《电工电子技术》课程设计说明书-基于模数电的流水灯

《电工电子技术》课程设计说明-基于模数电的流水灯 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 目录 摘要-----------------------------------------------------------------------I 1实验内容及要求-------------------------------------------------------------1 2比较及认证-------------------------------------------------------------2 3系统框图，原理说明---------------------------------------------------------4 4硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明------------------------------------5 4.1脉冲信号产生电路----------------------------------------------------5 4.1.1 1Hz 555定时器的工作原理及内部结构图--------------------------5 4.1.2脉冲信号发生器的设计原理图--------------------------------------5 4.2显示电路--------------------------------------------------------------------------------------------6 4.3移位控制电路---------------------------------------------------------7 4.3.1 74ls194管脚图及功能介绍---------------------------------------7 4.3.2 74ls194设计循环电路 ------------------------------------------------------------- 8 4.4总体电路-------------------------------------------------------------------------------------------10 5 组装及调试过--------------------------------------------------------------------------------------------11 6收获、体会和改进设计的建议和展望------------------------------------------12 参考文献 ---------------------------------------------------------------13 附录---------------------------------------------------------------------------------------------------------14 I 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 摘要 本实验主要是利用移位寄存器、发光二极管、555定时器等一些电路元件设计简单的流水灯电路。并利用书上所学的知识和所使用的元器件的型号，写出各元件的功能。在此基础上画出原理图及接线图。通过组装、调试电路，自行排除故障，最终实现流水灯功能。 课程设计主要目的，是通过某一电路的综合设计，了解一般电路综合设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法。通过设计也有助于复习、巩固以往的学习内容，达到灵活应用的目的。在设计完成后，还要将设计的电路进行安装、调试以加强我们的动手能力。在此过程中培养从事设计工作的整体观念。 课程设计应强调以能力培养为主，在独立完成设计及制作任务同时注意多方面能力的培养与提高，主要包括以下方面: ? 独立工作能力和创造力。 ? 综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。 ? 查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力。 ? 写技术和编制技术资料的能力。 ? 实际动手能力。 关键字: 移位寄存器 555定时器 发光二极管 开关 I 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 1实验内容及要求: (1)8个彩灯能够自动循环点亮。 (2)彩灯循环显示且频率快慢为1S。 选作:设计具有控制彩灯左移，右移，全亮及全灭功能的电路。 1 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 2实验方案比较及认证: R1C1U5R247k47k10uNOTD1R3C2220U3LED-REDD20.048u315R4D0Q0U17414DCD1Q1513220D2Q234612LED-REDQR62D3Q3THTR182GNDVCCD3SR7SL115CLKCV9S010LED-REDR5220S15551D4MRR674LS194220LED-REDU6 U2NOT314D0Q0413U8U7D1Q1D5512R7D2Q2611D3Q315RCO2207LED-REDENPNOTNOT10ENTD6U42CLKR89315LOADD0Q01414MRD1Q1220513LED-REDD2Q261274LS161D3Q3D7R92SR7SL22011LED-REDCLK9S010S1D81MRR1074LS194220LED-RED 图1 彩灯原理图(方案一) 方案一:如图1所示，本方案主要利用74ls194的双向移位功能和置数功能,彩灯采用共阳极接法，触发信号采用555定时器3脚产生的1HZ的矩形波信号，通过开关控制其全亮全灭以及左移和右移来满足设计要求。 