华侨大学厦门工学院
数字电子技术 课程设计报告
题 目： 多功能流水灯设计
专业、班级： 10级电子技术4班
学生姓名： **
学 号： 1002204014
指导教师： 刘玉玲
分 数 :
2012年 12 月 18 日
摘要
近年来，由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。在设计中则更多地使用中规模的集成电路，这样不仅可以减少电路组件的数目，使电路简洁，而且能提高电路的可靠性，降低成本。因此，用集成电路来实现更多更复杂的器件成为必然。
在现代生活中，自动化智能控制的电子给人们的生活增添了色彩也带来了方便和舒适。比如五颜六色的广告流水灯每到晚上把许多娱乐场所、理发店、宾馆、饭店、公司的门外点缀得格外迷人。为了使造价低廉、清洁无污染的LED灯在电子产品装饰、显示屏电子广告、数码与字符显示、节能灯等领域得到广泛的应用，采用LED灯来作装饰已成为一种时尚。采用数字集成电路的控制方法结合十进制计数器、译码电路设计了该控制系统。该系统由电源、时钟电路和译码显示电路3部分组成。
关键词：集成电路流水灯LED灯
目录
摘要 ---------------------------------------------------------------------------------------------------2
1. 绪论------------------------------------------------------------------------------------4
1.1 流水灯控制系统的研究意义-----------------------------------------------4
1.2 流水灯设计任务书-----------------------------------------------------------4
2.设计方案选取与论证------------------------------------------5
3.各单元电路设计----------------------------------------------8
3.1 555脉冲产生电路---------------------------------------8
3.2 双四位移位寄存器----------------------------------------9
4.设计电路------------------------------------------------------------------------------11
4.1 时钟脉冲产生电路---------------------------------------11
4.2 流水灯驱动显示电路-------------------------------------11
4.3 流水灯控制电路-----------------------------------------11
4.4总体电路------------------------------------------------12
5.安装与调试过程---------------------------------------------------------------------12
5.1 彩灯控制器安装-----------------------------------------12
5.2调试工具------------------------------------------------------------------------12
5.3 彩灯控制器的调试---------------------------------------12
6.结论--------------------------------------------------------12
6.1故障分析------------------------------------------------12
6.2心得体会------------------------------------------------13
7.参考文献-------------------------------------------13
8.附录-------------------------------------------------------------------------------------14
1.绪论
1.1流水灯的研究意义
利用控制电路可使彩灯按一定的规律不断的改变状态，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电。随着人们生活水平的较大提高，人们对于物质生活的追求也不断提高，不仅是对各种各样的生活电器的需要，也开始在环境方面有更高的要求。多功能流水灯的应用已经遍及卡拉ok包房、歌舞厅等场所，这些不仅说明我们对生活要求有了质飞跃，也说明科学技术在现实运用中有了较大的发展。在这次设计中，我们将涉及流水灯控制器的设计，从原理上使我们对这个有深入的了解，将理论与现实结合。
1.2 流水灯循环控制设计任务书
任务目的：设计一个彩灯流水控制电路，其主要部分实现定时功能，即在预定的时间到来时，如何产生一个控制信号控制彩灯的流向、间歇等，可通过利用中规模集成电路中可逆计数器和译码器来实现正、逆流水功能，利用组合电路实现自控、手控、流向控制等功能。
设计要求：
1）基本要求：
a. 用 8 个发光二极管作为彩灯显示，设计一个彩灯控制电路，能使彩灯的流向可以变化。具有彩灯亮点的右移、左移、全亮及全灭等功能。灯流动的方向可以手控也可以自控，自控往返变换时间为5秒。
b. 彩灯可以间歇流动，10秒间歇1次，间歇时间1秒。
2）发挥部分：
a. 彩灯流速可以改变。
b. 设计显示图案循环的控制电路。
2.设计方案选取与论证
图1 流水灯设计原理图（方案一）
方案一：如图1所示，本方案主要利用74ls194的双向移位功能和置数功能寄存器，彩灯采用共阳极接法，触发信号采用555定时器，3脚产生1HZ的矩形波信号，通过74ls161计数器和74ls194控制其自动左移右移全亮等功能，开关控制清零来满足设计要求。
图2流水灯设计原理图（方案二）
