、红8

555定时器定时1

Header电源接口1