課程設計圈式流水彩燈的設計-學位論文

武漢理工大學《專業(yè)課程設計（二）》課程設計說明書目錄1.技術要求 12.設計方案及其比較 12.1 方案設計要求 12.2 基本原理 12.2.1 原理概括 12.2.2 主要元器件簡介 12.3 方案一 52.3.1方案原理 52.3.2 軟件仿真 62.4 方案二 72.4.1方案原理 72.4.2軟件仿真 82.5 方案三 82.5.1方案原理 82.5.2軟件仿真 102.6 方案比較 112.6.1 方案元件比較 112.6.2 方案功能比較 112.6.3 方案可實現(xiàn)性比較 113.實現(xiàn)方案 123.1 方案元件 123.2 方案原理 123.2.1 諧振模塊 133.2.2 計數(shù)模塊 133.2.3 譯碼模塊 143.2.4 發(fā)光電路 143.3 實現(xiàn)過程 153.4 小結 154.調(diào)試過程及結論 154.1 調(diào)試過程 154.2 結論 165.心得體會 166.參考文獻 17圈式流水燈電路的設計技術要求設計一種利用發(fā)光二極管作為流水燈指示,實現(xiàn)連接成圓圈式的發(fā)光二極管依次循環(huán)點亮形成移動的光點,要求可以實現(xiàn)流水燈的循環(huán)時間可以調(diào)節(jié)。設計方案及其比較方案設計要求（1）按照技術要求，提出自己的設計方案（多種）并進行比較；（2）掌握計數(shù)、譯碼、控制及顯示電路的工作原理及其電路結構，以NE555時基集成電路、74LS161和74LS138為主，設計一種圈式流水燈電路（實現(xiàn)方案）；基本原理原理概括圈式流水燈電路主要包括兩部分電路，第一部分電路產(chǎn)生矩形脈沖波，該部分電路可由555定時器構成多諧振蕩器產(chǎn)生。第二部分電路實現(xiàn)選通發(fā)光二級管的功能，通過計數(shù)器和譯碼器實現(xiàn)圈式排列的燈循環(huán)閃亮，該部分電路的實現(xiàn)可采取多種方案。由于555定時器產(chǎn)生矩形脈沖的周期取決于外接電阻和電容，所以流水燈發(fā)光時間的調(diào)節(jié)可以通過改變第一部分多諧振蕩電路外接電阻阻值或電容大小實現(xiàn)，也可以通過改變第二部分電路的頻率即進制來實現(xiàn)。主要元器件簡介（1）NE555定時器555定時器是多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路，利用它能極方便的構成施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，使用靈活，方便。NE555定時器的電源電壓范圍寬，可在4.5V—16V工作。輸出驅動電流約為200mA。其管腳圖與波形圖如圖1所示：圖1NE555芯片管腳圖與波形圖圖1中左邊為管腳圖，右邊為波形圖。管腳圖中1腳是接地端；2腳是低電平觸發(fā)端入端；3腳是輸出端；4腳是復位端；5腳是電壓控制端；6腳是高電平觸發(fā)端入端；7腳是放電端；8腳是電源端。圖2為矩形脈沖產(chǎn)生電路原理圖，由NE555定時器構成多諧振蕩電路。圖2NE555構成多諧振蕩電路原理圖NE555芯片1與8端接電源+Vcc，+Vcc經(jīng)R1，R2給電容C1充電，給輸入端輸入直流信號。在7端的反饋作用下，C1反復充放電，實現(xiàn)了輸出矩形波的功能。充電時間t1=C1×(R1+R2)×ln2(1)放電時間t2=C1×R2×ln2(2)脈沖信號周期T=t1+t2(3)脈沖信號頻率f=1/T(4)由式(1)、(2)、(3)、(4)可得：輸出脈沖信號周期T=C1(R1+2R2)ln2，f=1/T。其中C1=10uF，R1=R2=30KΩ，所以T=0.624s，f=1.603Hz。（2）74LS161計數(shù)器集成74LS161是四位二進制同步加法計數(shù)器，MR為異步清零端，低電平有效；PE為同步預置數(shù)控制端，低電平有效；該計數(shù)器為上升沿觸發(fā)有效，當MR=PE=1時在CP端輸入計數(shù)脈沖作用下，計數(shù)器進行二進制加法器計數(shù)。圖3為74LS161計數(shù)器管腳圖。