毕业设计56彩灯循环显示控制器 - 图文

课程设计(论文)说明书

题 目： 彩灯循环显示控制器 院 （系）： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导老师：

2007 年 1 月 20 日

摘 要

本流水彩灯控制器的设计采用串行输入方式完成其功能，由八个发光二极管、双向移位寄存器74LS194、四位同步二进制计数器74LS161、八选一数据选择器74LS151以及由555芯片构成的多谐振荡电路构成。通过控制外部操作开关S1、S2，可以实现彩灯亮点的右循环、左循环、两亮两灭左循环等功能。

关键字：寄存器74LS194；计数器74LS161；数据选择器74LS151；多谐振荡器

Abstract

74LS151 and the how in harmony oscillating circuits being composed of 555 chips compose running water illumination controller 74LS161 designing 74LS194 , synchro four digit binary system counter adopt serial entering way to accomplish whose function , depositing an implement from eight light-emitting diodes , two-way shifting , eight selections one data selectors. Handle switch S1 , S2 by controlling the outside, the right circulation being able to realize the illumination brightened dot , left functions such as cycling , lighting liang to exterminate left circulation liang.

Key Words: 74 LS194 depositing an implement; Counter 74 LS161; Data selector 74 LS151; many be settled oscillator

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目 录

引 言…………………………………………………………………04 1.设计任务及要求…………………………………………………04 2.方案论证和选择…………………………………………………04 3.系统框图…………………………………………………………05 4.电路的工作原理…………………………………………………05

4.1时钟信号发生器………………………………………………………………05 4.2序列信号发生器………………………………………………………………06 4.3移位输出显示电路……………………………………………………………09 4.4总电路图及工作原理…………………………………………………………11

5. 电路板的组装…………………………………………………12

5.1原理图的设计…………………………………………………………………12 5.2 电路板制作过程………………………………………………………………12

6. 电路的调试……………………………………………………13

6.1调试仪器………………………………………………………………………13 6.2调试方法和过程………………………………………………………………13 6.3调试所遇问题…………………………………………………………………13

7.测试结果及设计心得………………………………………………13

7．1方案的优点和缺点……………………………………………………………13 7．2课题的核心价值………………………………………………………………14

8. 总 结…………………………………………………………14 谢 辞…………………………………………………………………15 参考文献………………………………………………………………16 附 录…………………………………………………………………17

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引 言

本课程设计主要选用由555构成的时钟信号发生器，四位同步二进制计数器和数据选择器组成的序列发生信号器和双向移位寄存器构成的移位显示输出电路。

1 、设计任务及要求

1．8只发光二极管显示；

2．设置外部控制开关,具有控制彩灯亮点的左移,右移,全亮,全灭等功能； 3．亮点移动规律,2亮2灭右移或左移； 4．彩灯亮点移动时间间隔取1秒。

2、 方案论证和选择

流水彩灯控制器主要由三部分组成：555构成多谐振荡器产生时钟信号即时钟信号发生器；四位同步二进制计数器74LS161和八选一数据选择器74LS151构成序列信号发生器；双向移位寄存器74LS194构成的移位输出显示电路。 2．1 方案论证

2．1．1时钟信号发生器

主要用来产生脉冲信号。因为流水彩灯对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以采用555组成多谐振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。 2．1．2序列信号发生器

在数字信号的传输和数字系统的测试中，有时需要用到一组特定的串行数字信号，这种串行数字信号称为序列信号。产生序列信号的电路称为序列信号发生器。序列发生器的构成方法有多种，比较简单、直观的方法是用计数器和数据选择器组成。可以由四位同步二进制计数器74LS161和八选一数据选择器74LS151或者和双四选一的数据选择器74LS153组成。 2．1．3移位输出显示电路

