八路循环彩灯设计优质报告.doc

成绩

课程设计说明书（论文）

题 目： 循环彩灯电路设计
课程名称： 数字电子技术
学 院： 电子信息和电气工程学院
学生姓名： 李振振
学 号：
专业班级： 自动化级2班
指导老师： 翟亚芳

年 6 月 6日

课 程 设 计 任 务 书
设计题目
循环彩灯电路设计
学生姓名
李振振
所在学院
电子信息和电气工程学院
专业、年级、班
自动化
级2班
设计要求：
1、设计制作一个循环彩灯电路；
2、彩灯数量为8个；
3、8个彩灯从左到右依次点亮，然后依次熄灭，点亮和熄灭时间间隔为1秒。
学生应完成任务：
1、 明白循环彩灯工作原理，完成循环彩灯电路设计，利用Mutisim进行仿真。
2、 利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作PCB板。
3、 依据设计原理对电路进行安装、调试。
4、 撰写并提交课程设计汇报。
参考文件：
[1] 秦长海,张天鹏,翟亚芳.数字电子技术[M].北京：北京大学出版社，.
[2] 班春华.电子线路设计和应用[M].北京：高等教育出版社，.
[3] 张睿.Altium Desiner6.0原理图和pcb设计[M].北京：电子工业出版社，
[4] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础 [M] .北京：高等教育出版社，.

工作计划：
5月26—27日用Multisim软件完成电路功效仿真；
5月28—30日利用Altium Designer软件完成电路原理图设计和PCB板设计;
6月3—5日完成PCB板制作、电路安装和调试工作；
6月5—6日验收结果、提交课程设计汇报。

任务下达日期： 5月 26 日
任务完成日期： 年 6 月 6 日

指导老师（署名）： 学生（署名）：
循环彩灯电路设计
摘 要：设计了一个循环彩灯电路，该电路能够实现8个彩灯从左到右依次点亮，然后依次熄灭，且点亮和熄灭时间间隔均为1秒功效。该电路关键由555定时器、74LS164移位寄存器、74LS00和非门、LED等组成，555定时器提供周期为1s脉冲信号，74LS164和74LS00共同提供次序脉冲，从而达成设计要求。经Multisim仿真测试，该电路能够实现功效要求。利用Altium Designer软件对电路进行了原理图设计和PCB设计，并对电路进行了安装和调试，调试结果正常。
关键词：循环彩灯；555定时器；74LS164移位寄存器；74LS00和非门；电路仿真；PCB设计

目 录
1.设计背景………………………………………………………………1
1.1数字电路介绍……………………………………………………1
1.2时钟电路作用及基础结构………………………………………1
1.3 Multism和 Aultism软件功效及使用…………………………1
2.设计方案………………………………………………………………2
2.1 课题任务……………………………………………………………2
2.2 任务分析……………………………………………………………2
3.实施方案………………………………………………………………2
3.1原理图设计…………………………………………………………2
3.2电路仿真……………………………………………………………5
3.3 PCB制作……………………………………………………………7
3.4安装和调试…………………………………………………………7
4.结果和结论……………………………………………………………8
5.收获和致谢……………………………………………………………8
6.参考文件………………………………………………………………9
7.附件……………………………………………………………………9
7.1电路原理图…………………………………………………………9
7.2仿真图………………………………………………………………11
7.3 PCB布线图…………………………………………………………11
7.4实物图………………………………………………………………12
7.5元器件清单…………………………………………………………13

