霓虹灯控制器.doc

学 号：
0120911360327

课 程 设 计

题 目
霓虹灯控制电路设计
学 院
自动化学院
专 业
自动化专业
班 级
自动化0903
姓 名
何池田
指导教师
林伟 邓坚

2011
年
07
月
08
日

课程设计任务书

学生姓名： 何池田 专业班级： 自动化0903
指导教师： 林伟 邓坚 工作单位： 自动化学院
题 目: 霓虹灯控制电路设计
初始条件：
1． 运用所学的模拟电路和数字电路等知识；
2． 用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片等。
要求完成的主要任务:
1． 现有12只彩灯，红－绿－蓝－红－绿－蓝－红－绿－蓝―红－绿－蓝排成一条直线，试设计一控制电路，要求彩灯能实现如下追逐图案；
2． 红绿2种灯从前往后驱动点亮闪烁，每0．5秒往前进一步；
3． 蓝灯从后往前驱动点亮闪烁，每0．5秒进一步；
4． 霓虹灯控制工作状态按照上述2至3步自动重复循环，另外，还可以自行编制各种彩灯追逐图案。
5． 严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。
时间安排：
第1天 下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；
第2～4天 进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案；
第5天 提交电路图，经审查后领取元器件；
第6～8天 组装电路并调试，检查错误并提出问题；
第9～11天 结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；
第12～14天 补充完成课程设计报告和答辩。
指导教师签名： 2011年 6月26日
系主任（或责任教师）签名： 2011年 6月26日

目录
引言 1
1 设计意义及要求 2
1.1 设计意义 2
1.2 设计要求 2
2 方案设计 3
2.1 设计思路 3
2.2 方案设计 4
2.3 方案比较 6
3 部分电路设计 8
3.1 脉冲产生单元 8
3.2 核心控制单元 10
3.3输出电路及显示电路 14
4 检测是调试 15
4.1 调试中故障及解决办法 15
4.2 调试与运行结果 16
5 仿真操作步骤及使用说明 17
结束语 18
参考文献 19
附录 电路图 20

武汉理工大学《电工电子综合》课程设计说明书
引言
我们这一次的课题是《霓虹灯控制电路设计》，要求我们运用所学的数电及相关知识来实现各种图案的彩灯控制我们这一次的具体要求的是实现12只彩灯的点亮和闪烁，就目前的技术来说，实现这样的目的并不是很难、不仅仅是可以用数字电路，还可以用到微型计算机来实现这样的图案变化。总的来说，我们小组的实训课题在难度上并不是很高。
就我们小组的这次课题来说，方案可以说是还是有很多的，运用不同的芯片，都可以达到题目的要求。就基本的，我们几乎都运用到了移位寄存器，移位寄存器可以是实现二进制代码的循环往复，从而控制彩灯的颜色变化。
就目前的高端科技而言，我们的设计只是冰山一角，我们是用了自己已经学习的知识来解决问题的，对我们而言，这是非常有意义的。不可避免的我们的设计方案有需要改进的地方，也许我们没有发现，希望读者见谅！

1 设计意义及要求
1.1 设计意义
随着社会的发展进步，人们的生活不再只专注于衣食住行。如今的人也越来越注重对于美得追求，比如各种彩灯图案的控制就能够给人们带来没得享受。霓虹灯的图案在如今的夜晚是必不可少的，是随处可见的。各种各样的霓虹灯让我们感觉眼花缭乱。如今的夜市，各大娱乐场所，霓虹灯是无处不在。而运用不同的方法就可以实现不同的图案变化。所以我们这次的设计意义就在于能够带领大家进入一个色彩缤纷变化的世界。给人们视觉上的享受。同时我觉得更重要的是我们运用了自己所学的知识，将它结合到实际中，做出成品出来，这对于我们的学习是非常有帮助的。
1.2 设计要求
本次设计的课题是《霓虹灯控制电路设计》。具体的要求是有12只彩灯，红－绿－蓝－红－绿－蓝－红－绿－蓝―红－绿－蓝排成一条直线，要求彩灯能实现红绿2种灯从前往后驱动点亮闪烁，每0．5秒往前进一步；蓝灯从后往前驱动点亮闪烁，每0．5秒进一步； 霓虹灯控制工作状态按照上述自动重复循环。
本次设计所运用的仪器和设备包括：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片。要求尽量运用所学的数电知识来进行设计制作。也可以运用微型计算机进行设计创作。以尽量减少芯片的数量为依准，小组讨论出最优方案来实现电路的搭线连接。

