湖南工程学院
课 程 设 计
课程名称 数字电子技术
课题名称 彩灯控制器
专 业 电子科学与技术
班 级 0801
学 号 03
姓 名 蒋知英
指导教师 康迎曦
20##年 12月 18日
湖南工程学院
课程设计任务书
课程名称： 数字电子技术
题 目：彩灯控制器
专业班级 电子科学与技术0801
学生姓名 蒋知英
学 号 03
指导老师 康迎曦
审 批
任务书下达日期 20## 年12月06日
设 计 完成日期 20## 年 12月17日
电气与信息工程系课程设计评分
目录
一、设计总体思路、基本原理和框图.................... 5
二、总电路图....................................... 6
三、单元电路设计与分析.............................. 7
四、安装、调试步骤................................. 10
五、故障分析与电路改进............................. 10
六、总结与体会..................................... 11
七、元器件清单..................................... 12
八、参考文献....................................... 12
九、课程设计成绩评分表............................. 13
表一、设计总体思路、基本原理和框图
1. 设计总体思路
由设计任务书得知，要求顺序控制器执行机构按全灭 → 红 → 红绿 → 绿 → 黄绿 → 黄 → 全亮 → 全灭 → 全亮 → 黄 → 黄绿→ 绿 → 红绿 → 红顺序往返循环，那么我们如何来控制这14个不同状态，又如何来控制这往返循环。首先我们有一片74LS161十六进制的计数器制作一个十四进制的计数器来控制这14个不同的状态，然后计数器的四个输出我们用一个4线—16线的译码器来将这14个状态译出来，然而没有4线—16线的译码器，所以我们只好用两片3线—8线译码器即74LS138来组合成4线—16线译码器，将这14个状态译码出来之后我们就通过这14个状态写出其真值表，通过真值表我们可以通过选用一些门来表示出这真值表的内容，然后接上红、绿、黄三盏LED，则整个设计将完成。
2. 基本原理
给予计数器一个连续脉冲，计数器将进行计数从0到13共14个状态，从而译码器把这14个状态译出来，并经过门电路通过LED灯将这14个状态表示出来，一个连续脉冲就可以保证这个电路能够往返循环。
3．总体框图
二、总电路图
三、单元电路设计与分析
1.十四进制计数器
用一片74LS161来制作一个十四进制计数器，74LS161本是一个十六进制的计数器，要想把它变成十四进制计数器我们采用清零法，由于74LS161是异步清零的，故我们需要的状态从0000—1110，当出现1110这个状态时芯片就清零，要使芯片清零必须给清零端即CR’一个低电平，故我们可以用三输入与非门即74LS10来给出，将输出端为1的接给74LS10三个1即高电平相与为高电平，在反即为低电平，因而清零端有效从而芯片清零，所以当从0000—1110时芯片就自动清零，故就把十六进制的计数器改为了十四进制计数器，其电路图如下：
2．4线—16线译码器
由于没有4线—16线译码器所以我们就用两片3线—8线译码器来组成4线—16线译码器，将第两片74LS138的A、B、C三个输入端两两相连作为4线—16线译码器的A、B、C三个输入，在将第二片74LS138的G1与第一片74LS138的G2A、G2B相连一起作为4线—16线译码器的第四个输入D，输入问题解决了之后再将第一片74LS138的G1接高电平，第二片74LS138的G2A、G2B接低电平。这样就组成了一个4线—16线的译码器了。用两片74LS138组成4线—16线译码器的电路图如下：
3.门电路
该彩灯规律的真值表如下：
由这个真值表可以计算出所用的门电路和连接方式，有真值表可以得出如下：Z1=∑(1、2、6、8、12、13)
Z2=∑（2、3、4、6、8、10、11、12）
Z3=∑(4、5、6、8、9、10)
由以上可知：Z1、Z2可以共用2、6、8、12这四项，而Z2 、Z3可以共用4、10这两项，故可以用2个四输入与非门和2个非门组成2个四输入与门、3个二输入与门、1个三输入与非门和1个非门组成1个三输入与门、2个二输入与非门、1个三输入与非门。具体的门电路连接方式如下所示：
四、安装、调试步骤
在安装过程中，首先要选好自己需要的芯片，其芯片清单如下：
1片74LS161、2片74LS138、1片74LS20、1片74LS10、1片74LS08、1片74LS04、1片74LS00：
第二：就是要把所用芯片在仪器上测试看芯片是不是好的，然后把所用芯片按照仿真电路图各个芯片的位置在电路版上安装好：
第三：当然就是接线了，接线有两种接法，一是把整个电路一次性接好，在试电，在试电的过程中判断并找出那些线没接好或是没接线，把没接好的线接好，没接上的线接上在调试，看结果跟仿真结果是否相符合，如果符合就对了，如果不符合那在判断和调试直到对为止；二是边接线边调试，可以一部分一部分的来接，比如先接好红色LED灯，看它在工作是是不是和仿真结果相同如果相同就可以接第二个绿色LED灯，如果不相同那么就判断和调试直到相同为止。使用第二种方法接线要省时且不容易出错，如果出错也好查出故障原因。