方案二：如图2所示，触发信号和方案一都是用555定时器来设计。在灯的旁边加上8个开关，8个开关同时合上可以使其全亮。当8个开关都断开且与E1相连的开关闭合则译码器的输出全为高电平，8个灯全部熄灭。本方案主要利用74LS192的可加减计数功能和74LS138译码器的特点来完成左移和右移等功能。当74LS192进行加数时，彩灯进行右移，计数器记到8时，通过反馈法清零，使计数器恢复到0000状态，这样就完成彩灯的右移循环功能了。当74LS192进行减数计数时，彩灯进行左移，计数器记到9时，通过反馈置数法，使计数器的状态恢复到0111状态，这样就完成了彩灯的左移循环功能了。
图3流水灯设计原理图（方案三）
方案三：如图3所示，触发信号和方案1、方案2都是用555定时器来设计，彩灯采用共阳极接法，本方案主要利用74ls194的双向移位功能和置数功能寄存器和开关一起控制来实现左移、右移、全亮、全灭等动能。当开关SW4和SW1一起闭合时实现左移;当开关SW4和SW2一起闭合时实现右移功能，当开关SW4和SW3一起闭合实现全亮（SW2、SW1可以闭合也可以不闭合）；当开关SW4断开实现全灭。
方案三和方案一、方案二相比，显然方案三的电路简单，所用元器件更少，所以综合考虑选用方案三来设计。
整体框图
3.各单元电路设计
3.1、 555脉冲产生电路
NE555内部比较器的灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活。而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和外界温度的干扰较小。由555定时器构成的多谐振荡器频率稳定，不易受干扰，所以选用555定时器构成脉冲信号产生电路。其原理图如下所示：
图3.1由555定时器构成的多谐振荡器
555定时器内部结构
工作原理：在未接通电源时，用于多谐振荡器处于没有工作电源，不能正常工作，输出为高阻态，不能提供脉冲；接通电源后，Vcc经过电阻R7，R8对电容C1进行充电，其电压U由0按指数规律上升。当U》2/3Vcc时，电压由比较器A1=0,A2=1，基本RS触发器被置0，Q=0，Q的非等于1，输出Uo跃到低电平Uol.与此时，放电管V导通，电容C1经电阻R8和放电管V放电，电路进入暂稳态。
随着电容C1的放电，Uc随之下降。当Uc下降到Uc《1/3Vcc时，则电
压比较器A1，A2的输出为A1=1,A2=0。基本RS触发器被置1，Q=,1，Q的非等于0，输出Uo跃到高电平Uoh.同时，因为Q的非等于0，放电管V截止，电源又经电阻R7，R8对电容C1充电。电路返回到前一个暂稳态。因此，电容C1上的电压在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲。
3.2双四位移位寄存器
74LS194功能表：
功能表中说明：74LS194的移位方向控制 S1和S0，移位电平控制Left和Right，置位输入是ABCD，QA，QB，QC，QD是输出。
仿真电路图：
74LS194引脚图
原理：本设计采用两片双四位移位寄存器194，用来进行8位流水灯的移位。其中S0和S1可以改变移位方向，SR和SL可以改变移位的电平值，CLK提供移位脉冲，D0，D1，D2，D3提供置数的值，Q0,Q1，Q2，Q3是移位输出。MR是清零端，低电平清零。输出的八个端口接发光二极管。
4.设计电路
4.1 时钟脉冲产生电路
采用555定时器产生连续的时钟脉冲
4.2 流水灯驱动显示电路
采用74LS194和开关实现灯的左移右移全亮全灭。
4.3 流水灯控制电路
4.4总体电路（如图三）
5.安装与调试过程
5.1、彩灯控制器安装
1）设计好电路，用Protues仿真，并修改使他正常运行，确定实际电路中需要的元器件。
2）连接电路时，考虑到元器件和导线的外在影响，接线时先逐个测量元器件和导线，发现坏的，立即找老师替换。
3）看到设计好的电路图，线路错综复杂，所以接线时非常仔细谨慎，一个一个模块的连接，两个移位寄存器的级联，计数器的计数，红绿灯的控制，完全接好后打开电源。为简化接线过程，我把白天和夜间工作电路分为两次接线
5.2调试工具
数字万用表，直流稳压电源，示波器，protues软件的仿真
5.3 彩灯控制器的调试
1）通电后，观察有无异常现象，看实验结果是否与设计电路一致，起初发光二极管不亮，经检查是电源管脚接触不良，之后发现移位寄存器不移位，原来是SL、SR都是置的低电平。移位寄存器的级联和置数的问题，刚开始移位是往中间移位，显然级联的不对。
2）重新接好置数逻辑模块后，接通电源，看电路的工作状态，看脉冲是否准确给出秒脉冲，开始时有时无，则一定是管脚接触不良，可以将自动脉冲改为手动脉冲，直到电路完整的工作完四个状态。
3）计数器和状态切换电路的工作电路也是按上述步骤安装、调试。
6.结论
6.1故障分析
通电后发现二极管不亮或者亮的不明显，有时能循环移动，有时不能，起初怀疑是焊接的问题，经过用万用表测量后发现焊接没有问题，经分析是芯片管脚电压不正常，可能是芯片出厂时有问题，更换芯片后重新测试。经过认真检查与分析，流水灯能进行顺利的左循环、右循环、全亮、全灭等功能。
6.2心得体会
刚开始拿到题目后不知如何下手，于是去图书馆、上网查资料。一点一点的去理解，慢慢的理出了思路，初步得出电路图的模块的设计方法。
这次课程设计让我重新学习了数电知识，才明白以前为了应付考试而学到的知识只是皮毛而已，也让我明白了自学的重要性，深入了解一门课而得到正确答案的满足感。初步设计好电路图后，接着在protues软件上进行仿真，开始的几次仿真结果都不尽如人意，我找了好久的错误，一次又一次的修改，始终是同样地错误在那里。连续几天的仿真，我都想放弃了，可是又不甘心，我就不信我做不出来，置之死地而后生，我把所有的图都删除了，重新开始设置逻辑，得出新的表达式，终于得到与理想电路图一样的结果。
接下来就是画pcb，由于之前没有用过protues画图，于是我画了大半天的时间学习用protues画图，经过我不折不挠的努力，终于把pcb图画好啦，接着就是腐蚀、打孔、焊接等，经过我几天的努力，功夫不负有心人，终于把老师教给我的任务顺利完成。
经过几天的设计，我学到了很多东西，不管是课本上的知识，还是生活中做事的风格和动手能力，我受益匪浅。这次设计不仅检验了我的知识，而且还考验我的耐心，细心。也让我进一步了解了电子设计。
