《電工電子綜合》課程設計說明書霓虹燈控制電路設計

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1、武漢理工大學《電工電子綜合》課程設計說明書 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 課程設計任務書 學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 題 目: 霓虹燈控制電路設計 初始條件： 1． 運用所學的模

2、擬電路和數(shù)字電路等知識； 2． 用到的元件：實驗板、電源、連接導線、74系列芯片、555芯片等。 要求完成的主要任務: 1． 現(xiàn)有12只彩燈，紅－綠－藍－紅－綠－藍－紅－綠－藍―紅－綠－藍排成一條直線，試設計一控制電路，要求彩燈能實現(xiàn)如下追逐圖案； 2． 紅綠2種燈從前往后驅(qū)動點亮閃爍，每0．5秒往前進一步； 3． 藍燈從后往前驅(qū)動點亮閃爍，每0．5秒進一步； 4． 霓虹燈控制工作狀態(tài)按照上述2至3步自動重復循環(huán)，另外，還可以自行編制各種彩燈追逐圖案。 5． 嚴格按照課程設計說明書要求撰寫課程設計說明書。 時間安排： 第1天 下達課程設計任務書，根據(jù)任務書查找資料

3、； 第2～4天 進行方案論證，軟件模擬仿真并確定設計方案； 第5天 提交電路圖，經(jīng)審查后領取元器件； 第6～8天 組裝電路并調(diào)試，檢查錯誤并提出問題； 第9～11天 結果分析整理，撰寫課程設計報告，驗收調(diào)試結果； 第12～14天 補充完成課程設計報告和答辯。 指導教師簽名： 2010年 6月26日 系主任（或責任教師）簽名： 2010年 6月26日 目錄 引言………………………………………………………………………1 1設計意義及要求……………………………………………………….2

4、 1.1 設計意義..………………………………………………………...2 1.2 設計要求…………………………………..……………………...2 1.3 初始條件…………………………………..……………………...2 2方案設計..………………………………………………………………3 2.1 設計思路..……………..………………………………………….3 2.2 設計方案...…………………………..……………………………5 2.3 方案比較…………………………………………..…….………..6 3部分電路設計………………………………………………………….7 3.1 脈沖輸出電

5、路…………………………………………………….7 3.2 JK觸發(fā)器………………………………………………………….8 3.3 4位雙向移位寄存器74LS194電路……………………………..9 3.4 邏輯門電路74LS08與74LS04………………..………………..11 4調(diào)試與檢測……………………………………………………………12 5體會與總結……………………………………………………………13 參考文獻………………………………………………………………..15 附錄 本科生課程設計成績評定表…………………………………………..16 引言

6、 在日常生活中，霓虹燈已經(jīng)遍布所有城市和很多鄉(xiāng)鎮(zhèn)的大街，每當夜幕降臨，華燈初上，五顏六色的霓虹燈就把城市裝扮的特別美麗。 如今，撩人眼球、光彩耀目的霓虹燈已成為城市繁華程度的度量，也是商業(yè)建筑的一大廣告、招牌。 把一定數(shù)量的受控彩燈經(jīng)過組合，可營造出多彩、流水般的動感場景，這對增強節(jié)日喜慶氣氛、美化日常生活環(huán)境具有良好的效果。 霓虹燈電路可由數(shù)字邏輯電路或者編程控制（目前社會上常用Visual Basic編程語言來編寫相應的程序以控制霓虹燈的花樣）。而聯(lián)系實際和運用所學的數(shù)字或模擬電子技術知識，學生可設計出各種霓虹燈控制電路。 此次課程設計作為實踐教學的一個重要環(huán)節(jié)，可達到提高學

7、生的創(chuàng)新能力的作用。通過課程設計，學生不僅能加深對課本知識的理解，還能鍛煉自己的動手能力和提高解決問題的能力。 我小組將通過用555定時器構成的0.5秒脈沖發(fā)生器，及移位寄存器74LS194與邏輯門74LS04、74LS08、JK觸發(fā)器級聯(lián)、計數(shù)器與譯碼器等多個元器件，經(jīng)計數(shù)、譯碼等多種方案來實現(xiàn)霓虹燈電路的控制。 以下將具體為有關JK觸發(fā)器級聯(lián)、移位寄存器74LS194與邏輯門74LS04、74LS08實現(xiàn)電路的兩種方案。 1 設計意義及要求 1.1設計意義 霓虹燈在生活中的發(fā)展和應用非常迅速，而彩燈的種類繁多，變化多樣，因此設計彩燈控

