《電工電子綜合》課程設(shè)計(jì)說明書霓虹燈控制電路設(shè)計(jì)

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1、武漢理工大學(xué)《電工電子綜合》課程設(shè)計(jì)說明書 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 霓虹燈控制電路設(shè)計(jì) 初始條件： 1． 運(yùn)用所學(xué)的模

2、擬電路和數(shù)字電路等知識(shí)； 2． 用到的元件：實(shí)驗(yàn)板、電源、連接導(dǎo)線、74系列芯片、555芯片等。 要求完成的主要任務(wù): 1． 現(xiàn)有12只彩燈，紅－綠－藍(lán)－紅－綠－藍(lán)－紅－綠－藍(lán)―紅－綠－藍(lán)排成一條直線，試設(shè)計(jì)一控制電路，要求彩燈能實(shí)現(xiàn)如下追逐圖案； 2． 紅綠2種燈從前往后驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮閃爍，每0．5秒往前進(jìn)一步； 3． 藍(lán)燈從后往前驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮閃爍，每0．5秒進(jìn)一步； 4． 霓虹燈控制工作狀態(tài)按照上述2至3步自動(dòng)重復(fù)循環(huán)，另外，還可以自行編制各種彩燈追逐圖案。 5． 嚴(yán)格按照課程設(shè)計(jì)說明書要求撰寫課程設(shè)計(jì)說明書。 時(shí)間安排： 第1天 下達(dá)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書，根據(jù)任務(wù)書查找資料

3、； 第2～4天 進(jìn)行方案論證，軟件模擬仿真并確定設(shè)計(jì)方案； 第5天 提交電路圖，經(jīng)審查后領(lǐng)取元器件； 第6～8天 組裝電路并調(diào)試，檢查錯(cuò)誤并提出問題； 第9～11天 結(jié)果分析整理，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，驗(yàn)收調(diào)試結(jié)果； 第12～14天 補(bǔ)充完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告和答辯。 指導(dǎo)教師簽名： 2010年 6月26日 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2010年 6月26日 目錄 引言………………………………………………………………………1 1設(shè)計(jì)意義及要求……………………………………………………….2

4、 1.1 設(shè)計(jì)意義..………………………………………………………...2 1.2 設(shè)計(jì)要求…………………………………..……………………...2 1.3 初始條件…………………………………..……………………...2 2方案設(shè)計(jì)..………………………………………………………………3 2.1 設(shè)計(jì)思路..……………..………………………………………….3 2.2 設(shè)計(jì)方案...…………………………..……………………………5 2.3 方案比較…………………………………………..…….………..6 3部分電路設(shè)計(jì)………………………………………………………….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(huì)與總結(jié)……………………………………………………………13 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………..15 附錄 本科生課程設(shè)計(jì)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(dāng)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(dòng)感場景，這對增強(qiáng)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(huì)上常用Visual Basic編程語言來編寫相應(yīng)的程序以控制霓虹燈的花樣）。而聯(lián)系實(shí)際和運(yùn)用所學(xué)的數(shù)字或模擬電子技術(shù)知識(shí)，學(xué)生可設(shè)計(jì)出各種霓虹燈控制電路。 此次課程設(shè)計(jì)作為實(shí)踐教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，可達(dá)到提高學(xué)

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

8、制電路有非常重大的實(shí)際意義。經(jīng)本學(xué)期及上學(xué)期對模擬、數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)，學(xué)校安排了這次的電工電子實(shí)習(xí)，目的在與讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，對各基本器件的運(yùn)用更加熟練，也更好的鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)思維和動(dòng)手設(shè)計(jì)能力。 同學(xué)通過此次的設(shè)計(jì)多個(gè)方案的設(shè)計(jì)，可以將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)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(shí)，可以對設(shè)計(jì)的彩燈花樣更具有創(chuàng)新意識(shí)。 1.2設(shè)計(jì)要求 1)現(xiàn)有12只彩燈，紅－綠－藍(lán)－紅－綠－藍(lán)－紅－綠－藍(lán)―紅－綠－藍(lán)排成一條直線，試設(shè)計(jì)一控制電路，要求彩燈能實(shí)現(xiàn)如下追逐圖案； 2)紅綠2種燈從前往后驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮閃爍，每0．5秒往前進(jìn)一步； 3)藍(lán)