用两个74LS194接成多位双向移位寄存器，可以实现数据的左循环、右循环和两亮两灭左循环等多种工作方式。 2．2 方案选择

本课程设计主要选用由555构成的时钟信号发生器，四位同步二进制计数器74LS161和八选一数据选择器74LS151组成的序列发生信号器和两个7474LS194构成的移位显示输出电路。对于序列信号发生器，因为如果选用74LS153，则还要加上一个非门和一个2输入的或门，就要多加两个芯片，显得有点浪费资源。

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3、 系统框图

八位拨码开关控制 时钟 序列信号发生器 信号 输出时钟信号 发 生 序列号 器 移位输出显示电路 两位拨码开关控制 图1流水彩灯控制器系统框图 4、 电路的工作原理

4．1时钟信号发生器

时钟信号由555构成的多谐振荡电路产生（电路图如图2），发光二极管用来指示该电路是否产生时钟信号，电容C1是用来抗干扰的。由于彩灯对频率要求不高，只要产生高低电平就可以。

图2 时钟信号发生器

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4．2序列信号发生器

本设计的序列信号发生器采用八进制计数器取自74LS161（四位同步二进制计数器）的低三位和八选一数据选择器74LS151构成。电路图如图3所示。

图3 序列信号发生器

要了解序列信号发生器的工作原理就必须知道计数器74LS161和74LS151的工作原理。下面介绍这两个芯片的工作原理。 4．2．1 四位同步二进制计数器74LS161

74LS161具有清零、置数、计数和保持四种功能，且具有进位信号输出，可串接计数使用。可以实现从0~15的模16加法计数。其引脚排列图、内部结构图和逻辑功能表分别如图4、图5和表1所示。

CP X ↑ X X ↑

MR’ L H H H H PE’ X L H H H CET X X L H H CEP X X H L H 功能 清零 预置 保持 保持 计数 图4 74LS161的引脚排列图 表1 74LS161逻辑功能表

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由表1知，74LS161的功能为：（1）清零功能：当清零端MR’接低电平时，无论PE’、CET、CEP端口接低电平还是高电平，输入端口Dn输入任何数字，输出端Qn都输出0；（2）预置功能：当MR’接高电平，PE’接低电平，时钟的上升沿到来时，输出端Qn输出的为Dn设计的的数字；（3）保持功能：当MR’、 PE’都为高电平，CET、CEP的输入相反时，Qn的输出保持；（4）计数功能：当MR’、PE’、CET、CEP都为高电平时，在时钟信号CP的上升沿到时，计数器开始计数。

图5 74LS161的内部结构

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4．2．2八选一数据选择器74LS151

74LS151 为有互补输出的8选1数据选择器。其引脚排列图、内部结构图和功能表分别如图6、图7和表2所示。

输入 输出

E’ 1 0 0 0 0 0 0 0 0 S2 X 0 0 0 0 1 1 1 1 S1 X 0 0 1 1 0 0 1 1 S0 X 0 1 0 1 0 1 0 1 Z 0 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7

图6 74LS151引脚排列图

表2 74LS151的功能表

图7 74LS151的内部结构图

S2、S1、S0是地址端，按二进制译码方式，从八个数据输入端I0—I7中，选择一个需要的数据送到输出端Z；E’为使能端，低电平有效。当使能端E’=1时，不论S2、S1、S0的状态如何，均无输出（Z=0，Z’=1），多路开关处于禁闭状态。当E’=0时，多路开关正常工作，根据地址码S2、S1、S0的状态选择I0—I7中某一个通道的数据输送到输出端Z。例如，S2S1S0=000，则选择I0数据到输出端即Z= I0；依次类推，可以得到其他状态地址的电路输出。

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序列信号发生器的工作原理：在图3中，当时钟信号CLK的上升沿到达计数器74LS161时，计数器开始计数，其输出端Q2Q1Q0从000循环计到111。而这三个输出端又作为数据选择器74LS151的三个地址端CBA的输入。74LS151开始根据地址码的状态选择I0---I7中的某一个通道的数据输送到输出端Z’。而I0---I7的数据则由一个八位的拨码开关控制着使每一个通道可以选择输入的是低电平或高电平。 4.3 移位输出显示电路