2 方案设计
2.1 设计思路
⑴由题意我们可以知道，有12只彩灯，我们可以将它们分为4组，我们将其编号为a·b·c·d·e·f·g·h·i·j·k·l。其中abl为第①组，dei为第②组，fgh为第③组，jkc为第④组。同一组的三个等作为一个整体来处理。

图2.1 彩灯连接图
⑵因为要实现彩灯的逐个点亮，由题目意思，我们用1表示灯亮，0表示灯灭，并且需要循环往复，所以我们可以得到1010的循环代码。这样我们可以将1010的代码通过移位寄存器来控制彩灯的开关。
⑶要是先1010的循环代码，就要通过一定的设备来实现代码的产生。我们想到可以用一个4进制的计数器来实现4个选项的选择，之后可以用一个数据选择器，用产生逻辑函数的方法来进行1010的信号产生。
⑷产生1010信号的另外一种较为简单的方法是利用移位寄存器自身输出的特点，用特定的逻辑门来实现循环信号的产生。
⑸显示电路直接连接到12只彩灯上面就可以观察到彩灯的亮灭情况。题目所要求的彩灯图案就可以在我们眼前呈现。

数字信号产生
信号导入和存储
结果显示
系统框图：

图2.2 系统结构图
2.2 方案设计
1） 设计方案一（个人方案）电路图
图2.3 个人方案电路图
简单说明：如图2.3所示，用到的芯片有74ls90(10进制的计数器)，74HC151（8选1的数据选择器），74HCT164（8位的移位寄存器），555定时器。
工作原理：将计数器的Q3输出端接到其清零端，当Q3变为1的时候，清零端触发，实现清零，这样可以构成一个4进制的计数器，输出状态分别0000,0001,0010,0011。可以列出下列功能表：
表2.1 设计功能表
Q3Q2Q1Q0
Y
0000
1
0001
0
0010
1
0011
0
由表我们可以知道，利用逻辑函数的产生方法可以实现1010的信号。即将数据选择器的X0,X2端接高电平，而X1，X3~X7全部接低电平。地址控制端接计数器的Q0~Q3 。这样我们能够实现最小项m0，m2的输出，即Y=m0+m2.。所以Y的电位是1010，即高低高低电平的变化。
之后将这个1010的信号脉冲加入到移位寄存器的串行输入端，那么寄存器的并行输出端就能够输出1010……这样的连续电平信号。用之控制彩灯，就能够实现灯的逐个点亮和闪烁。
2） 设计方案二（小组方案）电路图

图2.4 小组方案电路图
简单说明：如图2.4所示，我们用到的是74LS194（双向移位寄存器），我们将右移控制端经过一个非门接到输出端得Q0，直接通过寄存器自身的变化来进行循环。
工作原理：将寄存器的清零端置高电平，其中一个置数端接低电平。当寄存器接入脉冲信号以后，开始工作，开始因为Q0是低电平通过非门之后向输入端输入一个1，之后输入端变成高阻态，但是输出的是0，之后又向输入端提供一个1，再之后又是高阻态，但是输出仍然是0,。此时寄存器的输出状态时1010，之后Q0的状态经过一个非门之后正常的输入到右移的串行输入端，即101010……这样的输入，那么输出就一直是1010和0101之间的变化，能够实现灯的点亮闪烁。
2.3 方案比较
首先，这两个方案的现实电路即12只彩灯的接法完全相同，都是将3只彩灯作为一个组来处理，这样我们就可以尽量导线的使用，最大化的简化电路。
其次，两种方案都用到了移位寄存器，移位寄存器的优点就是能够将一个有规律的信号传送到彩灯上面。
两种方案还有一个共同的特点，就是同时用到了555定时器构成的多谐振荡器，用以产生特定频率的脉冲信号。题目要求的是每0.5秒就进行一次变化，即变化周期是0.5秒，频率是2HZ，我们可以使用占空比可调的多谐振荡器来实现这个频率的信号。
两种方案最大的不同点就在于移位寄存器输入端的信号如何产生。方案一当中我们用到了计时器和数据选择器来实现一个联系的1010的信号。如前面分析，我们需要向寄存器不断的输入1和0信号，这样我们就可以利用计数器构成一个4进制的计数器，再进过一个数据选择器就可以实现逻辑函数的输出。对应的关系如前面的功能表所示。能够比较简洁的实现所要要求的信号。而方案二的思路就是利用移位寄存器自身的状态进过一定的变化来输入到寄存器的移位输入端。因为有了高阻态的存在，所以Q3的输出端经过一个非门之后能够有效的控制输入端得信号，使之呈现1和0的交替变化,这样输出的信号就能循环产生1010。
方案二较之方案一更加简单，便捷，能够简化电路，减少芯片的使用，能够 最大的优化电路。但是，我们从仿真结果上看的出来，方案二之所以能够成功，是因为高阻态的存在，这种随机性帮助电路实现了要求的功能，这多少有一些不够科学，而方案一的仿真结果可以看出，它是完全按照题目的要求不断在高低电平之间变化的。