第四：如果接线用的是第一种那么还要调试，在调试中找出故障原因并且将其改正，使其与仿真结果相同。
五、故障分析与电路改进
1.故障分析
在接出来的实际电路在运行时如果LED灯不亮或只是全亮，可能是计数器的脉冲没有加上，或是计数器出接线有问题，如果LED灯的闪亮规律与设计的要求不一样，那么可能是在接门电路出事接错或是有些线没接上，如果闪亮规律只对一半那么可能是有片74LS138不工作，应该检查其使能端看有没有接错或是漏接。在调试过程中应该根据实际电路与仿真结果不同的错误来分析并定位到时哪个模块出现了问题，在分析和调试中把所有的故障都给解决掉。
2.电路改进
起初设计出来的电路可能设计过于繁杂，在设计好的情况下尽量的把所设计出来的电路进行修改和压缩使之成为最简单的电路图，比如在彩灯的这个设计中，门电路这个模块有很多的方法可行，如果直接按照由真值表所得出的Z1、Z2、Z3来接就显得有点复杂，所用的门多，而且接线的时候比较的复杂，故我们可以简化，把Z1、Z2、Z3中可以共用的接在一起这样就不必在重复的接线，即简化了电路图也减小了接线难度。为了使电路简化所以我们在设计电路完成之后要把电路进行简化，使其达到最佳效果。
六、总结与体会
数字电子技术课程设计从两个方面来锻炼我们，第一是加强大家对数字电子技术基础的熟悉、对课本知识的复习，第二是对我们动手能力的考验和锻炼，通过这次课程设计我学到了应该怎么样把书本上的理论知识应用到实际生活中去，本次我做的是彩灯设计，在这以前总以为这彩灯能有规律的闪亮很是高深莫测，现在我没有了这种想法了，因为这个彩灯我也可以自己做了，这次课程设计让我知道了平日里我们课堂里所学的理论知识不是没有用而是很有用，只有它才能指导我们如何去实践。
我在这次的设计里的收获和体会是比较多的，大致总结如下：
要学会搜集和查阅资料。对于我们接触的许多东西，我们可能是没有学过的，甚至没有见过的，我们要学会从各种渠道去搜集关于这个方面的知识，去学习它，知道可以应用它。如何完成一个任务。对于我们接触到一个任务时，我们要学会将这个任务进行转化，也就是尽量转化到我们熟悉的知识上来。当我们完成任务的转化后，还要学会分解任务，也就是要清楚，我们要完成这个任务要分为那几个部分，就象这次彩灯的设计要分解为计数器、译码驱动器和显示器三个小任务，然后再各个任务击破。对于我们在做事过程中发现的问题要冷静的思考，不要盲目的进行。有一些问题当你好好思考一下时，就会发现是一个很好解决的问题。而盲目的进行，只会是浪费时间没有效果。在一些实际的操作过程中，要学会去尝试自己的想法，不要局限于书本。也就是学会一点创新精神。
这次课程设计中我学会了怎么样去设计，怎么样把仿真电路应用到实际电路中去，而且我的分析故障能力有了很大的提高，懂得了怎样去分析故障，把故障一一的去击破。总之，在这次设计过程中所得到的体会，在过去是没有过的，在书本是也是无法找到的。所以，我十分珍惜和留恋这次的课程设计，在这次的课程设计中，我的指导老师康老师给予了我十分大的帮助，而且教会了我许多的关于以后的学习、工作和科研方面应该如何去做。所以在此我表示对她的感谢。而且在这次的课程设计当中，我们组的两位同学都积极参与，合作十分愉快。我在以后的学习、工作中一定会把这次的体验加以发扬光大。我相信我以后可以做的更好！最后我再次感谢我的指导老师康老师，谢谢她在这两周对我的悉心指导让我能够顺利完成任务。
七、元器件清单
芯片：
1片74LS161
2片74LS138
1片74LS20
1片74LS10
1片74LS08
1片74LS04
1片74LS00
工具：
元件盒一个
镊子一个
导线若干
安装芯片的电路版一片
调试使用的实验箱一个
八、参考文献
«数字电子技术基础» 周良权编
«电子技术课程设计指导» 彭介华编
«电子技术基础实验» 陈大钦编
第二篇：数电课程设计--四花样彩灯控制器
电子课程设计 四花样彩灯控制器
一、 设计要求
1.1 设计课题及要求
（一） 题目：四花样彩灯控制器
（二） 基本要求：设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现
(1) 彩灯一亮一灭,从左向右移动；
(2) 彩灯两亮两灭，从左向右移动；
(3) 四亮四灭，从左向右移动
(4) 从1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭；
(5) 四种花样自动变换。
（三） 主要参考元器：
555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，与门74LS08，非门74LS04，
四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164。
二、系统组成及工作原理
2.1 系统组成框图
把四花样彩灯设计分为几个独立的功能模块进行设计,每一个模块完成特定的功能,再把它们有机的组织起来构成一个系统完成彩灯控制器的设计。系统可由四个模块组成，它们分别是：四种码产生电路、开关电路、数据输出、时钟电路。设计框图如图2.1所示：
