彩燈控制器的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說明書課程名稱： 電子技術(shù)基礎(chǔ) 題 目： 彩燈控制器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 年 月 日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書一、 設(shè)計(jì)題目 彩燈控制器的設(shè)計(jì)二、 主要內(nèi)容及要求（1）以半導(dǎo)體數(shù)碼管作為控制器的顯示器，它能自動(dòng)地依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音樂符號(hào)數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號(hào)數(shù)列如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。（2）打開電源時(shí)，控制器可自動(dòng)清零，從接通電源時(shí)刻起，數(shù)碼管最先顯示出

2、自然數(shù)列的0，再顯示出1，然后按上述規(guī)律變化。三、 進(jìn)度安排1，老師給出選題內(nèi)容，課程設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，指導(dǎo)時(shí)間及任務(wù)完成期限。2去圖書館和網(wǎng)上查找相關(guān)資料，并且構(gòu)思整個(gè)設(shè)計(jì)思路。3，選擇適當(dāng)?shù)男酒M合電路，設(shè)計(jì)各個(gè)部分的電路圖，并仿真，改善電路圖。4根據(jù)電路的原理寫出設(shè)計(jì)方案。5設(shè)計(jì)方案的檢查，修正，改進(jìn)，按要求打印方案。四、 總評(píng)成績指導(dǎo)教師 學(xué)生簽名 題目 彩燈控制器的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求（1）以半導(dǎo)體數(shù)碼管作為控制器的顯示器，它能自動(dòng)地依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和0、1、2、3、4、5、6

3、、7、0、1（音樂符號(hào)數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號(hào)數(shù)列如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。（2）打開電源時(shí)，控制器可自動(dòng)清零，從接通電源時(shí)刻起，數(shù)碼管最先顯示出自然數(shù)列的0，再顯示出1，然后按上述規(guī)律變化。二、方案設(shè)計(jì)與論證彩燈是一束束用導(dǎo)線連接起來的并聯(lián)燈泡，當(dāng)接通電源后，彩燈就會(huì)工作，但里面可能是由編程或非編程的電路控制燈泡的運(yùn)作的，譬如實(shí)現(xiàn)音樂彩燈、閃爍、循環(huán)、時(shí)控等功能。數(shù)列的產(chǎn)生可以通過計(jì)數(shù)器和邏輯門實(shí)現(xiàn)，而循環(huán)則需要用到時(shí)序電路控制，如觸發(fā)器等，而最后可以用邏輯門把幾個(gè)輸出接到同一個(gè)數(shù)碼管。方案一、1. 選擇用jk觸發(fā)器構(gòu)成兩位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器控制四種循環(huán)，可以用到7

4、476（集成jk觸發(fā)器）。2. 用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生序列，采用具有異步清零和異步置數(shù)功能的74192（雙時(shí)鐘十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器）來實(shí)現(xiàn)包括0-9的自然數(shù)列、1-9的奇數(shù)數(shù)列、0-8的偶數(shù)數(shù)列和音樂數(shù)列的二進(jìn)制。3. 再通過邏輯門電路將序列輸出。包括7432（集成二輸入或門），與門、或門、非門、與非門、或非門、異或門。方案二、1. 異步二五十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的74ls90和74ls153來實(shí)現(xiàn)包括0-9的自然數(shù)列、1-9的奇數(shù)數(shù)列、0-8的偶數(shù)數(shù)列和音樂數(shù)列的二進(jìn)制。2. 采用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器、74ls48、七段數(shù)碼管各一個(gè)，2k電阻兩個(gè)，0.01uf、100uf電容各一個(gè)，線若干來控