8.参考文献
【1】《数字电子技术基础》 康华光编著，高等教育出版社
【2】《电子技术基础实验、设计与仿真》贾更新编著, 郑州大学出版社
【3】《数字电子技术》（ 第二版）杨志忠主著，高等教育出版社
附录
流水灯PCB图
第二篇：数电四路抢答器课程设计报告
电子科学系电子信息科学与技术
课程设计报告
课程名称：数字电子技术基础
课题题目：四路智能抢答器
专 业：电子信息科学与技术
姓 名：罗永强 周文龙
学 号： 070702121 07070141
指导教师：史洪宇
课题题目：四路智能抢答器
一、课程设计目的
本次课程设计主要是配合《模拟电子技术》和《数字电子技术》理论课程而设置的一门实践性课程，起到巩固所学知识，加强综合能力，培养电路设计能力，提高实验技术，启发创新思想的效果。
二、初始条件：
本课程设计，要求用集成电路：74LSl48，74LS192,74LS175，74LS160,74LS00，74LS04，74LS20,74LS48,74LS32,555定时器和其它器件等，实现四路定时抢答功能。
三、要求完成的主要任务:
1、 可同时供4名选手（或代表队）参赛，其编号分别是1到4，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应。给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯)和抢答的开始。
2、抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并数码管上显示选手的编号，同时扬声器给出声音提示；同时封锁输入电路，禁止其它选手抢答。
3、抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间为10秒。当主持人启动“开始”键后，要求定时器立即进行加计时，并用显示器显示。
4、参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作,
显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止；如果定时抢答的时间已到，而没有选手抢答时，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示0。
目录
1 功能介绍…………………………………………………3
1.1主要功能介绍…………………………………………3
1.2扩展功能介绍…………………………………………3
2总体方案设计………………………………………….. …3
3单元模块设计………………………………………….. …4
3.1抢答器控制端电路功能介绍…………………………………4
3.2定时时间电路………………………………………………. …5
3.3控制电路和报警电路………………………………………. …5
3.4振荡电路………………………………………………………….6
4主要芯片介绍 ………………………………………………7
4.1 优先编码器 74LS148……………………………………7
4.2 计数器74LS192…………………………………………8
5四人抢答器仿真………………………………………. ……9
6系统调试 ……………………………………………... …9
7参考文献……………………………………………….. …11
1功能介绍
1.1主要功能介绍
（1）抢答器最多可供4名选手参赛，编号为1~4号，各队分别用一个按钮（分别为J1、J2、J3、J5）控制，并设置一个系统清零和抢答控制开关J4,J7，该开关由主持人控制。
（2）抢答器具有数据锁存功能,并将锁存数据用LED数码管显示出来，直到主持人清零。
（3）开关J4作为清零及抢答控制开关（由主持人控制），当开关J4被按下时抢答电路清零，当开关J7松开后则允许抢答。输入抢答信号由抢答按钮开关J1、J2、J3、J5实现。
（4）有抢答信号输入（开关J1、J2、J3、J5中的任意一个开关被按下）时，并显示出相 对应的组别号码。此时再按其他任何一个抢答器开关均无效，指示灯依旧“保持” 第一个开关按下时所对应的状态不变。
设计要求
1.2扩展功能介绍
（1）抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间为3秒。当节目主持人启动“开始”键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示。
（2）参加选手在未开始抢答时按下抢答键，则犯规。显示器上显示并闪烁选手的编号。
（3）参加选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。
（4）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示并闪烁0。
2总体方案设计
设计要求
（1）主持人有开始键和复位键，按下开始键后才能开始抢答，否则犯规。
（2）用数码管显示，正常抢答后显示抢到的队号，如果犯规则闪烁显示队号。
（3）如果3秒内没有抢答，则说明该题超时作废，用0闪烁表示。
（4）复位键用于恢复犯规或超时状态
如图1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到"清零"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置;开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。定时器倒计时。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。
图1
3单元模块设计
3．1抢答器控制端电路功能介绍
设计电路见图2所示。电路选用优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS175来完成。
该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，