1．设计背景
1.1数字电路介绍
数字电子技术是信息、通信、计算机、自动控制等领域工程技术人员必需掌握基础理论和技能。数字电路系统关键内容：数值、逻辑门电路、数模/模数转换电路、半导体存放器等。数字电路系统通常包含输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。输入电路关键作用是将被控制信号转换成数字信号，其形式包含多种输入接口电路。比如数字频率计中，经过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路能够处理数字信号。模拟信号则需要经过模数转换电路转换成数字信号在进行处理。
1.2时钟电路作用及基础组成
多谐振荡器是产生举行脉冲经典电路，常见来做脉冲信号源。多谐振荡器没有输入端，接通电源变自激振荡。多谐振荡器起振以后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们交替改变，输出连续脉冲信号。用555定时器组成多谐振荡器，先用定时器组成施密特触发器，然后将施密特触发器输出经RC积分电路接到施密触发器输入端。能够经过调整其RC值来产生所需要周期大小脉冲信号。
1.3 Multism和Aultism软件功效及使用
Multism以Windows为仿真基础仿真工具，适适用于板级模拟/数字电路板设计工作。它包含了电路原理图图形输入、电路硬件描述语言输入方法，含有丰富仿真分析能力，所以能够使用Multism交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。经过Multism和虚拟仪器技术，工作者能够完成理论到原理图捕捉和仿真再到原型设计和测试这么一个完整综合设计。Aultism Designer软件是第一个将全部设计工具集于一身板级设计系统，电子设计者从最初项目模块计划到最终形成生产数据全部能够根据自己设计方法实现。经过设计输入仿真、PCB绘制编辑、布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，DXP提供了全方面设计处理方案。所以我们能够使用DXP和Aultism软件进行设计和仿真。
2. 设计方案
2.1 课题任务
设计一个循环彩灯，彩灯数量为8个，8个彩灯从左到右依次点亮，然后依次熄灭，点亮和熄灭时间间隔为1秒。该循环彩灯时钟脉冲是由555定时器控制，要求555定时器周期为一秒脉冲信号，驱动部分由74LS164和74LS00组成，提供顺寻脉冲，以实现彩灯依次点亮和熄灭。
2.2 任务分析
依据设计任务可知，LED灯有两种工作状态，依次点亮和依次熄灭。经过555定时器组成多谐振荡器经过电阻和电容来控制计时，产生周期为一秒脉冲信号，从而实现八个彩灯灯亮和灯熄时间均为一秒；再选择74LS164移位寄存器，该寄存器经过输入端输入高低电平，将脉冲信号依次左右或上下传输，将处于74LS164移位寄存器最高位循环彩灯作为74LS00反相器输入端，反相器输出端作为移位寄存器输入端，以此达成脉冲信号改变，从而实现LED灯一次闪亮和依次熄灭。
3. 实施方案
3.1 原理图设计
1. 时钟电路设计
555定时器是一个将模拟电路和数字电路集成于一体电子器件。用它能够构单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多个电路。此次设计选择是它组成多谐振荡器，产生单位脉冲，用于出发计数器。555定时器逻辑符号图1所表示。

图1 555定时器逻辑符号图
555定时器功效表如表1所表示。

表1 555定时器功效表
输 入
输 出

UTH
UTR
UO
TD
0
1
1
1
1
×

×

低电平
低电平
不变
高电平
高电平
导通
导通
不变
截止
截止
555定时器能够很方便地组成多谐振荡器，多谐振荡器是一个无稳态触发器，接通电源后，不需外加触发信号，就能产生矩形波输出。因为矩形波中含有丰富谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器是一个常见脉冲波形发生器,触发器和时序电路中时钟脉冲通常是由多谐振荡器产生。本试验正是利用其产生震荡脉冲，作为信号发生器使用。电源电压取5V，我们用占空比为2/3脉冲信号，理论上R1、R2应均为48k，电容C为10uF,但实际应用中R1、R2阻值选分别为47k、48k。所以依据振荡周期计算公式T=(R1+R2)Cln2可得，该电路振荡周期为1.028s，误差为2.8%。
由555定时器组成时钟信号产生电路图2所表示。

图2 由555定时器组成时钟信号产生电路图
2．驱动电路设计
该模块由74LS164移位寄存器和74LS00和非门组成，用以驱动发光二极管正常工作，而且在时钟电路控制下让八个二极管循环工作。
设计原理把555定时器输出端OUT接74LS164CLK端，在上升沿作用下，输入数据被送入移位寄存器。将移位寄存器最高位输出端接反相器，和非门输出端接移位寄存器输入端A、B。当移位寄存器输入端输入为高电平时，输出端依次移位，使彩灯点亮，移动到最高位时，输入端经过反相器后转化为低电平，从而彩灯依次熄灭，于此反复，形成了循环。
驱动原理图图3所表示。

图3 驱动原理图
3. 输出电路设计
输出电路有八个发光二极管、八个100欧姆电阻和一个低电平组成。只有当从驱动电途经来是高电平，才能够让发光二级管导通发光。输出电路图4所表示。

