八路彩灯课程设计

课程设计报告

课程: 数字电路

题目:八路彩灯控制器的设计

院系: 物理与电子信息学院

专业: 2011级电子信息科学与技术

学号: 20111302031

姓名: 李俊

完成日期: 2008 年 6 月 22 日

摘要：本次八路彩灯电路的制作主要采用74LS194芯片接成扭环形结构的移位寄存器来实现，通过555定时电路组成多谢振荡电路。整个电路主要由移位寄存器、控制电路、脉冲发生器构成8个彩灯的循环控制，并且可以组成多种花型。关键词：控制、循环、555定时电路

一、设计内容与设计要求

1.设计目的

⑴学会将一个实际情况抽象为逻辑电路的逻辑状态的方法。

⑵掌握计数、译码、显示综合电路的设计与调试方法。

⑶掌握实际输出电路不同要求的实现方法。

2.设计任务

八路彩示系统，该系统实现以下功能：

⑴八路彩灯从左向右逐次渐亮，间隔为1秒。

⑵八路彩灯从右向左逐次渐灭，间隔为1秒。

⑶八路彩灯同时亮，时间为0.5秒，然后同时变暗，时间为0.5秒，反复4次。

3.设计要求

⑴确定总体设计方案画出总方框图，确定各单元电路的功能，进行单元电路的设计，画出逻辑图。

⑵选择元器件型号。

⑶画出总逻辑图和装配图，并在实验板上组装电路。

⑷进行电路调试，使其达到设计要求。

⑸写出总结报告。

4.参考器件

555定时器、计数器、双向移位寄存器、显示译码管、数码显示管、发光二极管及一些门电路等。

二、总体设计思路

根据课程设计课题要求，要实现本系统，需要设计时钟脉冲产生电路，循环控制电路和彩灯花样输出电路。时钟脉冲产生电路由74LS163分频实现，循环控制电路由74LS163和74LS10实现，彩灯花样输出电路由74LS194和相关逻辑电路实现。

三、总体设计原理

1.基本原理

由设计要求出发可知彩灯的三个节拍可以用移位寄存器74LS194实现，通过控制S0和

S1实现右移、左移和送数，通过控制CLR＇控制清零。第一节拍为1右移，第二节拍为0左移，第三节拍全亮为置数1，全灭为清零。由于程序循环一次要20秒，故需要一个20进制的计数器控制循环。第三节拍时要求1秒内全灭全亮各一次，故脉冲信号频率比先前两节拍时脉冲频率要快一倍，而且要以相同频率控制CLR’。可以用一个16进制计数器产生脉冲信号，一路送到控制20进制的计数器，一路经逻辑电路送到移位寄存器。