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电子课程设计 四花样彩灯控制器 由两个555构成两个时钟电路，由模十六计数器和组合逻辑门构成四种码产生电路，由双D触发器和数据选择器构成开关电路，由移位寄存器和八个彩灯构成输出电路，一个时钟控制模十六计数器和移位寄存器，另一个时钟控制双D触发器。
2.2工作原理分析
从多谐振荡器出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送到模十六计数器；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器。调节多谐振荡器的电阻可以改变震荡频率，即改变彩灯移动的速度，得到不同的动态效果。
多谐振荡器、双D触发器、数据选择器共同组成一个电子开关。多谐振荡器输出的计数脉冲经双D触发器两位二进制计数器，在它的两个输出端得到00、01、10、11四种逻辑状态。这四个状态作为数据选择器的四个数据通道选择信号，对应从模十六计数器输送到数据选择器的QA，QB，QC，QD四个分频信号。其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。当双D触发器输出为“00”时，数据选择器输出10000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样一；为“10” 时，数据选择器输出11000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样二；为“01” 时数据选择器输出11110000序列脉冲，为八分频信号，实现花样三；为“11” 时数据选择器输出1111111100000000序列脉冲，为十六分频信号，实现花样四。调节开关电路的CP脉冲产生电路的电阻，可以改变开关的切换时间用以选择每种花样出现时间的长短。
数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端，在时钟脉冲的作用下，数据在移位寄存器的八位并行输出端从Q0到Q7顺序移动。移动的八位控制信号直接控制发光二极管的亮灭，就出现了八路四花样自动循环切换的流水彩灯。
三、 电路方案设计
3.1 电路图设计
将各单元电路组织起来就得到了系统电路图，如图所示
本电路图设计简单、结构清晰，可分为四种码产生电路、开关电路、输出电路和时钟电路这四个模块。四种码产生电路由模十六计数器和组合逻辑门构成，开关电路由双D触发器和数据选择器构成，输出电路由移位寄存器和彩灯构成，时钟电路由两个555构成。
通过改变多谐振荡器的电阻可改变彩灯流动的速度和各花样持续的时间，实现了彩灯花样的 2
电子课程设计 四花样彩灯控制器 动态变化，增强了控制器的灵活性。
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电子课程设计 四花样彩灯控制器
四 单元电路设计与计算
4.1 时钟脉冲产生电路
用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为:
T=0.7(R1+2R2)C?????????(4-1)
要用两个555产生两个时钟脉冲,一个控制74LS161模十六计数器和八位移位寄存器,要能看到彩灯的流动,其周期设为1秒左右, 电阻值和电容值可设为：
R1=1KΩ ， R2=51KΩ ， C=0.01μF 由公式（4-1）计算得：T=0.721S 电路图如图4.1所示:
IRTUAL
图4.1 时钟电路
另一个555产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换,其周期设为模十六计数器的20倍,改变R1、R2的阻值即可，可设为：
R1=1KΩ ， R2=1MΩ ，C=0.01μF 由公式（4-1）计算得：T=14.42S
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电子课程设计 四花样彩灯控制器
4.2 四种码产生电路
根据彩灯要实现的四花样,可确定移位寄存器输出的二进制码,即四种码产生电路要产生的码，如表4-1所示：
表4-1 四种码
要产生这四种码，可由十六进制计数器接组合逻辑门产生，十六进制计数器的真值表如表4-2所示
表4-2 计数器真值表
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电子课程设计 四花样彩灯控制器
由表4-2分析得： Z1=Q11 Z2=Q2
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电子课程设计 四花样彩灯控制器
Z3=Q3 Z4=Q4
所以四种码产生电路如图4.2所示：
74LS161N
图 4.2 四种码产生电路
4.3彩灯开关电路