图4 输出电路图
3.2电路仿真
在元件库中找出所需元件，并在各单元电路设计基础上，根据设计电路图，用Multisim软件把各单元电路连接起来，画出符合要求系统整体逻辑电路图。系统整体电路设计完成后，要进行认真检验以后再对系统整体进行仿真，来验证设计正确性。依据彩灯闪烁情况判定电路是否正常，并利用示波器分别接入各单元电路输入输出端，调整示波器适宜测量和观察范围，对各单元电路输入输出端进行输入输出信号波形观察，看它实际输入输出和理论上是否有差异，若有差异，要找出原因，并分析它是否影响电路正常工作。若影响，要进行修改，直到仿真成功为止。经过仿真，确定我们电路原理图无误，能够制板。在仿真过程中，我们仿真周期为1.004s，而实际上周期应该为1s，这是因为仿真软件仿真环境没有设置好，经过老师设置，最终仿真周期变成1s，仿真误差为：
用555定时器组成多谐振荡器振荡频率理论值为1Hz，可能因为电压不稳定，在开始时彩灯亮时间并不为1s，在循环过一次后，彩灯根据时长为1秒进行依次发亮，电路仿真结果为八个彩灯依次发亮，然后一次熄灭，而且亮灯时间为1秒，依次循环。依据仿真结果可知电路原理无误，能够进行PCB板布线。仿真图图5、图6所表示。
原理仿真图图5所表示。

图5 原理仿真图
仿真电路脉冲工作状态图6所表示。

图6 定时器输入输出波形图
红线表示输出OUT波形，蓝线表示输入TRI波形。
3.3 PCB制作
经过仿真以后，在Altium Designer Summer 09软件中新建四个文件：工作空间文件、工程文件、原理图文件、PCB板文件，然后把设计好原理图按原部件连接起来。对其进行元件封装选择，选择合理封装以后，进行编译实施，再进行PCB布局，最终进行PCB布线，布线时要遵守布线规则。要不停地进行修改，合理地布局，使其达成整体合理、紧凑、美观。要尽可能避免焊盘、跳线出现，还要注意导线之间间距，和焊盘内径大小和部分尤其要求。
PCB板制作要求：要采取公制单位（mm）；接地线和电源线用0.8mm或0.6mm，假如从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或0.3mm；焊盘内径用0.9mm或0.85mm，外径依据需要修改，通常情况下是X方向1.6mm，Y方向2.0mm，或X方向2.0mm，Y方向1.6mm；过空大小和焊盘大小一样；PCB板大小应设计紧凑美观，通常采取5×6（单位厘米）。
3.4 安装和调试
在电路安装过程中，我们要注意元器件尤其是发光二极管有没有插反，所以在安装前，请教了老师怎样识别正负极，找到所需要元件，根据打印好电路图，然后安装好全部芯片和电路原件后，在PCB板上利用电烙铁进行各元件焊接。根据电路图逐一检验电路有没有漏焊问题，接下来用万用表逐一检验有没有虚焊或线路断路或线路短路。在线路没有问题情况下连接电源调试，以后用电源逐一模块进行检验。观看制作出来电路板是否符合设计要求。若不能实现预期结果要分析犯错原因。
安装过程中需要注意事项：第一，元器件正反向和电阻、电容大小对应位置；第二，芯片555定时器、74LS164、74LS00管脚应全部插入槽内才能用力按，轻轻用力，不能把芯片管脚弄断；第三，发光二级管正负极、电容正负极。
焊接过程中需要注意事项：第一，将电烙铁烧热，待刚刚能熔化焊锡时，涂上助焊剂，再用焊锡均匀地涂在烙铁头上，使烙铁头均匀吃上一层锡；第二，首先注意电路板上铜片，不能划掉了，烙铁不能再铜片上停留时间过长，以至于铜片翘起；第三，用锡尽可能少，不过要确保把元器件管脚焊坚固，而且不能虚焊；第四，不要把电烙铁猛力敲打，以免震断电烙铁内部电热丝或引线而产生故障；第五，电烙铁使用一段时间后，可能在烙铁头部留有锡垢，在烙铁加热条件下，能够用湿布轻檫。如有出现凹坑或氧化块，应用细纹锉刀修复或直接更换烙铁头。调试过程中需要注意事项：第一，先用万用表测试电路板全部铜铺导线是否有短路、断路和虚焊等；第二，注意电源正负极；第三，注意电源电压不能太大，不能烧坏整个电路板、芯片和发光二级管。
