天津机电职业技术学院
课程设计
题目：霓虹灯控制电路设计
课程设计任务书
学生姓名： ## 专业班级： 自动化0801
指导教师： ## 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： 20##年 6月26日
系主任（或责任教师）签名： 20##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
1.3 初始条件…………………………………..……………………...2
2方案设计..………………………………………………………………3
2.1 设计思路..……………..………………………………………….3
2.2 设计方案...…………………………..……………………………5
2.3 方案比较…………………………………………..…….………..6
3部分电路设计………………………………………………………….7
3.1 脉冲输出电路…………………………………………………….7
3.2 JK触发器………………………………………………………….8
3.3 4位双向移位寄存器74LS194电路……………………………..9
3.4 逻辑门电路74LS08与74LS04………………..………………..11
4调试与检测……………………………………………………………12
5体会与总结……………………………………………………………13
参考文献………………………………………………………………..15
附录
本科生课程设计成绩评定表…………………………………………..16
引言
在日常生活中，霓虹灯已经遍布所有城市和很多乡镇的大街，每当夜幕降临，华灯初上，五颜六色的霓虹灯就把城市装扮的特别美丽。
如今，撩人眼球、光彩耀目的霓虹灯已成为城市繁华程度的度量，也是商业建筑的一大广告、招牌。
把一定数量的受控彩灯经过组合，可营造出多彩、流水般的动感场景，这对增强节日喜庆气氛、美化日常生活环境具有良好的效果。
霓虹灯电路可由数字逻辑电路或者编程控制（目前社会上常用Visual Basic编程语言来编写相应的程序以控制霓虹灯的花样）。而联系实际和运用所学的数字或模拟电子技术知识，学生可设计出各种霓虹灯控制电路。
此次课程设计作为实践教学的一个重要环节，可达到提高学生的创新能力的作用。通过课程设计，学生不仅能加深对课本知识的理解，还能锻炼自己的动手能力和提高解决问题的能力。
我小组将通过用555定时器构成的0.5秒脉冲发生器，及移位寄存器74LS194与逻辑门74LS04、74LS08、JK触发器级联、计数器与译码器等多个元器件，经计数、译码等多种方案来实现霓虹灯电路的控制。
以下将具体为有关JK触发器级联、移位寄存器74LS194与逻辑门74LS04、74LS08实现电路的两种方案。
1 设计意义及要求
1.1设计意义
霓虹灯在生活中的发展和应用非常迅速，而彩灯的种类繁多，变化多样，因此设计彩灯控制电路有非常重大的实际意义。经本学期及上学期对模拟、数字电子技术的学习，学校安排了这次的电工电子实习，目的在与让学生综合运用所学的知识，对各基本器件的运用更加熟练，也更好的锻炼学生的设计思维和动手设计能力。
同学通过此次的设计多个方案的设计，可以将所学知识转化为实物，得到更多种类、更多花样的彩灯控制电路，在收获成就感和满足感的同时，可以对设计的彩灯花样更具有创新意识。
1.2设计要求
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。
1.3初始条件
1)运用所学的模拟电路和数字电路等相关知识；
2)电路中所用到的元件：实验面包板、电源、连接导线、电阻、电容、发光二极管、74系列芯片(包括移位寄存器74LS194、非门74LS20等)、JK触发器、555芯片等。
2 方案设计
2.1设计思路
＜方案一＞利用555定时器产生连续0.5秒的脉冲信号，该信号提供给JK触发器，由4个JK触发器级联组成的电路可以使每组颜色相同的彩灯接收从0000、1000、0100、0010、0001、0000、1000……的往返重复信号而闪烁。
第i(i=1、2、3、4)位是由第i个JK触发器输出的QN+1 ，将四位信号转化成10进制数，则实现的是由0→8→4→2→1→0→8→……的循环，列出状态转换表，从而得到相应第i个JK触发器的次态方程，根据状态方程、输出方程，再求解出逻辑方程的驱动方程。
例如JK触发器(1)的功能转换图：
＜方案二＞555定时器提供0.5秒的信号脉冲，由2片74 HC194实现信号的循环，2片74 HC194均用作右循环。74LS194的四个输入端D3、D2、D1、D0分别接0、0、0、1信号。
74LS194的(1)(2)的四个输出端：Q0接红、绿2种不同颜色的灯组的第一个灯，Q1接第二个灯，Q2接第三个灯，Q3接第四个灯。同时，74LS194(1)的输出端还顺序反着接蓝色灯组。