5、制四種循環(huán)。3. 該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)產(chǎn)生十進(jìn)制的74ls90的qa、qd 強(qiáng)制置數(shù)的處理，設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生奇數(shù)，實(shí)際上就是qa 強(qiáng)制置1；要求產(chǎn)生偶數(shù)，實(shí)際上就是把qa強(qiáng)制置0；要求產(chǎn)生0-7的音樂符號(hào)，實(shí)際就是把qd 強(qiáng)制置0。方案論證：方案一用到的材料比較簡單，在課本和實(shí)驗(yàn)中學(xué)到過。比方案二思路簡單易明，用到電容和555定時(shí)器來構(gòu)成，容易造成錯(cuò)誤。所以選擇第一種方法。以下講述設(shè)計(jì)的過程與思考。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1、彩燈控制器的構(gòu)成 設(shè)計(jì)的總電路由循環(huán)控制電路、序列控制電路、輸出電路三部分組成，其中序列控制電路又包括自然序列、奇偶序列和音樂序列控制電路。其工作流程是通過循環(huán)電路控制序列電路

6、中序列的循環(huán)，再由輸出電路輸出序列。其工作框圖如圖1所示。循環(huán)控制電路序列控制電路輸出電路 觸發(fā)器自然序列 奇數(shù)序列音樂序列 偶數(shù)序列計(jì)數(shù)器圖1 電路工作總框圖2彩燈控制器的工作原理1.循環(huán)控制電路 循環(huán)控制電路由芯片7476構(gòu)成，芯片內(nèi)含兩個(gè)jk觸發(fā)器。用兩個(gè)jk觸發(fā)器連接成同步兩位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，其輸出有00、01、10、11 四個(gè)狀態(tài)。輸出狀態(tài)由驅(qū)動(dòng)信號(hào)和時(shí)鐘cp控制。計(jì)數(shù)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為,jk觸發(fā)器的時(shí)鐘cp為下降沿觸發(fā)，由于下面電路的需要，所以在脈沖輸入到j(luò)k觸發(fā)器的時(shí)鐘之前接了一個(gè)非門，使該芯片變?yōu)樯仙赜|發(fā)。所以，每當(dāng)一個(gè)脈沖由0跳變到1時(shí)，由jk觸發(fā)器組成的兩位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器

7、就由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)，如初始狀態(tài)為00，因?yàn)?，每?dāng)計(jì)數(shù)脈沖cp 由0變到1，輸出都實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能，即由狀態(tài)0翻轉(zhuǎn)到狀態(tài)1，又因?yàn)檫@時(shí)，則由jk觸發(fā)器的功能知道輸出會(huì)保持在0狀態(tài)，只有當(dāng)時(shí)高位才發(fā)生翻轉(zhuǎn)，其中每個(gè)狀態(tài)停留的時(shí)間可以由脈沖頻率控制。這里采用同步計(jì)數(shù)是因?yàn)橥奖犬惒降墓ぷ魉俣纫?。還有jk觸發(fā)器連接成的同步兩位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的初始狀態(tài)為00，并不像別的計(jì)數(shù)器要先清零。同步兩位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的電路圖如圖2所示。圖2 同步兩位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的電路圖循環(huán)控制電路的四個(gè)狀態(tài)分別控制循環(huán)，即狀態(tài)00控制輸出自然數(shù)列，狀態(tài)01控制奇數(shù)序列，狀態(tài)10控制偶數(shù)序列，狀態(tài)11控制音樂序列。

8、要使當(dāng)一個(gè)序列工作完之后輸出另外一個(gè)序列則需要控制序列控制電路中的時(shí)鐘脈沖的輸入，例如當(dāng)正在輸出自然數(shù)列，則控制輸出自然數(shù)列的芯片有脈沖到來，而其他序列控制芯片則得不到時(shí)鐘脈沖，因此，序列才能一個(gè)一個(gè)地輸出。2.序列控制電路（1）自然序列芯片74192為雙時(shí)鐘十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器，可以產(chǎn)生0到9的自然序列。74192具有異步清零和異步置數(shù)功能，當(dāng)清零端為高電平時(shí)，不管時(shí)鐘脈沖如何，計(jì)數(shù)器的輸出被強(qiáng)制置零，當(dāng)清零端為低電平，置數(shù)端為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘脈沖如何，將立即把預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端a、b、c、d的狀態(tài)置入計(jì)數(shù)器的、端，當(dāng)清零端為低電平，置數(shù)端為高電平，減法的時(shí)鐘接高電平，加法端的時(shí)鐘接脈沖時(shí)，每