圖374LS161計數(shù)器管腳圖2腳為脈沖輸入端，3腳-6腳(P0-P3)為數(shù)據(jù)輸入端，1腳(MR)是清零端，7腳，10腳（CEP、CET）為使能端，9腳(PE)為置數(shù)端，11腳-14腳(Q3-Q0)為數(shù)據(jù)輸出端是，15腳(TC)為進位輸出端。圖4為八進制序列脈沖產(chǎn)生電路原理圖，產(chǎn)生000-111序列脈沖。圖474LS161構成循環(huán)八進制輸出電路原理圖將ENP，ENT，LOAD，MR端接電源+Vcc（即高電平）。CLK脈沖輸入端接上級NE555的3腳輸入端，在每個脈沖上升沿觸發(fā)計數(shù)器加計數(shù)一次，計數(shù)器輸出端Q3—Q0循環(huán)輸出0000—1111。由于只把Q2，Q1，Q0作為下級輸入，所以Q2Q1Q0會循環(huán)輸出000—111八進制序列脈沖信號，八進制序列脈沖作為下級的數(shù)據(jù)輸入信號控制選通電路工作。（3）74LS138譯碼器74LS138是集成3-8線譯碼器，圖5為74LS138譯碼器管腳圖。1，2，3端口為三個輸入端口，E1、E2和E3這三個使能端，正常工作時E1接高電平，E2和E3接低電平。Y0-Y7為輸出端口，譯碼器工作時每一次只有一個端口輸出低電平，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的選擇性輸出，74LS138譯碼器可以將信號的地址碼轉換成二進制碼，并從對應的輸出端輸出一個低電平。圖574LS138譯碼器管腳圖圖6為選通發(fā)光二極管及顯示電路，實現(xiàn)了流水燈圈式閃亮的要求。圖674LS161、74LS138構成圈式順序循環(huán)發(fā)光二極管電路原理圖74LS138譯碼器的三個輸入端A、B、C分別接74LS161計數(shù)器的三個輸出端Q0、Q1、Q2。使能端E1接高電平，E2、E3接低電平，譯碼器可實現(xiàn)譯碼功能。如此一來，138便可將CBA端輸入的二進制信號（C為高位）譯碼成十進制并從相應端口輸出低電平。也就是將輸入的八進制循環(huán)脈沖000—111譯碼輸出，000對應Y0端口輸出低電平，其余端輸出高電平；001對應Y1端口輸出低電平，其余端輸出高電平，以此類推。當電路工作時，Y0—Y7端口循環(huán)輸出低電平。實現(xiàn)了選通作用。將八個LED發(fā)光二極管以共陽極的方式分別連在Y0—Y7端口，排列成圈式。電路工作時，經(jīng)譯碼器選通后發(fā)光二極管D1—D8依次發(fā)光并且循環(huán)發(fā)光。R3為保護電阻，防止電流過大燒壞二極管。方案一方案原理輸出二進制數(shù)輸出二進制數(shù)產(chǎn)生矩形脈沖NE555組成多諧振蕩電路74LS161組成八進制加法計數(shù)電路74LS138組成具有譯碼功能電路功能實現(xiàn)圈式流水彩燈電路輸出二進制數(shù)輸出二進制數(shù)產(chǎn)生矩形脈沖NE555組成多諧振蕩電路74LS161組成八進制加法計數(shù)電路74LS138組成具有譯碼功能電路功能實現(xiàn)圈式流水彩燈電路圖7方案一原理框圖圖8為方案一原理電路圖，第一部分多諧振蕩電路輸出矩形脈沖信號。其周期T由兩部組成：電容C1的充電時間t1和放電時間t2。設滑動變阻器RV1分成的上下兩部分阻值分別為Rx1(單位：KΩ)和Rx2(單位：KΩ)，則有：充電時間t1=C1×(R1+RV1)×ln2(5)放電時間t2=C1×Rx2×ln2(6)脈沖信號周期T=t1+t2(7)脈沖信號頻率f=1/T(8)由式(5)、(6)、(7)、(8)得：T=C1×(R1+RV1+Rx2)×ln2，f=1/[C1×(R1+RV1+Rx2)×ln2]由C1=10uF，R1=30KΩ，RV1=60KΩ，所以T=7×(90+Rx2)×10-3Ω，f=1000/[7×(90+Rx2)]Ω。當Rx2=30時，T=0.84s，f=1.19Hz。圖8方案一電路原理圖其中電容C2的作用是抗干擾，電阻R3的作用是過流保護，防止電流過大導致二極管損壞。軟件仿真下圖為方案一的protues仿真圖。