其按键操作无效。工作过程：开关自上而下，分别是J1,J2,J3 J4,J5，J5是控制清零端，当J5闭合（清零）时，计时模块74LS160的MR端和抢答模块74LS175的MR端都置1，使整个模块处于等待工作状态；当J5断开时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将抢答按键按下时（如按下J2），74LS148的输出经74LS48译码器接到七段显示电路处于工作状态，4Q3Q2Q=010,经译码显示为“2”。此外，MR＝1，使74LS148 优先编码工作标志端（图中2号端）＝1，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的 此时由于仍为CTR＝1，使优先编码工作标志端为1，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将J5开关重新置“清零”然后才可能进行。
图2
3．2定时时间电路功能介绍
原理及设计：
该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加法计数器74LS160、十进制减法计数器74LS192、74LS48译码电路和1个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图3所示。一块74LS192实现减法计数，通过译码电路74LS48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74192的预置数控制端实现预置数，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时， 输出低电平到时序控制电路，之后选手抢答无效。
图3
3．3控制电路和报警电路
由555 芯片构成多谐振荡电路 ,555 的输出信号再经或门控制时序。控制电路包括时序和报警两个电路 ,如图3所示。控制电路需具有以下几个功能：
主持人闭合开关,多路抢答器电路和计时电路进入正常状态; 参赛者按键时 ,抢答电路和计
时电路停止工作;
抢答时间到 ,无人抢答 ,抢答电路和计时电路停止工作
3.4振荡电路
本系统需要产生频率为500KHZ的脉冲信号，用于触发器的CP信号，及频率为1HZ信号用于计时电路。以上电路可用555定时器组成，也可用石英晶体组成的振荡器经过分频得到。
4主要芯片介绍
4．1 优先编码器 74LS148
74LS148为8线－3线优先编码器，表4.1.1为其真值表，表4.1.2为其功能表,图4.1.1为其管脚图。
74LS148管脚图
表4.1.2 74LS148 8线—3线二进制编码器真值表
74LS148工作原理如下：
该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。
当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。表明编码器处于工作状态，否则为1。
由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS＝0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器
件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。
从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，……，0。输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。例如5为0。且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理
4.3 计数器74LS192
74LS192具有下述功能：
①异步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000
②异步置数：CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0
③保持： CR=0，LD=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原态
④加计数：CR=0, LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数
⑤减计数：CR=0, LD=1，CPU=1，CPD= CP，Q3Q2Q1Q0按减法规律计数
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。
CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。
LD为预置输入控制端，异步预置。
CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。
CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出
BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。
图4.3. 74LS192管脚引线图
5四人抢答器仿真
按照总体电路图在仿真软件proteus7.5上一一选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。下面，我们分两部分对设计出的电路进行proteus7.5仿真。我们将各部分电路在proteus7.5上连接好后，为各个电阻和电容选取适当值，为各个开关设置好适当的键盘打开数值（例如，为某一开关设为1连接，则启动proteus7.5m仿真按钮后，在键盘上按1则此开关就由断开状态变为连接状态）然后打开proteus7.5的开关，即可根据显示器上显示的数字以及二极管的亮灭情况来判断电路设计是否成功。
6系统调试
把上面所设计的单元电路连接起来可得到整机电路。
7.1抢答显示功能测试（图4）
7.2清零功能测试（图5）
7.3倒计时功能测试(图6)
图4
图5
图6
7参考文献
【1】 阎 石. 数字电子电路. 北京：高等教育出版社. 2007
【2】 康华光. 电子技术基础（数字部分）. 北京：高等教育出版社. 2000
【3】 任为民. 数字电子电路学习和实验指导. 北京：广播电视大学出版社. 1992