2 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 图2 彩灯原理电路(方案二) 方案二:如图2所示，触发信号和方案一种相同都是用555定时器来设计。在灯的旁边加上的8个开关，8个开关同时合上可以使其全亮。当8个开关都断开且与E1相连的开关闭合则译码器的输出全为高电平，8个灯全部熄灭。本方案主要利用74ls192的可加减计数功能和74ls138的译码输出特点来完成左移和右移功能。当74ls192进行加计数时，彩灯进行右移，计数器记到8时，通过反馈清零法，使计数器的状态恢复到0000状态，这样就完成了彩灯的右移循环功能了。当74ls192进行减计数时，彩灯进行左移，计数器记到9时，通过反馈置数法，使计数器的状态恢复到0111状态，这样就完成了彩灯的左移循环功能了。 方案一和方案二相比，显然方案一的电路比较简单，所用元器件和导线更少，不需要额外加门电路，所以选用第一种方案来设计。 3 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 3系统框图，原理说明 如图 3 所示，彩灯循环一般都由振荡器、移位寄存器、显示电路等几部分组成。其中，振荡器构成组成1Hz信号发生器，由移位寄存器控制彩灯的左移和右移循环系统及全亮控制电路。1Hz信号送入移位寄存器，并且将此时移位寄存器的并行输出状态通过发光二极管显示出来，这就是显示电路。移位寄存器本身含有清零和置数功能，可通过反馈来实现左循环和右循环功能，这就构成了复位/置数电路。 复位/置数电路 控制电路 显示电路 脉冲源 图3 彩灯组成框图 4 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 4、硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明 4.1脉冲信号产生电路 4.1.1 555定时器的工作原理 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。 两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。如图(1)所示。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 4.1.2 1Hz脉冲信号发生器的设计原理图 如图4所示，其中R1、 R2为100K的电阻 C1为4.7mF、C2为0.01mF的电容，Vcc为+5V电源,GND接地。接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，使V0为低电平，同时放点三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，V0下降。当Vc下降到1/3Vcc时，V0翻转为高电平。电容器放电所需时间为tpL=R2Cln2;当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C充电，Vc由Vcc/3上升到2/3Vcc所需时间为tpH=(R1+R2)Cln2;当Vc上升到2/3Vcc时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就可以得到一个周期性的矩形波。 5 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 图4 脉冲信号产生电路图 4.2 显示电路 如图5所示，四个发光二极管的阳极同时接高电平，阴极通过0.1千欧的电阻分别与移位寄存器的Q0、Q1、Q2、Q3相连，，当移位寄存器对应的输出端输出为高电平时，则与之对应的二极管熄灭，反之则点亮。通过控制移位寄存器的输出高低电平就可控制发光二极管的点亮与熄灭。 图5 彩灯显示电路 6 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 4.3 移位控制电路 4.3.1 74ls194管脚图及功能介绍 如图6所示为74ls194管脚图。 图6 74ls194管脚图. 如表1所示，74LS194是集成移位寄存器是四位可逆可并行预置的移位寄存器。由功能表可知,74LS194具有异步清零功能,端输入低电平信号,四个输出端都立即变为"0"。在无效时,两工作方式输入端S1S0电平决定74LS194工作方式。S1S0=11,并行预置数,在时钟上跳时刻,并行输入数据D3 D2 D1 D0预置到并行输出端;M1M0=10,左移寄存,左移输入端SL输入数据寄存到Q0,各位数据向高位移动;S1S0=01,右移寄存,右移输入端SR输入数据寄存到Q3,各位数据向低位移动;S1S0=00,寄存器处于保持工作方式,寄存器状态不变。 . 7 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 表1 74ls194功能表 输 入 输 出 功 n+1 n+1n+1n+1 CR能 SSCP DDDDDDQQ Q Q 1 0 SL SR 0 1 2 3 0123 清0 × × × × × × × × × 0 0 0 0 除 1 × × × × × × × × × 保保 持 持 1 0 0 ? × × × × × × 送1 1 1 ? × × D D D DD D D D0123 0123 数 nnn Q Q 1 Q012 1 0 1 ? × 1 × × × × 右nnn0 Q Q Q 移 012 1 0 1 ? × 0 × × × × nnnQ Q Q 1 123 1 1 0 ? 1 × × × × × 左 移 nnn1 1 0 ? 0 × × × × × Q Q Q 0 123 4.3.2 74ls194设计循环电路 如图7所示，Clk脚接1Hz的脉冲信号。MR接高电平。D0接低电平，D1、D2、D3接高电平。接通电源，开始s1，s2均断开，74ls194置数使得Q0输出低电平，Q1、Q2、Q3均输出高电平，第一个灯发光，其余熄灭。若上面开关闭合，下面开关打开，即s1输入低电平，s0输入高电平，此时移位寄存器将进行右移，同时输出端Q3接到右移输入端SR，这样循环使得从左到右每隔一秒换一个灯亮。若上面开关断开，下面开关闭合，即s1输入高电平，s0输入低电平，此时移位寄存器将进行左移，同时输出端Q1接到右移输入端SL，这样循环使得灯从右到左每隔一秒换一个灯亮。 