圖9方案一protues仿真圖仿真時，圈式流水燈按順時針方向（D1—D8）依次循環(huán)發(fā)光，調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，發(fā)光的周期發(fā)生變化。當增大Rx2的值時，發(fā)光周期變大，各個發(fā)光二極管的發(fā)光交替速度變慢；當減小Rx2的值時，發(fā)光周期變小，各個發(fā)光二極管的發(fā)光交替速度變快。方案二2.4.1方案原理輸出二進制數(shù)產(chǎn)生矩形脈沖NE555組成多諧振蕩電路4017組成八進制加法計數(shù)并譯碼電路功能實現(xiàn)圈式流水彩燈輸出二進制數(shù)產(chǎn)生矩形脈沖NE555組成多諧振蕩電路4017組成八進制加法計數(shù)并譯碼電路功能實現(xiàn)圈式流水彩燈電路圖10方案二原理框圖圖11為方案二原理電路圖，第一部分多諧振蕩電路輸出矩形脈沖信號。其周期T由兩部組成：電容C1的充電時間t1和放電時間t2。設滑動變阻器RV1分成的上下兩部分阻值分別為Rx1(單位：KΩ)和Rx2(單位：KΩ)，則有：充電時間t1=C1×(R1+RV1)×ln2(9)放電時間t2=C1×Rx2×ln2(10)脈沖信號周期T=t1+t2(11)脈沖信號頻率f=1/T(12)圖11方案二電路原理圖由式(9)、(10)、(11)、(12)得：T=C1×(R1+RV1+Rx2)×ln2，f=1/[C1×(R1+RV1+Rx2)×ln2]。由C1=10uF，R1=30KΩ，RV1=60KΩ，所以T=7×(90+Rx2)×10-3Ω，f=1000/[7×(90+Rx2)]Ω。當Rx2=30時，T=0.84s，f=1.19Hz。其中電容C2的作用是抗干擾，電阻R2的作用是過流保護，防止電流過大導致二極管損壞。2.4.2軟件仿真下圖為方案二的protues仿真圖。圖12方案二protues仿真圖仿真時，圈式流水燈按逆時針方向（D1—D8）依次循環(huán)發(fā)光，調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，發(fā)光的周期發(fā)生變化。當增大Rx2的值時，發(fā)光周期變大，各個發(fā)光二極管的發(fā)光交替速度變慢；當減小Rx2的值時，發(fā)光周期變小，各個發(fā)光二極管的發(fā)光交替速度變快。方案三方案原理圖13為方案三原理框圖。方案三的電路由三部分組成：第一部分由NE555構成多諧振蕩電路，輸出矩形脈沖信號；第二部分由兩個74LS194組成八位移位寄存器，在第一部分電路輸出的矩形脈沖作用下，輸出循環(huán)移位信號：01111111->10111111->……->11111110；第三部分電路由八個發(fā)光二極管組成圈式流水彩燈電路，在第二部分電路輸出的循環(huán)移位信號作用下，二極管按逆時針方向輸出移位信號輸出移位信號產(chǎn)生矩形脈沖NE555組成多諧振蕩電路兩個74LS194組成八位移位電路功能實現(xiàn)圈式流水彩燈電路圖13方案三原理框圖圖14為方案三原理電路圖，第一部分多諧振蕩電路輸出矩形脈沖信號。其周期T由兩部組成：電容C1的充電時間t1和放電時間t2。設滑動變阻器RV1分成的上下兩部分阻值分別為Rx1(單位：KΩ)和Rx2(單位：KΩ)，則有：充電時間t1=C1×(R1+RV1)×ln2(13)放電時間t2=C1×Rx2×ln2(14)脈沖信號周期T=t1+t2(15)脈沖信號頻率f=1/T(16)由式(13)、(14)、(15)、(16)得：T=C1×(R1+RV1+Rx2)×ln2，f=1/[C1×(R1+RV1+Rx2)×ln2]。由C1=10uF，R1=30KΩ，RV1=60KΩ，所以T=7×(90+Rx2)×10-3Ω，f=1000/[7×(90+Rx2)]Ω。當Rx2=30時，T=0.84s，f=1.19Hz。圖14方案三電路原理圖其中電容C2的作用是抗干擾，電阻R2的作用是過流保護和分壓，防止電流過大導致二極管損壞、防止二極管的導通端電壓過大導致兩個74LS194實現(xiàn)循環(huán)移位功能。下表為74LS194的真值表。