要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4。使双D触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双D触发器能产生00、01、10、11这四钟循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四花样循环。
开关电路图如图4.3所示：
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电子课程设计 四花样彩灯控制器
图 4.3 开关电路
令Q1Q2=AB，74LS153数据选择器的功能表如表4-3所示：
表4-3 数据选择器功能表
由表4-3可知，数据选择器的地址输入端A、B循环转变，输出端1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四花样自动循环改变。
4.4 花样输出电路
输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。
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电子课程设计 四花样彩灯控制器
当输入移位寄存器数据输入端的码为10000000时，清零后在移位脉冲CP的作用下，寄存器数码移动情况如表4-4所示：
表4-4 寄存器数码移动情况表
由表4-4可看出，输入码中的那位高电平“1” 从寄存器的输出端QA经八个移位脉冲CP作用后逐渐到了QH，使输出端所连接的彩灯依次点亮，实现了彩灯依次点亮的花样。当输入另外的三种码时，寄存器的数码移动原理相似，所以就不累赘了。
五、安装调试
5.1电路板安装及检查
A、将原件插在电路板上，按电路图进行连线，并用电烙铁进行焊接 注意事项：
电路比较复杂，需要接线很多，焊点也很多，且焊点集中，焊接时一定注意不要将不该焊到一起的点焊一起了。
1、注意芯片的用法，特别是管脚的正确连接。
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电子课程设计 四花样彩灯控制器
2、注意不要忘了将芯片的Ucc端和GND端接到电路上。
3、注意LED的正负极。
4、正确运用PCB板的特性，连通的地方可省去布线，Ucc和GND分别利用PCB板上下的连线。 B、依次检查电路板的连线，看有没有焊错、虚焊或短路的地方，检查各芯片的电源和地是否接上，并调整过来。检查无误后进行调试
5.2 调试
前面的检查无问题后，接通电源，进行调试，根据彩灯的变化情况，确定可能的原因，分析是哪个功能模块出了问题，用数字万用表检查各模块的功能，发现并改正错误，直到符合要求为止。
5.3 故障及分析
电路接好后，发现八个同时亮，没有明显的花样变化，经检查后发现，原来是电容接错了，由于所接电容比较小，充放电时间比较短，变化太快，所以看不清花样的变化。将电路调整后再调试，没有发现问题。
六、实验小结
本次试验的内容是四花样彩灯控制器。由于在以前的学习中积累了一些经验，这次设计总的来说是比较顺利的。通过设计，我进一步熟悉了电烙铁和万用表的使用方法，巩固和加深对数电所学理论知识的理解和掌握，特别是对74LS161十六位循环计数器、74LS04六反相器、74LS08四2输入正与门、74LS153数据选择器、74LS164八位移位寄存器、CT74LS74正边沿触发双D触发器、多谐振荡器等原件了有了更深的了解，深感受益匪浅。
实验中电路比较复杂，在焊接布线时相当的麻烦，得非常小心，涉及多个芯片的用法，焊接前一定要分析清楚这些芯片的用法。板子的连通性，给布线带来方便时也使安装元器件时要注意，不能让元器件短路，如果不小心令电路短路了，就很容易烧毁原件，后果不堪设想。
设计过程中温习了基本的焊接技术，万用表的使用和熟悉了电阻的读数方法和很多元器件的使用方法。但在做的过程中也遇到了很多的问题。实验开始时，就遇到了元器件不够的问题，最后只能把几个人得元器件聚集起来，大家一起做了。试验中，由于焊接技术不熟练，导致焊点处的锡点的过多或过少，甚至造成短路，而使电路板不能正常工作；也出现了因对元器件的使用不熟悉而使元器件管教接错或其他的错误，同样造成电路板的不能使用。
让我印象最深的是调试过程了。焊接检查完毕后，把电路板插在电源上，发现八个等同时亮了，但没有预期中的花样变化。开始以为是接线有问题，可是把电路板取下检查无误后还是一样。当时感到很奇怪，之后问做好的同学才知道原来是实验中两个电容的位置接错了。调换过来，果 10
电子课程设计 四花样彩灯控制器 然成功了。通过这个经历也让我长了经验教训，做试验前，一定要弄清原理，否则就会走不必要的弯路。
另一让我感触颇深的是安全问题。在焊接时，由于不小心，手被烫伤了；调试时由于心急用手触碰到了电路板，而与电流有了一次“亲密的接触”。好在我还算幸运，没有出现什么事故，不过也着实让我吃了一惊，以后一定不敢如此大意了。
看着自己焊成的彩灯随着时间的脚步忽明忽暗，心里有一种说不出的成就感。不过，美中不足的是，我所充当的只是一个“焊接者”，而不是创造者。为此，我也给自己确立了一个目标，以后要加强理论知识的学习，设计属于自己的东西，那时候，我所能体会到的成就感才是货真价实，没有掺杂的。
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