8、制電路有非常重大的實際意義。經(jīng)本學期及上學期對模擬、數(shù)字電子技術的學習，學校安排了這次的電工電子實習，目的在與讓學生綜合運用所學的知識，對各基本器件的運用更加熟練，也更好的鍛煉學生的設計思維和動手設計能力。 同學通過此次的設計多個方案的設計，可以將所學知識轉(zhuǎn)化為實物，得到更多種類、更多花樣的彩燈控制電路，在收獲成就感和滿足感的同時，可以對設計的彩燈花樣更具有創(chuàng)新意識。 1.2設計要求 1)現(xiàn)有12只彩燈，紅－綠－藍－紅－綠－藍－紅－綠－藍―紅－綠－藍排成一條直線，試設計一控制電路，要求彩燈能實現(xiàn)如下追逐圖案； 2)紅綠2種燈從前往后驅(qū)動點亮閃爍，每0．5秒往前進一步； 3)藍

9、燈從后往前驅(qū)動點亮閃爍，每0．5秒進一步； 4)霓虹燈控制工作狀態(tài)按照上述2至3步自動重復循環(huán)，另外，還可以自行編制各種彩燈追逐圖案。 5)嚴格按照課程設計說明書要求撰寫課程設計說明書。 1.3初始條件 1)運用所學的模擬電路和數(shù)字電路等相關知識； 2)電路中所用到的元件：實驗面包板、電源、連接導線、電阻、電容、發(fā)光二極管、74系列芯片(包括移位寄存器74LS194、非門74LS20等)、JK觸發(fā)器、555芯片等。 2 方案設計 2.1設計思路 <方案一>利用555定時器產(chǎn)生連續(xù)0.5秒的脈沖信號，該信號提供給JK觸發(fā)器，由4個JK觸發(fā)器級聯(lián)

10、組成的電路可以使每組顏色相同的彩燈接收從0000、1000、0100、0010、0001、0000、1000……的往返重復信號而閃爍。 第i(i=1、2、3、4)位是由第i個JK觸發(fā)器輸出的QN+1 ，將四位信號轉(zhuǎn)化成10進制數(shù)，則實現(xiàn)的是由0→8→4→2→1→0→8→……的循環(huán)，列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，從而得到相應第i個JK觸發(fā)器的次態(tài)方程，根據(jù)狀態(tài)方程、輸出方程，再求解出邏輯方程的驅(qū)動方程。 例如JK觸發(fā)器(1)的功能轉(zhuǎn)換圖： QN+1(1) QN QN+1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0

11、0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 JK觸發(fā)器（2） JK觸發(fā)器（1） JK觸發(fā)器（3） JK觸發(fā)器（4） QN(2) QN(3) QN(4) QN(1) 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 Other 得：J(1)= 1234 K(1)=1 1 0 0 0 0 原理框圖： 十二盞彩燈（4紅、4綠、4藍） QN(4) 555定時器構成的

12、頻率為2HZ的多謝振蕩器 QN QN CP信號 CP信號 CP信號 CP信號 圖2-1 利用JK觸發(fā)器實現(xiàn)的原理方框圖 <方案二>555定時器提供0.5秒的信號脈沖，由2片74 HC194實現(xiàn)信號的循環(huán)，2片74 HC194均用作右循環(huán)。74LS194的四個輸入端D3、D2、D1、D0分別接0、0、0、1信號。 74LS194的(1)(2)的四個輸出端：Q0接紅、綠2種不同顏色的燈組的第一個燈，Q1接第二個燈，Q2接第三個燈，Q3接第四個燈。同時，74LS194(1)的輸出端還順序反著接藍色燈組。 555定時器產(chǎn)生的連續(xù)脈沖信號供給2個74LS194，構

13、成同步時序邏輯電路。這樣2個74 HC194芯片置數(shù)后第一個紅燈和第一個綠燈還有第四個藍燈亮，其它的燈暗。 同時，555構成的多諧振蕩器輸出的方波信號每到一個上升沿，2個74 HC194芯片就觸發(fā)一次，這樣2個74 HC194芯片的信號右移一次，由0、0、0、1變成0、0、1、0。 十二盞燈也相應的變化。紅綠燈由第一組亮變成第二組亮，藍燈由第四個亮變成第三個亮，這樣就實現(xiàn)了霓虹燈的流程變化。每到NE555構成的多謝振蕩器輸出的方波信號到達一個上升沿，霓虹燈就變化一次。 由以上構思可以設計此霓虹燈流程電路。 原理框圖： 12色彩燈循環(huán)電路（3紅、3綠、3藍） 555定

14、時器構成的頻率為2HZ的多謝振蕩器 CP信號 CP信號 圖2-2 利用移位寄存器實現(xiàn)的原理方框圖 與高低電平開關與非 反饋支路 零清 零清 74LS194 (1) 74LS194 (2) 停暫路 2.2設計方案 在此霓虹燈控制電路中，共有2套方案。 兩套方案的設計出來的結果基本一樣，都能達到設計要求。但是設計思路和設計原理不同。 <方案一>原理圖： 圖2-3 利用JK觸發(fā)器實現(xiàn)的電路圖 由555定時器產(chǎn)生連續(xù)方波脈沖,再通過4個JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，