表１74LS194真值表功能輸入輸出MRS1S0CPSLSRＤ０Ｄ１Ｄ２Ｄ３Ｑ０Ｑ１Ｑ２Ｑ３清除０×××××××××００００保持１××０××××××保持１００×××××××置數(shù)１１１↑××ｄ０ｄ１ｄ２ｄ３ｄ０ｄ１ｄ２ｄ３右移１０１↑×１××××１ＱＱＱ１０１↑×０××××０ＱＱＱ左移１１０↑１×××××ＱＱＱ１１１０↑０×××××ＱＱＱ０軟件仿真下圖為方案三的protues仿真圖。圖15方案三仿真圖仿真時，圈式流水燈按逆時針方向（D1—D8）依次循環(huán)發(fā)光，調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，發(fā)光的周期發(fā)生變化。當增大Rx2的值時，發(fā)光周期變大，各個發(fā)光二極管的發(fā)光交替速度變慢；當減小Rx2的值時，發(fā)光周期變小，各個發(fā)光二極管的發(fā)光交替速度變快。方案比較方案元件比較表元件2各方案元件比較表元件方案方案電阻電容二極管主要工作原件門電路電源及接地方案一定值電阻30K,10K10uF1uF8個發(fā)光二極管NE555定時器74LS16174LS138非門一個電源一個接地端滑阻60K方案二定值電阻30K,10K10uF1uF8個發(fā)光二極管NE555定時器CD4017無一個電源一個接地端滑阻60K方案三定值電阻30K,10K10uF1uF8個發(fā)光二極管NE555定時器74LS194×2非門一個電源一個接地端滑阻60K注：表中元件未注明個數(shù)的即為一個。從表中可看出，三個方案所使用的元件中，電阻、電容、發(fā)光二極管和電源及地端的型號、參數(shù)和個數(shù)都相同。不同之處：方案一的主要工作元件除了NE555之外，使用了計數(shù)器—74LS161、譯碼器—74LS138，還有一個非門，一共是4個芯片；方案二的主要工作元件除了NE555之外，只用了一個組合芯片CD4017，沒有門電路，一共是2個芯片；方案三的主要工作元件除了NE555之外，使用了2個74LS194，及1個非門，一共是4個芯片。所以，從元件方面來看，方案二最節(jié)約器材，最方便。方案功能比較從方案的功能來看，三個方案所實現(xiàn)的功能基本一樣，并無太大區(qū)別。唯一的一個小區(qū)表在于方案二的電路連線稍作改動便可控制10個燈的圈式循環(huán)發(fā)光，而方案一和方案二最多只能實現(xiàn)控制8個燈的圈式循環(huán)發(fā)光。所以，就功能而言，方案二更好一些。方案可實現(xiàn)性比較從各個方案的可實現(xiàn)性來看：方案一的電路較簡單可行，芯片便宜且常用；方案二的電路最為簡單，不過4017芯片價格較高，且與555連用時易出現(xiàn)問題；方案三的電路較復雜，控制起來較麻煩。經(jīng)各種對比，且考慮到現(xiàn)有芯片的基礎上選擇實現(xiàn)方案一較好。實現(xiàn)方案方案元件實現(xiàn)方案所用到的元器件如下表所示：表3實現(xiàn)方案元器件列表元件類型型號及數(shù)量集成芯片NE555定時器×1、74LS161計數(shù)器×1、74LS138譯碼器×1電阻滑動變阻器100KΩ×1、定值電阻100Ω×1電容電解電容10uF×1、普通電容0.01uF×1二極管紅色發(fā)光二極管×8注：實現(xiàn)方案時，老師提供的電阻還有2個27K的定值電阻，但實現(xiàn)方式并未用到，而是用自備的滑阻代替。方案原理方案的電路原理圖如下圖所示。圖16實現(xiàn)方案電路原理圖實現(xiàn)方案的電路原理圖一共由4部分組成：NE555定時器組成的諧振模塊、74LS161組成的計時模塊、74LS138組成的譯碼模塊、8個發(fā)光二極管組成的發(fā)光電路。諧振模塊輸出的矩形脈沖作為計時模塊的時鐘脈沖，在時鐘脈沖的作用下，每遇到一次上升沿就計一次數(shù)。計數(shù)模塊的輸出作為譯碼模塊的輸入進行譯碼，輸出的譯碼信號作用于發(fā)光電路，使二極管依次循環(huán)發(fā)光。諧振模塊圖17諧振模塊電路原理圖如圖17所示，設滑動變阻器的上下兩部分為Rx1和Rx2（單位為KΩ），則有RV1=Rx1+Rx2。接通電源的瞬間，電容壓降為0，即2、6腳的壓降為0，此時7腳不通，電容經(jīng)過Rx1和Rx2開始充電。