555定时器产生的连续脉冲信号供给2个74LS194，构成同步时序逻辑电路。这样2个74 HC194芯片置数后第一个红灯和第一个绿灯还有第四个蓝灯亮，其它的灯暗。
同时，555构成的多谐振荡器输出的方波信号每到一个上升沿，2个74 HC194芯片就触发一次，这样2个74 HC194芯片的信号右移一次，由0、0、0、1变成0、0、1、0。
十二盏灯也相应的变化。红绿灯由第一组亮变成第二组亮，蓝灯由第四个亮变成第三个亮，这样就实现了霓虹灯的流程变化。每到NE555构成的多谢振荡器输出的方波信号到达一个上升沿，霓虹灯就变化一次。
由以上构思可以设计此霓虹灯流程电路。
2.2设计方案
在此霓虹灯控制电路中，共有2套方案。
两套方案的设计出来的结果基本一样，都能达到设计要求。但是设计思路和设计原理不同。
＜方案一＞原理图：
由555定时器产生连续方波脉冲,再通过4个JK触发器的状态转换，利用输出实现信号的循环移位，同时输出的相应信号分别加到对应的彩灯上，彩灯循环流动。红灯的第一个与蓝灯最后一个连接，依次类推，也可分开做三个分电路实现。
＜方案二＞原理图：
由555定时器产生连续方波脉冲,再通过2片74LS194芯片的移位寄存功能，实现信号的循环移位，同时输出的相应信号分别加到对应的彩灯上。另外有与非门，当各灯都为0时，电路置数，再移位，彩灯循环流动。
拓展：EN555的3号管脚（输出信号）可以和一个高低可变电平连入与非门，与非门的输出端作为三个74 HC194芯片的时钟信号。这样当可变电平处于高电平时，电路正常循环流动；可变电平处于低电平时，电路暂停。
2.３方案比较
相比较，方案二所用芯片数量少，成本低，单位电路考虑的应用原理较简单，单一，方便检测与调试处理问题。
3 部分电路设计
3.１脉冲输出电路
下图是由555定时器构成的0.5秒脉冲发生器，它可以产生2Hz的矩形方波
555定时器功能表： 表3-3 555定时器功能表
555定时器构成的多谐振荡器接通电源后，电容C1被充电，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，同时发电BJT T导通，此时VO为低电压，电容C1通过R2和T放电，使VC下降。当VC下降到（1/3）VCC时，触发器又被置位，VO翻转为高电平。电容器C1放电所需的时间为：
tPL=R2C1ln2 【可近似看成tPL=0.7R2C1】
当C1放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C1充电，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的时间为：
tPH=(R1+R2)C1ln2 【可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C1】
而当VC上升到（2/3）VCC时，触发器又周而复始，输出一个周期性的频率为f=1/( tPL +tPH) 【近似看成f=1.43/[(R1+2R2)C1】的方波。
3.２JK触发器
图3-4 JK触发器级联电路图
1）内部电路原理及符号：
2）JK触发器功能表：
表3-6 JK触发器功能表
3）特性方程：Qn+1= J
+
Qn
电路中驱动方程：K1=K2=K3=K3=1
J1=Q(——)1Q(——)2Q(——)3Q(——)4 J2=Q1 J3=Q2 J4= Q3
３.３ 4位双向移位寄存器74LS194
74LS194组成的信号右移电路：
当SW1接高电平时，74 HC194置数，D1灯亮；当SW1接地时，74 HC194在时钟上升沿触发，开始右移循环。
移位寄存器有存储代码，和移位的功能，即存储的代码能在移位脉冲的作用下，依次左移或右移。
74LS194具有并行输入，并行输出、左移和右移的功能。
表3-9 移位寄存器74LS194的功能表
3.4逻辑门电路74LS08与74LS04
当输出由0000经1000、0100、0010、0001后回到0000循环，是由四输入或非门实现的S1=S0=1(置数)，即S1=A(___)+(___)B(___)+(___)C(___)+(___)D(___)，由于常见逻辑门的选用，则改成了S1=(A(___)B(___)) (C(___)D(___))，由非门74LS04与2输入与门74LS08联合组成。
3）74LS08表达式：Y=AB 6)74LS04表达式：Y=A(___)
4 调试与检测
通过Proteus仿真软件进行仿真，发现设计方案中发现的一些问题：
（1） 最先开始由于D触发器的状态方程：QN+1=D，比较简单，所以开始的时候是选用4个D触发器级联的，可是在Proteus的仿真过程中，R、S两端的连接高电平时，电路连接后，仿真时彩灯的花样并不是设计要求的那样。最后换4个JK触发器级联重新接线，彩灯的花样能够正常显示。