主要由两个双向移位寄存器74LS194和八个发光二极管组成。74LS194的引脚排列图、内部结构图和功能表分别如图8、图9和表3所示。PO、P1、P2、P3是并行数据输入端；Q0、Q1、Q2、Q3是并行数据输出端；DSR是右移串行输入端；DSL是左移串行输入端；S1、S0是工作模式控制端；MR’是直接无条件清零（复位）端。CP是时钟脉冲输入端。74LS194有并行送数寄存、右移（方向由Q0至Q3）、左移（方向由Q3至Q0）、保持及清零等五种不同的工作模式。S1、S0和 MR’端的控制作用及功能表如表3所示。

图8 74LS194的引脚排列图

图9 74LS194的内部结构图

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功能 MR’ 复位 L 预置 H 右移 H 左移 H 保持 H

S1 X H L H L 输入 S0 CP P0 P1 P2 P3 X X X X X X H ↑ d c b a H ↑ X X X X L ↑ X X X X H X X X X X 表3 74LS194的功能表 Q0 L d DSR Q0 Q0 输出 Q1 Q2 L L c b Q0 Q1 Q1 Q2 Q1 Q2 Q3 L a Q2 DSL Q3 移位输出显示电路的电路图如图10所示。其工作原理为：（1）使 S2的2、3脚导通，则当时钟的上升沿到来时，由于U4的Q3与U5的DSR相连接，U5的Q3又通过序列信号发生器与U2的DSR相连，所以由功能表知，可以实现发光二极管的右移循环流水功能。对序列信号的改变输入所需的数据，可以实现二亮二灭等右移循环流水功能；（2）使S2的1、4脚导通，则当时钟的上升沿到来时，由于U5的Q0与U4的DSL相连接，U4的Q0又通过序列信号发生器与U5的DSL相连，所以由功能表知，可以实现发光二极管的左移循环流水功能。

图10移位输出显示电路

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4.4总电路图及工作原理

总的电路图如图11所示。流水彩灯控制器的工作原理如下：当排插J1接入+5V的电压时，发光二极管L被点亮，同时时钟信号发生器开始工作。555芯片的Q端输出周期秒的脉冲，发光二极管L3以一定的频率开始闪烁。由时钟信号发生器产生的时钟信号同时输送到序列信号发生器和移位显示输出电路中。序列信号发生器开始工作。74LS161在输入的时钟信号的上升沿到来时开始计数。在第一个时钟上升沿，74LS161的输出端Q2、Q1、Q0把输出的数据0、0、0输送到74LS151的地址端C、B、A中，即CBA=000，那么数据选择器的输出端Z’就选择I0’这个通道的输入数据。I0的数据输入由八位拨码开关的第一个开关决定。依次类推，计数器74LS161从0到15循环计数，其输出端Q2Q1Q0也就把相应的输出000—111输送给74LS151的地址端CBA，则输出端Z’就相应的把I0’---I7’的数据输送给74LS194芯片U4的DSR端口和U5的DSL端口。拨动八位拨码开关，使其处于导通（即I0---I7的输入为高电平）或是断开（即I0---I7的输入为低电平）状态，若拨动拨码开关，使S2的2、3脚导通，可以实现发光二极管的右移循环功能；在此状态下，拨动八位拨码开关，使其2和15、3和14脚导通，其余的为断开，则U4的DSR端连续输入两个高电平，这时可以实现发光二极管的二亮二灭的右移循环功能。类似的，若拨动拨码开关，使S2的1、4脚导通，可以实现发光二极管的左移循环功能。

图11流水彩灯控制器原理图

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5、电路板的组装

电路的设计由计算机来完成，电路的设计广泛采用Protel软件来设计，该软件具有高度的集成性与扩展性，并具有仿真功能，但是该功能不强，用Protel进行电路设计步骤如下图所示：