9、燈從后往前驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮閃爍，每0．5秒進(jìn)一步； 4)霓虹燈控制工作狀態(tài)按照上述2至3步自動(dòng)重復(fù)循環(huán)，另外，還可以自行編制各種彩燈追逐圖案。 5)嚴(yán)格按照課程設(shè)計(jì)說明書要求撰寫課程設(shè)計(jì)說明書。 1.3初始條件 1)運(yùn)用所學(xué)的模擬電路和數(shù)字電路等相關(guān)知識(shí)； 2)電路中所用到的元件：實(shí)驗(yàn)面包板、電源、連接導(dǎo)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(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)思路 <方案一>利用555定時(shí)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(gè)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(fù)信號而閃爍。 第i(i=1、2、3、4)位是由第i個(gè)JK觸發(fā)器輸出的QN+1 ，將四位信號轉(zhuǎn)化成10進(jìn)制數(shù)，則實(shí)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(yīng)第i個(gè)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(dòng)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(lán)） QN(4) 555定時(shí)器構(gòu)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(shí)現(xiàn)的原理方框圖 <方案二>555定時(shí)器提供0.5秒的信號脈沖，由2片74 HC194實(shí)現(xiàn)信號的循環(huán)，2片74 HC194均用作右循環(huán)。74LS194的四個(gè)輸入端D3、D2、D1、D0分別接0、0、0、1信號。 74LS194的(1)(2)的四個(gè)輸出端：Q0接紅、綠2種不同顏色的燈組的第一個(gè)燈，Q1接第二個(gè)燈，Q2接第三個(gè)燈，Q3接第四個(gè)燈。同時(shí)，74LS194(1)的輸出端還順序反著接藍(lán)色燈組。 555定時(shí)器產(chǎn)生的連續(xù)脈沖信號供給2個(gè)74LS194，構(gòu)

13、成同步時(shí)序邏輯電路。這樣2個(gè)74 HC194芯片置數(shù)后第一個(gè)紅燈和第一個(gè)綠燈還有第四個(gè)藍(lán)燈亮，其它的燈暗。 同時(shí)，555構(gòu)成的多諧振蕩器輸出的方波信號每到一個(gè)上升沿，2個(gè)74 HC194芯片就觸發(fā)一次，這樣2個(gè)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(yīng)的變化。紅綠燈由第一組亮變成第二組亮，藍(lán)燈由第四個(gè)亮變成第三個(gè)亮，這樣就實(shí)現(xiàn)了霓虹燈的流程變化。每到NE555構(gòu)成的多謝振蕩器輸出的方波信號到達(dá)一個(gè)上升沿，霓虹燈就變化一次。 由以上構(gòu)思可以設(shè)計(jì)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(lán)） 555定

14、時(shí)器構(gòu)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(shí)現(xiàn)的原理方框圖 與高低電平開關(guān)與非 反饋支路 零清 零清 74LS194 (1) 74LS194 (2) 停暫路 2.2設(shè)計(jì)方案 在此霓虹燈控制電路中，共有2套方案。 兩套方案的設(shè)計(jì)出來的結(jié)果基本一樣，都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)原理不同。 <方案一>原理圖： 圖2-3 利用JK觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的電路圖 由555定時(shí)器產(chǎn)生連續(xù)方波脈沖,再通過4個(gè)JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，

15、利用輸出實(shí)現(xiàn)信號的循環(huán)移位，同時(shí)輸出的相應(yīng)信號分別加到對應(yīng)的彩燈上，彩燈循環(huán)流動(dòng)。紅燈的第一個(gè)與藍(lán)燈最后一個(gè)連接，依次類推，也可分開做三個(gè)分電路實(shí)現(xiàn)。 <方案二>原理圖： 圖2-4 利用移位寄存器實(shí)現(xiàn)的電路圖 由555定時(shí)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(shí)現(xiàn)信號的循環(huán)移位，同時(shí)輸出的相應(yīng)信號分別加到對應(yīng)的彩燈上。另外有與非門，當(dāng)各燈都為0時(shí)，電路置數(shù)，再移位，彩燈循環(huán)流動(dòng)。 拓展：EN555的3號管腳（輸出信號）可以和一個(gè)高低可變電平連入與非門，與非門的輸出端作為三個(gè)74 HC1

16、94芯片的時(shí)鐘信號。這樣當(dāng)可變電平處于高電平時(shí)，電路正常循環(huán)流動(dòng)；可變電平處于低電平時(shí)，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(yīng)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(shè)計(jì) 3.１脈沖輸出電路 下圖是由555定時(shí)器構(gòu)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(shí)器構(gòu)成的秒脈沖發(fā)生器 圖3-2 555定時(shí)器引腳圖 555定時(shí)器功能表： 表3-3 555定時(shí)器功能表 輸入 輸出 閾值輸入（V11） 觸發(fā)值（V12） 復(fù)位（RD） 輸出（VO） 放電管T 0 0 導(dǎo)通 <(2/3)VCC <(1/3)VCC 1 1 截止 >(2/3)VCC >(1/3)VCC 1 0 導(dǎo)通 <(2/3)VCC >(1/3)VCC 1 不變 不變 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器接通電源后，電容C1被充電，當(dāng)VC上升到2/3VCC時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)發(fā)電BJT T導(dǎo)通，

18、此時(shí)VO為低電壓，電容C1通過R2和T放電，使VC下降。當(dāng)VC下降到（1/3）VCC時(shí)，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(shí)間為： tPL=R2C1ln2 【可近似看成tPL=0.7R2C1】 當(dāng)C1放電結(jié)束時(shí)，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(shí)間為： tPH=(R1+R2)C1ln2 【可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C1】 而當(dāng)VC上升到（2/3）VCC時(shí)，觸發(fā)器又周而復(fù)始，輸出一個(gè)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(dòng)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(dāng)SW1接高電平時(shí)，74 HC194置數(shù)，D1燈亮；當(dāng)SW1接地時(shí)，74 HC194在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)，開始右移循環(huán)。

21、移位寄存器有存儲(chǔ)代碼，和移位的功能，即存儲(chǔ)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