2.设计框图

图1 3.总逻辑电路原理图移位计数器74LS194

20进制循环控制器

多谐振荡器

彩灯显示输出

16进制分频计数器

U1

74163N QA 14QB 13QC 12QD 11RCO

15

A 3

B 4

C 5D

6

ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK

2

U2

74163N

QA 14QB 13QC 12QD 11RCO

15

A 3

B 4

C 5D

6

ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK

2

U4

74194N

A 3

B 4

C 5

D 6SL 7QA 15QB 14QC 13QD

12

SR

2

~CLR 1S09S110CLK

11U5

74LS04N

1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND 4Y

4A 5Y 5A 6Y 6A VCC U6

74LS09N 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 3Y

3A 3B 4Y 4A 4B VCC U7

74LS32N 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 3Y

3A 3B 4Y 4A 4B VCC VCC 5V

VCC 5V

GND

GND

2

X1

2.5 V

X2

2.5 V

X3

2.5 V

X4

2.5 V 1213

1416

17

5

GND GND

U10

74194N

A 3

B 4

C 5

D 6SL 7QA 15QB 14QC 13QD

12

SR

2

~CLR 1S09S110CLK

11X5

2.5 V X6

2.5 V X7

2.5 V X8

2.5 V GND 1110

23

24X9

2.5 V

X10

2.5 V

2021

U3

74163N

QA 14QB 13QC 12QD 11RCO

15

A 3

B 4

C 5D

6

ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK

2

43

VCC 15

GND

25

229

U8A

74S10D

1967

8VCC

U9

LM555CM GND 1DIS 7OUT

3

RST 4VCC

8THR 6

CON

5

TRI 2C1

10uF

C2

10nF

R11kΩ

R217.4kΩ

VCC

5V GND

2627

GND VCC

181

图2

四、各单元电路设计

1时钟脉冲产生电路

用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为:

T=0.7(R1+2R2)C ………………………(5-1)

控制74LS163模十六计数器电阻值和电容值可设为： R1=1K Ω ， R2=17.4K Ω ， C=0.01μF 由公式（1-1）计算得：T=0.2506S

图3

2.多谐振荡器

用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,控制74LS163模十六计数器，74LS163A输出2倍T的脉冲信号，B输出4倍T的脉冲信号，大约为1S。

图4

3.20进制循环控制电路

图5

4.具体实现：

如果模N计数器的计数序列从最小0到最大数N-1，那么N是多余的，可用与非门检测

N,当N出现时，与非门输出为低，用它控制清零端CLR’，将计数器清零。此处工作状态从

00000~10011，检测10100（异步清零）。

5.彩灯花样输出电路：

⑴运用到74LS194功能表

输入输出功能/CR S1 S0 CP SL SR D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3

0 ×××××××××0 0 0 0 清零

1 1 1 ↑××d0 d1 d

2 d

3 d0 d1 d2 d3 送数1 0 1 ↑× 1 ×××× 1 Q0n Q1n Q2n 右移1 1 0 ↑0 ×××××Q1n Q2n Q3n 0 左移

表1

⑵通过20进制计数器的输出端的E、D信号控制移位寄存器的S0和S1及其ＣＬＲ＇端真值

表

CLK 时间 ／Ｓ

节拍

QE

QD S0 S1 SR SL 74LS194 动作 0 １ Ｈｚ脉冲 B 1 第一节拍 0 0 1 0 1

*

右移

1

1 2 0 0 1 0 2 3 0 0 1 0 3 4 0

0 1 0 4 5 0 0 1 0 5 6 0 0 1 0 6 7 0 0 1 0 7 8 0 0 1 0 8 1 HZ 脉冲 B

9 第二节拍 0 1 0 1 *

左移0

9 10 0 1 0 1 10 11 0 1 0 1 11 12 0 1 0 1 12 13 0 1 0 1 13 14 0 1 0 1 14 15 0 1 0 1 15

16

1

1

表2

由上表得： Ｓ０＝ＱD ＇ Ｓ１＝ＱE ＋ＱD

16

２ Ｈｚ 脉冲 A

17 第三节拍

1 0 1 1 * *

送１ 清零

17 1 0 1 1 18 18 1 0 1 1 19 1 0 1 1 20 19 １ ０ １ １ 21 １ ０ １ １ 22 20

１ ０ １ １ 23

１

０

１

１

CLR＇＝（ＱE*A+QE＇）

进一步分析可知７４ＬＳ１９４脉冲控制：

ＣＬＫ＝（ＱE*A+QE＇）*ＱE+B

五、实验、调试及测试结果分析

1结果的调试及分析

⑴调试使用的主要仪器: 数字万用表直流稳压电源示波器函数信号发生器

⑵测试电路的方法和技巧:

先检查各芯片的电源和地是否接上，检查线路是否连好；前面的检查无问题后，再根据彩灯的变化情况，确定可能的原因，分析是哪个功能模块出了问题，用数字万用表检查各模块的功能，发现并改正错误，直到符合要求为止。