3 部分电路设计
3.1 脉冲产生单元
脉冲产生部分电路：
图3.1 脉冲产生电路
D
VCC
555定时器的引脚图：

8 4
7
6
3
2
5
1

VI1

Vo

VI2

Vic

GND
图3.2 555定时器引脚图
功能表：
表3.1 555定时器功能表
输入

输出
阈值输入（VI1）
触发输入（VI2）
复位（D）
输出（Vo）
放电管T
x
x
0
0
导通
<
<
1
1
截止
>
>
1
0
导通
<
>
1
不变
不变
如图3.1所示，该部分电路是由555定时器构成的一个多谐振荡器，它能够产生连续的脉冲信号并且频率是可以调节的。
接通电源后，电容C没充电，当VC上升到时,使V0为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，VC下降。当VC下降到到时，V0翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为：
tPL=R2Cln 2≈0.7R2C
当放电结束后，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，VC由上升到所需的时间为：
tpH=（R1+R2）Cln 2≈0.7（R1+R2）C
当VC上升到时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如下图所示，其震荡频率为
=≈
这样，我们可以通过改变电容和电阻的数值就可以算出特定的频率。题目要求的是2赫兹，这样我们可以得到R1=10KΩ，R2=10KΩ，C=35.75。

3.2 核心控制单元
1） 信号产生部分
产生1010的核心电路图如下所示:

图3.3 信号产生部分电路图
由图3.3可知，本部分结构是由一块74LS90（10进制的计数器）和74HC151（数据选择器）构成。如图所示，我们将Q2端接到计数器的清零端，如此一来，当Q2变为1的时候，则给计数器的清零端一个信号，是之工作，即输出被清零，所以输出的状态转换图，如图3.4：
001
010
000
011

图3.4 状态转化图
将这4个状态对应到1010的循环信号，利用数据选择器，将书出Y看成是由若干最小项构成的逻辑函数，则Y=X0+X2,这样利用数据选择器就实现了循环信号的产生。
1
2
3
4
5
14
9
8
6
13
11
10
12
74LS90的引脚图：

CLK1 Q0 Q3 GND Q1 Q2

74LS90

CLK2 R01 R02 VCC R91 R92 CEP

7

图3.5 74LS90引脚图
功能表：
表3.2 74LS90功能表
输入
输出
R01
R02
R91
R92
Q0
Q1
Q2
Q3
1
1
0
x
0
0
0
0
1
1
x
0
0
0
0
0
x
x
1
1
1
0
0
1
x
0
x
x

计数状态
0
x
0
x
0
x
x
0
x
0
0
x

74HC151的引脚图： 功能表：
表3.3 74HC151功能表
7
1
2
3
4
5
8
16
11
10
6
15
13
12
14
9
输入
输出
VCC X4 X5 X6 X7 A B C

74HC151
X3 X2 X1 X0 Y E GND
使能
选择

Y
S2
S1
S0
H
X
X
X
L
L
L
L
L
D0
L
L
L
H
D1
L
L
H
L
D2
图3.6 74HC151引脚图
L
L
H
H
D3
L
H
L
L
D4
L
H
L
H
D5
L
H
H
L
D6
L
H
H
H
D7
2） 信号载入部分

图3.7 信号载入部分电路图

将1010的循环信号载入到彩灯上面的部分电路如图3.7所示：
如图3.7所示，我们用到的是一个往右移的移位寄存器，我们将清零端接高电平，第二个输入端接高电平，第一个输入端接上部分电路的输出即1010循环信号。这样，移位寄存器的输出就一次是1,10,101,1010。当输出变成1010的时候就会一直重复。因为74LS164是8位输出的移位寄存器，但是我们只需要利用低位的4个输出端，这样可行的原因的是因为产生的输出信号是1010的不断重复，所以高位的4位完全可以忽略。