（2） 由于LED的红、绿、蓝三种颜色的彩灯正向电压降不同、电流不同，致使如果想只用一组单电路（红色第i个与绿色第i个、蓝色第4-i个相并连）实现的话，需要在各支路上串联相应阻值的电阻，因为如果用一组的话，会使得绿色LED不亮，红色的正常发光，蓝色的略微有些暗。所以出于实现实践要求和节省芯片的元件的目的，所以设计的电路都是红色与蓝色相并连在一组电路支路，而绿色单独设一组电路支路实现。
（3） 555定时器为达成输出是2Hz的0.5秒矩形脉冲方波，它的原理知f=1.43/[(R1+2R2)C1，所以满足该方程式的R1、R2、C1的阻值有很多的组合。而在实际搭连电路中由于考虑的实际中常用的元件与成本等等，所以实际搭连电路中选用的是C1=100uf，R1=5.1K，R2=1K。
（4） 通过Proteus仿真软件进行仿真，发现方案二的彩灯需要循环的条件是与逻辑门连接，可以通过彩灯亮与不亮的情况，找出所需要的逻辑门是哪一种，从而实现彩灯的追逐花样。
（5） 在Proteus仿真软件中，有很多的相似的元件在库里，在型号名字上也有相似的地方，例如译码器74LS138与74ALS138，而在设计电路插入有的类似的元件时，最后可能不能经仿真处理，因为有的元件是可以从库里调出来的，但是它不能用于仿真，所以在出现相应的错误信息时，应调整相应所需的元件。
（6） 原实验原理图是选用的4输入或非门，但是由于实际元件是将等式拆分为非与式。用的是74LS04与74LS08。
5体会和总结
在为期两个星期的电工电子综合课程设计，从选课题到组队，再到查资料，学软件做仿真，搭连电路，做检测、调试并修改，从中收获了很多，不光是理论的知识的强化，还有实践动手的锻炼，以及对这种以前没有尝试过的课程设计的流程的熟悉。
在知识方面，不仅回顾了这个学期学过的数字电路基础里的理论知识，也对相关的知识做了补充与深入，例如我们小组所选的课题——霓虹灯控制电路设计，我们小组就它采用了5种不同的方法实现，不光是元件上，在原理上也熟悉运用了。
此外，设计还要求对Proteus仿真软件的学习。于是我们由开始的一窍不通到现在的有所了解，其实在Proteus之前，我们已经学习过了protell99与电气CAD，以及数电理论与实验时所用的EWB，它们在一定的程度上有相似之处。通过这段时间的接触，发觉Proteus软件还是比较好用的。
这次的课程设计，让我对数字电路这一科有了更深入更详细的了解。发现，只有理论上的学习是远远不够的，它需要更多的搭建实物或是软件仿真，因为往往理论运用在实际中的实现是存在很多的问题及误差的。
在连接实物图时，先以为只要我们按照经仿真过的设计原理图一次性的把线和芯片以及其它元器件连接好，就可以实现课程设计的设计要求。但事实上是，实物中需要考虑的因素很多：连接前导线、芯片是否能够正常工作；面包板上错综的导线的布局影响着后期的检查的难易；面包板有些插口的好坏；导线与插孔的接触是否良好等等，这些都可能造成电路目的：不论是彩灯的亮不亮还是它们的顺序循环，都无法实现，这与我们的数电设计实验类似，接线的复杂等原因，使得我们在检测和调试方面有着更多的工作，所以考察也锻炼了我们的耐心和故障排查能力。
除了理论上的学习，即使是在设计好，实物搭建好后的课设计报告的撰写上，也得到了相关的收获。写了较长时间的电子版报告，对word文档的编辑、排版等等方面的运用，更加熟练了。可以处理很多以前自己在这方面不知道的，符号的相关标识，包括加上划线及特殊符号；插页；边框与底纹；特别是表格的绘制，因为报告中涉及很多元件的真值表等。
总之，这次课程设计中巩固了在课本上学的理论知识，更是学到了做一个设计的流程，在这个过程中需要去图书馆、上网查找相关的数据资料，筛选实现功能的元器件，另外还要查找这些芯片，例如以上两个方案中的74LS194、74LS20、555等芯片的引脚图，功能表等，因为这样才能正确的连接从而保证仿真的正确，实物搭建的成功。这也就通过很过细节表现了在做实验设计时的心态一定要是无论实验的难易都细心，同时还要有耐心的。
另外，还很重要的是团队合作。这个课程设计不是一个人的任务，而是整个团队共同智慧的结晶。一起工作的经历让我体会到团队合作的可贵，我们在一起相互帮助，分工协作，在学习的同时，更加深了我们之间的感情。团队需要个人，个人也离不开团队，我们必须发扬团队合作的精神，使整个设计过程能顺利进行。
参考文献
[1] 伍时和主编，《数字电子技术基础》，清华大学出版社，2009
[2] 祁存荣，《电子技术基础实验（数字电子技术部分）》，武汉理工大学教材中心，2008,2
[3] 陈振宫主编，《美化生活 电路制作速成》，国防工业出版社，2006
[4] 孙余凯主编，《数字集成电路实用技术》，电子工业出版社，2010
本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
20##年 7月 12日