2.调试中出现的故障、原因及排除方法：

⑴彩灯只有一种花样变化，没有其它的花样：

可能是移位计数器的S0，S1端控制出现问题，应该检查循环控制逻辑电路。还可能是20进制循环控制计数器没正常工作，检查是否正确接线，芯片是否功能完好。特别注意不能把非门的输入与输出接反了。

⑵彩灯无规律变化：

原因可能是20进制循环控制电路不能产生符合要求的控制码，检查模十六计数器的CP 脉冲是否稳定，看74LS161是否能计数，即Q A、Q B、Q C、Q D、 Q E是否周期性的高低电平变化，前面没问题，再检查与非门74LS２０和非门74LS04是否能实现它们逻辑功能。

⑶彩灯的四种花样都有，但一次循环结束到另一次循环开始中间有段时间彩灯不亮：

原因可能是控制循环的20进制计数器没有正确接线，实际控制循环的进制大于20进制，导致有放空时间。应该检查3输入与非门是否正常工作，确保能实现20进制计数。

六、总结

实验问题与解决方法

问题1:不了解面包板的内部结构，不了解面包板的基本使用方法和技巧；

解决办法：使用万用表的电阻档检查面包板的各个孔的连接关系，两个孔之间没有电阻或者电阻很小则说明内孔相连；

查找面包板的使用资料，学习基本使用方法。基本使用方是一般不飞线，不相交，一个空不接两条线，只能90度转弯。

使用技巧：一般条形面包板的两侧作为电源端和接地端，可以更方便的连线。为了加快

和更准确的连接各器件的端口，可以先使用面包板的纸质图纸，在纸上先把各个器件排布好，模拟连线，所有线模拟好在看图连线，

问题二：线路复杂，检查困难。

解决方法：只用万用表的电阻档，两表笔接在相应的端口上，电阻很小或者没有电阻，这说明线路连通。

问题三：怎么检查每个芯片都工作？

解决方法：用万用表的电压档检查每个芯片的电源端是否有vcc一样的电压，接地端是否都接地了，实验图上部分芯片并没有标注电源端和地端的接口，要自行加上。用led去检查输入输出端是否有相应的响应，例如输入端是5赫兹的脉冲，接上led后应该是每秒闪烁五次，如果现象不对应该检查脉冲输出的芯片，用相同的方法检车脉冲部分，如此类推。

问题四：八个彩灯只渐亮和渐灭，之后就是常亮4秒，不符合闪烁4次的规则。

解决方法：

第一步：闪烁是由clr端控制的，CLR＇＝（ＱE*A+QE＇），彩灯逐渐灭后，QE为1，所以CLR＇=A，把led插在A端，检查A是否为2赫兹的脉冲，led的确每秒闪烁两次，说明了A没问题；

第二步：同样的方法检查QE，QE也正常，在检查起反相作用的74ls04n的1y输出端，1y 为0，74ls09n故没问题；

第三步检查起相加作用的74ls32n的1a，1b，1y，发现1y=0,1a=o，1b=0，这说明相与作用正常，问题发生在1b，1b=ＱE*A，应该是0和1交替出现，所以问题必定在相与的芯片上，即为74ls09n；

第四步，检查74ls09的输出端，没有输出，检查连线也正确，怀疑是芯片有问题。把芯片独立出来检查芯片功能，芯片没有相与功能，可能是芯片损坏，更换芯片，更换后也没有相与功能，说明74ls09n不能完成相与功能，解决方法是找替代芯片。经查找，74ls08与74ls09功能一致，引脚排布一致，可替换。更换以后有了闪烁的现象；

问题五:有时有现象，有时没有，怀疑是接触不良。

解决方法：更换接触不良的线。

大功告成

附录：

元器件清单：555定时器，模十六计数器74LS163，与门74LS08，与非门74LS10，非门74LS04，或门74LS32，74LS194双向移位寄存器，发光二极管等。

参考文献

[1]欧阳星明：数字逻辑，华中科技大学出版社，2005年3月第2版。

[2] 王玉龙：数字电路，高等教育出版社，2004年6月第一版。