9、當(dāng)脈沖由0上升到1，芯片就會(huì)完成一個(gè)計(jì)數(shù)。雙時(shí)鐘十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器的電路圖如圖3所示，圖3 雙時(shí)鐘十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器的電路圖（2）奇偶序列 奇數(shù)列和偶數(shù)列電路都由同一塊74192芯片和一些邏輯門構(gòu)成。因?yàn)槠鏀?shù)的幾何表達(dá)式為，而偶數(shù)的則為，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，其n值只能取0、1、2、3、4，其實(shí)就是一個(gè)五進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，將它的輸出連成和就構(gòu)成了奇數(shù)跟偶數(shù)序列。因?yàn)橹们宥耸歉唠娖接行?，即?dāng)輸入邏輯1時(shí)輸出端全為零，所以，將芯片74192雙時(shí)鐘十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器連接成五進(jìn)制的計(jì)數(shù)器只需在它的輸出端跟端接一個(gè)與門，與門輸出端接到清零端。因?yàn)楫?dāng)輸出為0101時(shí)立刻清零，電路變?yōu)?到4計(jì)數(shù)功能。要實(shí)現(xiàn)奇數(shù)

10、列可以在其輸出端使各輸出端相加再加上0001或者將邏輯1與端相加，而偶數(shù)直接各輸出端相加再加上0000或者將邏輯0與端相加就行了。而可以用半加器來實(shí)現(xiàn)，異或門則就是半加器。在端引出另外一條線跟原來的一起接到異或門的兩個(gè)輸入端，輸出則接到一個(gè)數(shù)碼管的低位，而該低位的進(jìn)位用與門將兩個(gè)接起來，而高一位的輸出端則用兩個(gè)異或門將兩個(gè)和低一位的進(jìn)位端即的進(jìn)位端連起來，輸出到一個(gè)數(shù)碼管的端，而的進(jìn)位端則由低一位的進(jìn)位端即的進(jìn)位端與上，輸出端再引出一端與原來的輸出接或門，或門的輸出與在接或門，這個(gè)就是的進(jìn)位端，接著同理連接和。若要輸出奇數(shù)可以在輸出低位處將異或一個(gè)邏輯電平1再輸出到數(shù)碼管，偶數(shù)則異或一個(gè)邏輯電

11、平0就行了。其電路圖如圖4所示， 圖4 奇偶序列的電路圖（3）音樂序列 輸出音樂序列還是用一塊74192芯片構(gòu)成十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槭M(jìn)制加法計(jì)數(shù)器輸出的狀態(tài)有0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001，對(duì)應(yīng)的數(shù)字為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，而音樂序列的值為0、1、2、3、4、5、6、7、0、1，通過對(duì)比較可以看到在0到9的狀態(tài)1000、1001中，當(dāng)去掉高位的邏輯1，則可以得到音樂序列。所以，在十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的輸出中懸空了最高位端則可以由自然序列轉(zhuǎn)變?yōu)橐魳沸蛄?。音樂序列的電路圖如圖5所示，圖5 音樂序列的電路圖3