5.1 原理图的设计

原理图的设计过程如下图：

运行软件加载元件库 绘制原理图 生成PCB 布局元件并布线

（1）加载元器件库，在绘制电路原理图之前，将所需的原理图元件库装入原理图编辑器；

（2）绘制原理图，根据自己的设计原理，绘制原理图；

（3）生成PCB，布局元件，布线，电脑布线并不十分令人满意，可以手动调整；

5.2 电路板制作过程

电路板是用绝缘材料做成的表面附铜的板子，PCB的线宽要大于0.5mm，否则制作的时候容易断，接触也不是很好，地线、电源线和信号源线要大于0.7mm，另外，孔的大小也要合理，要根据元件的管脚来设置。

打印PCB 熨烫、腐蚀、打孔 焊接元件 检查

（1）熨烫：将热转印纸倒敷在铜板有铜的那一面，用电熨斗熨到铜板上，熨斗的温度不能太高，不能熨烫过久，久的话纸上面的一层膜容易粘到板子上面，腐蚀的时候不容易腐蚀掉，给腐蚀造成一定的难度；

（2）腐蚀：熨烫好的铜板待冷却后，将印上电路图的铜版放入氯化铁溶液中，氯化铁的浓度高腐蚀的速度也会比较快，腐蚀过后洗掉墨线；

（3）打孔：要注意孔的尺寸，根据孔和元件的大小来选择钻头的大小； （4）焊接：放置元件，从比较矮的器件到比较高的器件，器件越贴近电路板越好，这样可以减小干扰。注意焊接容易接成短路，焊点不要太大，防止虚焊。

（5）检查：检查是否虚焊、短路和断路，管脚位置是否正确。

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6. 电路的调试

6.1 调试仪器

DT9202 数字万用表 5V直流稳压电源

1个 1台

示波器 1台 6.2 调试方法和过程

电路板做好后即可进行调试步骤如下：

（1）首先观察电路有无断点或可疑点，若有则用电烙铁进行焊接。在本次实验所印电路有一根断线，可能是在腐蚀的时候和其他电路板碰在了一起，使墨线断掉了；

（2）用万用表测试所有线路，确保都为正常电路；

（3）调节电源为5伏，用万用表测试电压，保证电压正常能够使芯片工作； （4）先不插芯片，将电源正确的接在电路的正负两端，此时绿灯亮，测量芯片的工作电压是否正常，测试为4.9V，能使芯片工作正常；

（5）拨动拨码开关，使S2的2、3脚，拨动八位拨码开关，使其2和15导通，其余的为断开，发光二极管亮点右循环；在此状态下，拨动八位拨码开关，使其2和15、3和14脚导通，其余的为断开，发光二极管开始二亮二灭右循环。

（6）拨动拨码开关，使S2的1、4脚导通，发光二极管亮点左循环；如果S2的导通和断开状态不对应，则电路不能实现左移右移的功能。 6.3 调试所遇问题及问题的解决：

（1）在调试过程中，接通电源，只有L1发光，L3没有，用万用表检查，555的1端口与接地端断路，用一导线接通，再接通电源，电路开始工作。

（2）再次接通电源，发现555电路不起振，接上示波器观察发现，R3、U2大小选择不合适，更换后调节指示LED显示正确。

（3）555电路正常后发现电路彩灯还是不能按设计闪动，再次用电表排查各端接口，发现74LS151计数器工作异常，更换后达到设计标准。

7.测试结果及设计心得

本电路可以实现设计要求要实现的右循环、左循环、二亮二灭右循环等三种工作方式。而且使用的芯片较少。 7．1方案的优点和缺点

（1）优点在于使用了八选一数据选择器74LS151，从而使整个电路使用的芯片个数减少。而八位拨码开关的使用，则增添了电路的工作方式。

（2）缺点在于本电路只能实现一种数据的传输，就是串行数据传输，不能

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实现并行数据的传输。在电路设计中，并行传输比串行传输速度要快得多。 7．2课题的核心价值