74HCT164的引脚图：
7
1
2
3
4
5
14
9
8
6
13
11
10
12

VCC Q7 Q6 Q5 Q4 R CP

74HCT164

DSA DSB Q0 Q1 Q2 Q3 GND

图3.8 74HCT164引脚图

功能表： 表3.4 74HCT164功能表
工作模式
输入
输出
/M/R
CP
DSA
DSB
Q0
Q1至Q7
复位
K
L
X
X
L
L至L

移位
H

L
L
L
Q0 至Q6
H

L
H
L
Q0 至Q6
H

H
L
L
Q0 至Q6
H

H
H
H
Q0 至Q6

3.3输出电路及显示电路

图3.9 输出显示电路

本电路的输出及显示电路比较简单，可以直接将输出信号连接到12只彩灯上面，但是要注意的是根据题目的要求将12只彩灯分为4组，这在前面也已经论述过了。Q0接的是第一组的3只灯，Q1接的是第二组的3只灯，Q2接的是第三组的3只灯，Q3接的是第四组的3只灯。

4 检测是调试
4.1 调试中故障及解决办法
就方案一在仿真调试中出现了以下的几个问题：
①电路接好以后，开始仿真以后，彩灯能够点亮，但是无法出题目所要求的图形闪烁。只能够在个别彩灯上面出现偶尔的闪烁。
经过一系列的检测以后，我们发现这是因为我们没有将74LS164的2号接口接相应的电平。74LS164的输入DSI=DSA+DSB。所以如果其中一个输入端没有接高电平，则输入是无法正常的进入到寄存器里面去的。
解决方法：将2号端口即DSB接到高电平，这样输入端口就被打开，信号能够正常的输入。
②彩灯能够闪烁，但是十分不稳定，经常发生跳动，无法正常的进行变化。
进过测试，我们发现这是因为频率发生器的原因，导致了频率的不正常，致使彩灯的无规律的中进行闪烁。在进一步的检查，是因为我们电容的使用有问题。其中一个电容我们使用了极性电解电容，另外一个因为设备无法找到合适的电容，不能按照我们的要求提供特定数值的电容。
解决方法：将极性电容换成普通的陶瓷电容，因为极性电容的漏电比较严重。另外一个电容尽量使用设计参数的电容，如果没有，则尽量使用附近数值的电容。

4.2 调试与运行结果
进过调试运行之后，我们能够比较完整的得到题目的要求。实现彩灯的点亮闪烁循环。部分的运行结果如下图所示：
110000000001 000110001000

001110001110 000110001000

图4.1 运行结果
注：其中1表示灯亮，0表示灯灭。
当12只彩灯的亮灭情况到达00111000110之后，就会在两个状态之间不断循环，使12只彩灯闪烁，显现出特定的图案。

5 仿真操作步骤及使用说明
⑴各部件说明：彩灯1~12为显示电路，实现结果将在12只彩灯上面呈现。其他元件为各自功能的部件。
⑵操作说明：将电路图连接好了以后，检查各部分电路没有，按下仿真的开关，电路仿真就开始，自动产生题目所需的图案。
状态转化图如下所示：
初态
次态
000000000000
110000000001
110000000001
000110001000
000110001000
000110001000
000110001000
001110001110
001110001110
000110001000
图5.1 整体状态转化图

结束语
这两个星期以来，我们一直在做电工电子课程设计。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关信号移位传输方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
而且我们也更加懂得了团队的重要性，有很多问题我们自己是不能解决的，但是经过团队的讨论商量时候，问题就会迎刃而解。同时，团队能够最大化的简化我们的设计电路。团队在一个项目的制作中是不可缺少的。
参考文献
[1] 康华光.电子技术基础-数字部分（第五版），高等教育出版，2006.1
[2] 郭少勇.实验电子技术,石油出版社
[3] 王兰君.新编电工使用电路500例,河南科学技术出版社
[4] 王源.使用电路基础,机械工业出版社 
[5] 钟谊.电子线路实战,科学出版社  
[6] 何绪芃，曾发柞.脉冲与数字电路 .成都：电子科技大学出版社，2001.1
[7] 祁存荣，陈伟.电子技术基础实验（数字部分） 武汉理工大学教材中心
[8] 邓勇.数字电路设计完全手册.北京： 国防工业出版社。
[9] 梁宗善.新型集成电路的应用-电子技术基础课程设计，华中理工大学出版社，2007.12
[10] 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2000
[11] 苏玉刚，陈渝光.电力电子技术.重庆:重庆大学出版社,2003.4

附录 电路图：

20

本科生课程设计成绩评定表
姓 名
何池田
性 别
男
专业、班级
自动化0903
课程设计题目：霓虹灯控制电路设计
课程设计答辩或质疑记录：⑴74LS194的功能是什么？

⑵如何用与非门构成非门？

成绩评定依据：

设计方案
与内容
（30分）
制作与调试

（20分）
说明书内容与规范程度
（30分）
答 辩

（10分）
学习态度
与考勤
（10分）
总 分

（100分）

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：
2011年 7月 12日