12、. 輸出電路 輸出電路是由兩片7432的芯片構(gòu)成，其中一片芯片里面有4個(gè)或門。設(shè)計(jì)的電路中把每個(gè)序列的對(duì)應(yīng)輸出端用芯片連接起來，當(dāng)一個(gè)序列輸出時(shí)其他序列的各輸出端均為邏輯電平0，則輸出只會(huì)顯示該運(yùn)作的序列，其他的對(duì)現(xiàn)在輸出的序列不夠成影響，因此，它會(huì)按會(huì)按循環(huán)的順序輸出自然序列、奇數(shù)序列、偶數(shù)序列、音樂序列。 其電路圖如圖6，圖6 輸出控制電路的電路圖四、總原理圖及元器件清單1總原理圖如下：圖7 彩燈控制器電路圖2元件清單元件序號(hào)型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注174ls19232747613743224數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)箱15與門、或門、非門若干6與非門、或非門若干7異或門若干9共陰極led顯示器1五、性能測

13、試與分析（寫仿真調(diào)試與分析）理論上該電路是可行的。當(dāng)接通電源電路開始工作，輸出5秒的自然序列后接著是5秒的奇數(shù)序列、5秒的偶數(shù)序列、5秒的音樂序列，但通過仿真，其結(jié)果為以上的順序，不過在奇偶序列時(shí)狀態(tài)1跟狀態(tài)0跳得太快了，幾乎看不到，而在后面在4秒后則回到狀態(tài)1跟狀態(tài)0，（即奇數(shù)序列為3、5、7、9、1偶數(shù)序列為2、4、6、8、0） 。這是由于用到的邏輯門多，產(chǎn)生了延時(shí)，通過改變脈沖頻率，使循環(huán)控制電路的時(shí)鐘脈沖頻率調(diào)大一點(diǎn)， 奇偶序列控制電路的脈沖頻率調(diào)小一點(diǎn)，則理論跟實(shí)際的結(jié)果相符。六、結(jié)論與心得每逢節(jié)日晚上都能看到街道旁都掛起五彩繽紛彩燈，給人一種節(jié)日的氣氛。然而，彩燈作為我們生活中的一

14、部分，作為電信專業(yè)的我們既要知道其然，還要知其之所以然。因此，我們有必要去研究彩燈的工作原理。經(jīng)過了多個(gè)星期的努力，終于把設(shè)計(jì)說明書給做出來了?？偟膩碚f，對(duì)于這次的設(shè)計(jì)不是很滿意，因?yàn)闆]有考慮到時(shí)間的延遲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是很符合實(shí)際，還有這次的實(shí)驗(yàn)所用到的元器件都是很基本，由于對(duì)別的元器件，如555定時(shí)器的不熟悉，只能用這些基本元器件來做了。不過這個(gè)電路原理比較簡單，多數(shù)都是計(jì)數(shù)器，電路還可以用一些實(shí)現(xiàn)相似功能的芯片來代替某些部分，如半加器。通過本次電路的設(shè)計(jì)，不但鞏固了所學(xué)知識(shí)，也使我們把理論與實(shí)踐從真正意義上結(jié)合起來，考驗(yàn)了我們借助互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)搜集、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和組織材料的綜合能力。使我對(duì)一些

15、芯片的功能更加熟悉，更好的運(yùn)用邏輯門，理論知識(shí)得到了鞏固，而且這次的設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我的操作的能力，提升了我們學(xué)生的素質(zhì)。七、參考文獻(xiàn)1、康華光、鄒壽杉 電子計(jì)數(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）第四版 高等教育出版社 2000年6月第四版；2、包亞萍主編數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)與數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)技術(shù) 中國水利出版社 2003；3、朱寶華主編電子測試與實(shí)驗(yàn) 清華大學(xué)出版社 2004.4；4、陳永甫主編數(shù)字電路基礎(chǔ)及快速識(shí)圖 人民郵電出版社 2006.5；5、陳振宮主編數(shù)字電路及制作事例 國際工業(yè)出版社 2006.8；6、祁存容、陳偉電子計(jì)數(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（數(shù)字部分） 武漢理工大學(xué)教材中心 2006年2月出版；7、周惠朝 常用電子元件及典型