刚开始调试时，彩灯一个全部不亮，对此，我和协会大神李英奇了一个多小时进行了精心调试和排除障碍，发觉原因两个。一，在转印PCB时，转印机没有调好，造成铜板上碳墨有狭缝（不仔细看看不出来），从而造成电路部分短路或虚焊；二，在安装器件时，没有注意LED彩灯正负极，给安反了。综合以上两个故障造成彩灯不亮，最终故障排除，后经调试，设计循环彩灯正常工作，从而实物达成了预期效果，即8个彩灯从左到右依次点亮，然后依次熄灭，且点亮和熄灭时间间隔为1秒。所以这次设计是成功。
4. 结果和结论
试验达成了预期目标，8个彩灯依次点亮，然后依次熄灭，且彩灯亮灯和熄灭时间均为1秒，依次循环，然后开始下一个循环，循环彩灯正常工作。此次课程设计圆满完成，但也存在不足，比如安装和调试中LED灯正负极放反，更正后实物才达成设计要求。
经过此次课程设计，我们深入加深了对数字电子技术知识认知和了解，掌握了循环彩灯电路设计、组装和调试方法。学会了熟练利用仿真软件Multisim，PCB板设计软件Altium Designer。培养了独立思索、分析、处理问题能力，并培养了我们动手能力。
5. 收获和致谢
这次时间为两个星期课程设计试验大大培养了我动手能力和同学间相互合作精神。经过此次课程设计，我收获了很多。首先经过实践加深了对数字电子技术理论知识了解，能够初步掌握自动化专业常见软件基础工具应用，而且亲身感觉到和数字生活是如此近距离，有说不出喜悦和甜蜜。此次设计中，我们组选是第三种设计方案，在原理图设计中碰到困难了，数次设计也没有达成要求，后经过张老师和翟老师帮助，问题才得以处理。我留在电子协会两年了，对于仿真软件、PCB设计等相对来说比较熟悉些，所以在这些过程中没有月到什么困难。实物图刚出炉时并没有达成预期效果，LED灯不亮，经检测发觉在安装原件时LED灯正负极放反了。所以我们在设计过程中，不可对其中任意一个步骤不耐心，要认真检验到每一个元器件、每一根导线、每一个焊点。
这次课程设计我深刻意识到认真关键性，可能是第一次做数电课程设计，难免会碰到过多种多样问题，同时在设计过程中发觉自己不足之处，对以前所学过知识认识得不够深刻，掌握得不够牢靠，了解不够透彻。总体来说，这次实习我受益匪浅。在探索该怎样设计程序使之实现所需功效过程中，尤其有趣，培养了我设计思维，增加了实际操作能力。假如不能够认真谨慎工作，我们设计不会达成预期效果。它要求我必需一丝不苟，这在很大程度上考验了我耐心，还有不管碰到什么困难，不要对自己失去信心。在以后我要愈加努力学习，培养自己独立思索能力，填补本身不足，提升自己综合素质。
这次课程设计要尤其感谢张天鹏老师、翟亚芳老师耐心教导和在设计中给出宝贵提议和意见，和搭档所做帮助和支持，在此表示深深感谢！
6. 参考文件
[1] 秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术[M].北京：北京大学出版社，.
[2] 班春华.电子线路设计和应用[M].北京：高等教育出版社，.
[3] 张睿.Altium Desiner6.0原理图和PCB设计[M].北京：电子工业出版社，.
[4] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础 [M] .北京：高等教育出版社，.
7.附件
7.1仿真图
原理仿真图7。

图7 原理仿真图
555定时器波形仿真图图8所表示。

图8 仿真图
7.2原理图
该电路设计原理图图9所表示。

图9 原理图
7.3PCB布线图
该电路PCB布线图图10所表示。

图10 PCB布线图
7.4实物图
经安装调试，本组做课程设计实物图图11所表示。

图11 实物图
7.5元器件清单
元器件清单如表2所表示。
表2 元器件清单表
元器件种类
功效或参数
数目
555定时器
定时
1
74LS164
移位寄存
1
74LS00
和非
1
发光二极管
红
8
电阻
47k
1
51k
1
100
8
电容
10uF
1
10nF
1
六角开关
控制电路通断
1

指导老师评语：

课程设计汇报成绩： ，占总成绩百分比： 40％
课程设计其它步骤成绩：
步骤名称： 原理设计 ，成绩： ，占总成绩百分比： 20％
步骤名称： PCB设计 ，成绩： ，占总成绩百分比： 20％
步骤名称： 安装调试 ，成绩： ，占总成绩百分比： 20％
总 成 绩：
指导老师签字：
年 月 日
此次课程设计责任人意见：

责任人签字：
年 月 日