8 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 图7 74ls194构成4位循环彩灯 如图8所示，接通电源后，当s2闭合，移位寄存器进行清零，所有输出为低电平， 此时8个发光二极管全亮。当s2断开，s3、s4断开时，移位寄存器具有置数功能，此时左边芯片的Q0输出低电平，其余输出高电平，所以只有第一个灯被点亮。 在上述置数的基础上，若将s3闭合，s4断开则进行右移位，其工作原理与4位循环彩灯类似，可以进行8位流水灯的右移循环。同理，若将s3断开，s4闭合，也可使其进行右移位循环。 图8 8彩灯循环电路 4.4 总体电路 9 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 如图9所示，即将前面所述的单元电路进行组装即可得到，555定时器构成频率为 1Hz的脉冲源，为系统提供脉冲信号。2片74ls194构成8位循环电路。 R1C1U5R2 47k47k10uNOTD1R3C2220U3LED-REDD20.048u315R4D0Q0U17414DCD1Q1513220D2Q234612LED-REDQR62D3Q3THTR182GNDVCCSRD37SL115CLKCV9S010LED-REDR5220S15551MRD4R674LS194220LED-REDU6 U2NOT314D0Q0413U8U7D1Q1D5512R7D2Q2611D3Q315220RCO7LED-REDENPNOTNOT10ENTD6U42R8CLK9315LOADD0Q01414220MRD1Q1513LED-REDD2Q261274LS161D3Q3D7R92SR7220SL11LED-REDCLK9S010S1D81R10MR74LS194220LED-RED 图9 总体电路图 5组装及调试过程 10 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 1(课程设计前期:通过阅读实验要求确定实验的方法、目的及一般步骤。画好实验电路图，并在模拟环境下设计电路，排除初期的设计故障，以提高真实环境下的实验效率和器材利用率。准备并检验实验器材。 2(课程设计中期:依照电路图，在实验室完成器件的连接，在连接时要注意短路、断路等故障，注意电路排布的整齐和美观，这样有助于电路的故障排查。 3(课程设计后期:电路故障的排查。 本次试验采用方案一。 连好电路以后，进行调试，发现很多问题，像发光二极管不亮，不能左移和右移，不能循环等问题，甚至不能置数等问题，经过检查之后发现，芯片管脚电压不正常，可能是芯片已损坏。经过讨论，决定更换新芯片，再重新接线。经过认真检查最终调时成功，彩灯能顺利进行左移循环、右移循环、全亮及全灭四大功能。 接线过程中，要注意以下几点: 1. 将线一定要插好 2. 仔细核对引脚图，不能出现接错脚的情况 3. 注意芯片接线时，要先接好电源和地，再接好其他引脚，不容易出错 调试过程中，有一些技巧，我总结为以下几点: (1) 在连接电路之前先要检查导线是否是好的，否则在出现问题之后就很难出到 底那部分电路出现问题。 (2) 调试过程中可在脉冲输出端接一种发光二极管，可以很直观的判断脉冲是否正常， 可以节省很多时间。 (3)出现问题时，不要急着拆线，要先分析出哪里出错，用万用表检查电路连接是否正常，不能盲目组装。 6收获、体会和改进设计的建议和展望 11 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 在这短短的几天实训中，不仅仅让我们动了手动了脑，更让我们体会到了理论与实践相结合的重要性，凭空的理论是站不住脚跟的，需要时间来验证。但我们又不得不承认理论的重要性，理论是前提，我们必须打好基础。 在实验设计的过程中，让我们土会到以前从来没有过的动手能力，以及新颖的思维方式，让我从中获益非浅。实验过程中，我们在电脑仿真时可以执行，但到了真正组装后，却不能正常工作，但最后经过我和搭档一起努力，终于完成了实验设计，虽然道路艰难，但我们却也乐在其中，既锻炼了动手能力，有培养了动脑能力，更加利于我们在社会上工作。虽说设计实验经历的时间并不是很长，但感觉每一天都十分的充实，我有的时候，老犯迷糊，总用脑子空想，到最后把思路往电脑上一实践，发现行不通，这些也给我了启发，光凭空想是不能够解决任何问题的，从这次电子课程设计中，让我深深的体会到这一点，与此同时，我也体会到了理论与实践的差异性很大。空想的理论没有实践的支持是站不住脚的。 实验设计中，每一步，甚至每一个细节都不是想象的那么简单，那么轻而易举，555定时器的运用就让我苦想了很久，再到图书馆查资料，课程设计总算完成了，其实就我自己对这门课的认识是:态度决定一切，有一个决心就能做好事情。 这次的电子课程设计不仅是对我们学生的知识的一次检验，更重要的是培养了我们想问题，做事情严谨的态度和实事求是，认真负责的为事观，更是以后我们为人处世的基础。 建议以后对于相关课程如模拟电路也开设相关的课程设计，课程设计是一个从理论到实践的一次锻炼，这对我们工科学生来说很重要，如果我们以后要从事本专业或相关专业的工作，课程设计提供的是一个很重要的平台，它将会使我们在走向工作岗位前得到很切合实际的锻炼。 参考文献 12 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 [1]陈继荣.智能电子创新制作.科学出版社,2007 [2]吴友宇.模拟电子技术基础.北京:清华大学出版社，2008 [3]康华光.电子技术基础(数字部分).高教出版社，2006 [4]康华光.电子技术基础(模拟部分).高教出版社，2005 [5]伍时和.数字电子技术基础.清华大学出版社,2009 附录 13 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 所用元器件清单 名称 型号 数量 555定时器 NE555 1个 移位寄存器 74ls194 2个 发光二极管 8个 电阻 若干 电容 若干 4位二进制同步计数器 CC40161 1个 5V直流稳压电源 若干 14 武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书 15