16、應(yīng)用 電子工業(yè)出版社出版 2005年1月；8、劉修文主編，實(shí)用電子電路設(shè)計(jì)制作300例，中國電力出版社，2005年第1版；9、黃續(xù)昌主編數(shù)字集成電路應(yīng)用300例北京人民郵電出版社 2002年1月；10、蘇志平主編數(shù)字電子技術(shù)全程輔導(dǎo)中國建材工業(yè)出版社 2004年2月第四版。如果要按要求輸出循環(huán)序列，則需要把以上每一個(gè)部分按一定的關(guān)系連接起來。因?yàn)檠h(huán)控制電路的四個(gè)狀態(tài)分別控制循環(huán)，即狀態(tài)00控制輸出自然數(shù)列，狀態(tài)01控制奇數(shù)序列，狀態(tài)10控制偶數(shù)序列，狀態(tài)11控制音樂序列。要使當(dāng)一個(gè)序列工作完之后輸出另外一個(gè)序列則需要控制序列控制電路中的時(shí)鐘脈沖的輸入，例如當(dāng)正在輸出自然數(shù)列，則控制輸出自然數(shù)

17、列的芯片有脈沖到來，而其他序列控制芯片則得不到時(shí)鐘脈沖，因此，序列才能一個(gè)一個(gè)地輸出。而時(shí)鐘脈沖的輸入，可以用一系列的邏輯門來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楫?dāng)循環(huán)控制電路為00狀態(tài)時(shí)要輸出自然序列，而雙時(shí)鐘十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘是上升沿觸發(fā)的，因此，當(dāng)輸入邏輯電平為00時(shí)要輸出邏輯電平1，所以，循環(huán)控制電路的兩個(gè)輸出端之后應(yīng)先接一個(gè)或非門，或非門的輸出端接自然數(shù)列控制電路的時(shí)鐘，而當(dāng)循環(huán)控制電路輸出其他狀態(tài)時(shí)，自然數(shù)列控制電路沒有時(shí)鐘脈沖的到來，因此，控制自然數(shù)列的芯片不工作，而其他的芯片工作；當(dāng)循環(huán)控制電路為01狀態(tài)時(shí)要輸出奇數(shù)序列，要在01狀態(tài)時(shí)有上升脈沖的要在循環(huán)控制電路的兩個(gè)輸出端之后應(yīng)先接一個(gè)異或門

18、，異或門的輸出接到奇數(shù)數(shù)列控制電路的時(shí)鐘，因?yàn)楫惢蜷T的邏輯功能是當(dāng)輸入不同時(shí)輸出才為邏輯1，這點(diǎn)符合了脈沖輸入的要求，要輸出為奇數(shù)還要控制其輸出的低位端為1，可以將循環(huán)控制電路的輸出端跟自然數(shù)列控制電路的時(shí)鐘到來前的脈沖接一或非門（即循環(huán)控制電路的輸出端和接了或非門后引出一條線跟循環(huán)控制電路的輸出端接或非門），所以，當(dāng)循環(huán)控制電路為01狀態(tài)時(shí)輸出奇數(shù)序列，當(dāng)循環(huán)控制電路為10狀態(tài)時(shí)則輸出偶數(shù)序列；要輸出音樂序列，則要給控制音樂序列的電路輸入一個(gè)上升脈沖，而其他的序列控制電路則沒有脈沖，則應(yīng)該在循環(huán)控制電路的兩個(gè)輸出端接一與門才輸出到音樂序列控制電路的時(shí)鐘，所以，當(dāng)循環(huán)控制電路為11狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過與門后輸出一個(gè)上升脈沖，則音樂序列控制電路運(yùn)作，即輸出音樂序列。要做到當(dāng)一個(gè)序列輸出其他的序列為0，則必須在一個(gè)序列控制電路工作時(shí)其他的序列控制電路清零，例如將循環(huán)控制電路輸出端接或非門的輸出m跟循環(huán)控制電路輸出端接接與門的輸出n接一或門，或門的輸出接奇偶控制電路的清零端(原來的五進(jìn)制控制用與非門接到置數(shù)端)，m接