15、利用輸出實現(xiàn)信號的循環(huán)移位，同時輸出的相應信號分別加到對應的彩燈上，彩燈循環(huán)流動。紅燈的第一個與藍燈最后一個連接，依次類推，也可分開做三個分電路實現(xiàn)。 <方案二>原理圖： 圖2-4 利用移位寄存器實現(xiàn)的電路圖 由555定時器產(chǎn)生連續(xù)方波脈沖,再通過2片74LS194芯片的移位寄存功能，實現(xiàn)信號的循環(huán)移位，同時輸出的相應信號分別加到對應的彩燈上。另外有與非門，當各燈都為0時，電路置數(shù)，再移位，彩燈循環(huán)流動。 拓展：EN555的3號管腳（輸出信號）可以和一個高低可變電平連入與非門，與非門的輸出端作為三個74 HC1

16、94芯片的時鐘信號。這樣當可變電平處于高電平時，電路正常循環(huán)流動；可變電平處于低電平時，電路暫停。 2.３方案比較 相比較，方案二所用芯片數(shù)量少，成本低，單位電路考慮的應用原理較簡單，單一，方便檢測與調(diào)試處理問題。 3 部分電路設計 3.１脈沖輸出電路 下圖是由555定時器構成的0.5秒脈沖發(fā)生器，它可以產(chǎn)生2Hz的矩形方波 +VCC DIS TH CO GND TR OUT d 555 圖3-1 55

17、5定時器構成的秒脈沖發(fā)生器 圖3-2 555定時器引腳圖 555定時器功能表： 表3-3 555定時器功能表 輸入 輸出 閾值輸入（V11） 觸發(fā)值（V12） 復位（RD） 輸出（VO） 放電管T 0 0 導通 <(2/3)VCC <(1/3)VCC 1 1 截止 >(2/3)VCC >(1/3)VCC 1 0 導通 <(2/3)VCC >(1/3)VCC 1 不變 不變 555定時器構成的多諧振蕩器接通電源后，電容C1被充電，當VC上升到2/3VCC時，觸發(fā)器被復位，同時發(fā)電BJT T導通，

18、此時VO為低電壓，電容C1通過R2和T放電，使VC下降。當VC下降到（1/3）VCC時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1放電所需的時間為： tPL=R2C1ln2 【可近似看成tPL=0.7R2C1】 當C1放電結束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C1充電，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的時間為： tPH=(R1+R2)C1ln2 【可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C1】 而當VC上升到（2/3）VCC時，觸發(fā)器又周而復始，輸出一個周期性的頻率為f=1/( tPL

19、+tPH) 【近似看成f=1.43/[(R1+2R2)C1】的方波。 3.２JK觸發(fā)器 1）內(nèi)部電路原理及符號： 2）JK觸發(fā)器功能表： 圖3-5 JK觸發(fā)器內(nèi)部原理圖及其符號 表3-6 JK觸發(fā)器功能表 圖3-4 JK觸發(fā)器級聯(lián)電路圖 J K Q n S R Q n+1 邏輯功能 0 0 0 0 0 Q n 保持 1 0 0 0 1 0 0 0 0 置0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 置1 1 0 0 1 1 0 1 0

20、 狀態(tài)翻轉(zhuǎn) 1 0 1 3） 特性方程：Qn+1= J+ Qn 電路中驅(qū)動方程：K1=K2=K3=K3=1 J1=1234 J2=Q1 J3=Q2 J4= Q3 ３.３ 4位雙向移位寄存器74LS194 74LS194組成的信號右移電路： 圖3-7 利用555及電阻電容等元器件組成的2Hz秒沖發(fā)生器 當SW1接高電平時，74 HC194置數(shù)，D1燈亮；當SW1接地時，74 HC194在時鐘上升沿觸發(fā)，開始右移循環(huán)。

21、移位寄存器有存儲代碼，和移位的功能，即存儲的代碼能在移位脈沖的作用下，依次左移或右移。 74LS194具有并行輸入，并行輸出、左移和右移的功能。 74LS194移位寄存器外引線排列圖和功能表： 功能 輸入 輸出 CLR S1 S0 CP SR SL D0 D1 D2 D3 Q0n+1 Q1n+1 Q2n+1 Q3n+1 清除 0 0 0 0 0 保持 1 0 保持 1 0 0 置數(shù) 1 1 1 ↑ d0 d1 d2 d3 d

22、1 d2 d3 d4 右移 1 0 1 ↑ 1 1 Q0 Q1 Q2 0 0 Q0 Q1 Q2 左移 1 1 0 ↑ 1 Q1 Q2 Q3 1 0 Q1 Q2 Q3 0 Vcc Qa Qb Qc Qd CLK S1 S0 74LS194 CLR SR A B C D SL GND 與4是理圖i E1 E1 F1 F1 GND