本课题可应用于对现实生活中。例如，夜里建筑大楼外面那些用来装饰的流水彩灯以及歌舞厅里循环亮着的彩灯等。由于人们对彩灯的变换样式的要求不断的提高，所以彩灯电路设计就变得十分重要了。这就需要我们研究出更多样式的彩灯来满足人们的需要了。

8.总 结

在本次的电路设计中，自己学到了很多东西，动手能力也得到了加强。要设计好一个电路，就必须要对每一个原器件的工作原理以及其优缺点有一定的了解，然后才能够设计好一个电路。在设计时，要考虑到每一种可能性，这样设计出来的电路就更加的完美。这次设计中，有的器件第一次遇到，像排阻，它也有接电源端，由于以往的观念（电阻不分极刑），导致排阻的反接。这些问题都是在实践中以及科协成员的帮助下得到解决的。通过这次课程设计,我对计数器74LS161、选择器74LS151和移位寄存器74LS194有了更深的理解。这次课程设计把我学到的知识应用到实际当中去，让我真正体会到了学以自用的乐趣，理论联系实际加强了我对学习的欲望和有所学有所用的探索精神。

以前对电路的工作过程只能抽象地去理解，做电路板也都是进行简单的模仿，做这次课程设计刚开始也是模仿其他电路，结果不能调试出来，除了前面所说的原因外一个重要的原因就是没有完全理解别人的电路，并且别人的电路不一定符合自己的要求，只有在别人电路的基础上自己设计出来的电路错了才知道在哪里修改及怎样修改，后来，翻阅了有关书籍，关于这次课程设计所要用到的一些电路的知识又重新复习了一下，终于完全明白了电路的原理，并且在以前的基础上自己设计出了这次课程设计的电路，并且调试成功。模仿别人的电路做要几天，并且不一定能够调试成功，而用自己的电路一天就能成功，但是要在完全理解原理的情况下才能够自己设计电路。

首先要认清问题，认真分析问题，只有认真地去分析问题才能更好的解决问题，分析问题时必须具备细心，耐心，恒心和毅力，同时还要实事求是地分析问题，不能为了应付课设的验收，更不能为了做电路板而做电路板，要为了提高自己的动手能力，提高理解知识为目的，做电路板的每一步都要细心、耐心，认真考虑所遇到的问题，在实践中不断提高分析和动手能力。通过这次课程设计,提高了分析问题能力和动手能力，并验证了理论知识，通过实际测试，理论值和实际值有一定的差别，但是是在误差的允许范围内。

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谢 辞

这次课程设计能够顺利完成，在这里要感谢我的指导老师蒋艳红老师和邱治金老师，在百忙中他们给予我好的建议和耐心指导，他们的耐心给予了我极大的鼓励，使我有信心完成并且能够很好地完成这次课程设计；同时还要感谢很多帮助过我的同学们，特别是我们系科协的同学们，给我提供调试的场地和工具。

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参考文献：

[1]《数字电子技术基础》第五版 高等教育出版社 阎石 主编 [2]《现代数字逻辑电路实验指导》 电子工业出版社 江国强 蒋艳红 编著 [3]《电子线路CAD实用教程》 西安电子科技大学出版社 潘永雄编著

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附 录

附图1 原理图

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附图2 PCB图

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元件清单：

序号 1 名称 电阻 微调变阻器 排阻 陶瓷电容 电解电容 圆孔插针 拨码开关 发光二极管 二极管 555 八选一数据选择器 四位同步二进制计数器 双向移位寄存器 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 型号 1K 3.9K 100K 10K 1K 0.01uF 1uF 3位 8位 4148 NE555 74LS151 74LS161 74LS194 数量 4个 1个 1个 1个 2个 1个 1个 2排 1个 1个 10个 1个 1个 1个 1个 2个

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