當電容充電至正負板間的壓降為2/3Vcc時，即2、6腳的電壓為2/3Vcc時，7腳接通，電容經(jīng)過Rx2開始放電。當放電至電容兩極板間的壓降為1/3Vcc時，即2、6腳的電壓為1/3Vcc時，7腳斷路，電容又經(jīng)過Rx1和Rx2開始充電，直至充到兩極板間壓降為2/3Vcc。如此循環(huán)往復。所以，充電時間t1=C1×RV1×ln[(Vcc－1/3Vcc)/(Vcc－2/3Vcc)]=C1×RV1×ln2，放電時間t2=C1×Rx2×ln[(Vcc－1/3Vcc)/(Vcc－2/3Vcc)]=C1×Rx2×ln2，所以矩形脈沖的周期T=t1+t2=C1×(RV1+Rx2)×ln2。由C1=10uF，RV1=100KΩ，ln2≈0.7，得T≈0.007(100+Rx2)。計數(shù)模塊圖18計數(shù)模塊電路原理圖如圖18所示，74LS161的1、7、9、10腳接高電平，在時鐘信號（諧振模塊的輸出：3腳）的作用下，每遇到一個上升沿便會計一次數(shù)。由于1腳接高電平，所以該計數(shù)模塊為16進制計數(shù)，但輸出只有Q0、Q1、Q2，Q3置空。當Q3為0時，Q0Q1Q2從000計數(shù)到111，之后Q3進位為1，Q0Q1Q2依然從000計數(shù)到111，所以只輸出Q0、Q1、Q2，便能實現(xiàn)八進制的功能。譯碼模塊圖19譯碼模塊電路原理圖譯碼模塊的電路原理圖如圖19所示。將4、5腳接低電平，6腳接高電平，1、2、3腳分別接計數(shù)模塊的輸出——Q0、Q1、Q2（14、13、12腳）。由74LS138的功能表可知，接通電源后，138便會對輸入進行譯碼，從Y0~Y7腳輸出。由于輸出低有效，當輸入為000時，Y0輸出0，其余端輸出1；當輸入為001時，Y1輸出0，其余端輸出1；……當輸入為111時，Y7輸出0，其余端輸出1。發(fā)光電路圖20發(fā)光電路原理圖如圖20所示，8個發(fā)光二極管呈圈式排列，達到了圈式發(fā)光的要求。由于74LS138的輸出順序依次是15、14、13、12、11、10、9、7腳，所以只要將發(fā)光二極管的D1~D8依次與其相連就可達到順序發(fā)光的目的。由于74LS138的輸出為低有效，所以要讓二極管在矩形脈沖的一個周期內(nèi)只亮一個，可將二極管的負極與對應輸出相連，將二極管的正極與高電平相連。再接一電阻進行保護即可。實現(xiàn)過程圖21方案面包板實物圖如圖21所示，為實現(xiàn)方案時的面包板實物圖。接上電源時，8個發(fā)光二極管依次循環(huán)發(fā)光（順時針），調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，二極管的發(fā)光周期便會改變。小結由圖21可見，面包板的連線橫平豎直，沒有跳線。8個二極管呈圈式排布，接通電源時，以順時針方向依次發(fā)光。調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值便可改變二極管的發(fā)光周期。嚴格按照要求實現(xiàn)了方案。調(diào)試過程及結論調(diào)試過程由于實驗室電源有限，調(diào)試時用自備的三節(jié)干電池作為電源。接上電源后，發(fā)光二極管按照順時針依次發(fā)光，并且循環(huán)。調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，發(fā)光二極管的發(fā)光周期發(fā)生改變。調(diào)試過程截圖如下圖所示：圖22調(diào)試過程截圖結論由調(diào)試時的現(xiàn)象“接上電源后，發(fā)光二極管按照順時針依次發(fā)光，并且循環(huán)。調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，發(fā)光二極管的發(fā)光周期發(fā)生改變”，調(diào)試結果成功，方案正確。心得體會自大學以來，這是第二次課程設計了，雖然有了第一次課設的經(jīng)驗，而且設計的題目和原理都很簡單，但設計和調(diào)試過程中還是遇到難題。拿到題目時，雖