《数字电子技术课程设计》任务书
一、课题名称：双色三循环方式彩灯控制器设计 二、技术指标：
1、电源VDD=12v
2、相邻两灯点亮的时间约在0.3-0.7s间可调，延时时间约在
1-6s间可调
3、计数器和译码器分别采用CMOS中规模集成电路CC4516 和CC4514
4、译码器4145共16个输出。
5、CMOS非门构成的振荡器的振荡周期T=1.4RC，555构成的振荡器的振荡周期T=0.7（R1+2R2）C 三、要求：
1、控制器有3种方式：
方式A：单绿左移—单绿右移—单红左移—单红右移； 方式B: 单绿左移—全熄延时伴声音；
方式C：单红右移—四灯红闪、四灯绿闪延时。 2、控制器有8路输出，每路用双色发光二极管指示。 3、由单刀三掷开关控制3种方式，每种方式用单色发光二极 管指示
4、论文格式按系下发的《课程设计格式要求》统一执行。 5、要求原理图、印制板图、装配图三图齐全（印制板图和装 配可合二为一）。 指导教师： 学 生：
电子工程系
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课程设计报告书评阅页
课题名称：双色三循环彩灯控制器 班 级： 姓 名：
年 月 日
指导教师评语：
考核成绩： 指导教师签名：
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摘要
循环彩灯的电路很多，循环方式更是五花八门，而且有专门的可
编程彩灯集成电路。绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的，例如，用中规模集成电路实现的彩灯控制电路主要用计数器，译码器，分配器和移位寄存器等集成。本次设计的双色循环彩灯控制器就是用计数器和译码器来实现，其特点用双色发光二极管，能发红色和绿色两色光。
关键词：计数器，译码器，集成，双色发光二极管
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目 录
一、 课题构想及设计方案 ...................................................................................... - 5 -
1.1 课题构想 ...................................................................................................... - 5 - 1.2 设计方案 ...................................................................................................... - 5 - 二、 基本原理 ........................................................................................................... - 6 - 三、 计数器和译码器 ............................................................................................... - 7 - 四、 电路组成 ........................................................................................................... - 9 -
4.1 LED显示电路 ........................................................................................... - 9 - 4.2 振荡器...................................................................................................... - 10 - 4.3 触发器 ...................................................................................................... - 10 - 4.4 延时电路 .................................................................................................. - 11 - 五、 系统电路 ....................................................................................................... - 14 -
5.1 原理图、PCB图和装配图 .................................................................... - 14 - 5.2 设计过程及工作原理 ............................................................................. - 16 - 六、 仿真分析及结果 ............................................................................................. - 18 -
6.1 方式A的仿真 ........................................................................................... - 18 - 6.2仿真结果 ..................................................................................................... - 18 - 七、 调试.................................................................................................................. - 20 - 八、 附录.................................................................................................................. - 22 - 九、总结语 ............................................................................................................... - 24 -
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十、参考文献 ........................................................................................................... - 22 -
一、 课题构想及设计方案
1.1 课题构想
1、用中小规模集成电路设计一台彩灯控制器。用计数器和译码器设制作一个双色三循环方式彩灯控制器。
2、控制器有8路输出，每路用双色发光二极管指示。 3、控制器有3重循环方式：
方式A：单绿左移---单绿右移---单红左移---单红右移； 方式B：单绿左移---全熄延时伴声音； 方式C：单红右依---四灯红闪，四灯绿闪延时。
4、由单刀掷开关控制3种方式，每种方式用单色发光二极管指示。 5、.两灯点亮时间约在0.2～0.6S间可调，延时时间约在1～6S间可调。 6、要求用10V电源设计。
1.2 设计方案
双色三循环方式彩灯控制器总体方案设计如下：
1，根据总的功能和技术要求，把复杂的逻辑系统分解成若干个单元系统，单元的数目不宜太多，每个单元也不能太复杂，以方便检修。
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2，每个单元电路由标准集成电路来组成，选择合适的集成电路及器件构成单元电路。
3，考虑各个单元电路间的连接，所有单元电路在时序上应协调一致，满足工作需求，相互间电气特性应匹配，保证电路能正常，协调工作。
二、 基本原理
振 荡 器 方控计译 式制码电数 选显择路器示 器 延时电路 蜂鸣器
（双色三循环方式彩灯控制器框图）
LED
本控制器由方式选择、计数器、延时器、LED显示电路、振荡器、控制电路、延时电路、蜂鸣器等组成。
设计任务中所要求的3中循环方式并不复杂，用中小规模集成电路就能实现，因此，本课题选用中小规模集成电路来设计，以提高综合运用数字电路的能力。
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三、 计数器和译码器
本控制器采用CMOS中规模集成电路CC4516和CC4514。其中CC4516为16
脚双列直插的中规模集成可预置数的四位二进制加/减计数器。CC4516有五种功能：置数、清零、不计数、加计数、减计数等。CC4514是四位锁存/4线—16线译码器，其输出为高电平有效。CC4514具有数据锁存、译码和禁止输出三种功能。数据锁存功能由EL端施加电平实现，EL=0时，Oo—O15保持EL置“0”前的电平；禁止端E非为高电平时，Oo—O15输出全为低电平；因此，CC4514作为译码器使用时，EL应接高电平，E非应接低电平。 CP CE非 UP PL MR 功能 × × × 1 0 置数，将P0到P3送入Oo到O3中 × × × × 1 清零，即Oo到O3全部到为零 × 1 × 0 0 不计数，即Oo到O3保持不变 1 0 1 0 0 加计数 1 0 0 0 0 减计数 CC4516功能表
本控制器的核心器件为计数器和译码器，分别采用CMOS中规模集成电路CC4516和CC4514。CC4516为16脚双列直插的中规模集成可预置数的4位二制加/减计数器（单时钟），其引脚如图所示。CC4516有5中功能：置数，清零，不计数，加计数，减计数，具体功能如表1所示。CC4514是4为锁存/4线—16线译码器，其输出为高电平有效。CC4514具有数据锁存，译码和禁止输出3种功能。数据锁存功能由EL端施加电平实现，EL=0时，O0 ~O15保持EL置“0”前的电平；禁止端）E为高电平时，O0~O15全为低电平；因此，CC4514作为译码器使
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用时，EL应接高电平，E应接低电平，CC4514的外引脚如图所示。
CC4514引脚图
CC4516引脚图
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四、 电路组成
4.1 LED显示电路
该LED显示电路有双色三极发光二极管和限流电阻组成，其中限流电阻有三
种连接方法，分别为16个限流电阻、8个限流电阻、1个限流电阻。本设计中采用8个限流电阻的方式。发光二极管的极限电流一般为20—30mA,发光二极管的压降约为2V，通过发光二极管的电流可取10--15 mA,以保证发光二极管有足够的亮度，而且这样不易损坏发光二极管。 LED显示电路如下图所示：
O15 O14 O13 O12 O11 O10 O9 O8
O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7
LED显示电路
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4.2 振荡器
振荡器有多种振荡电路，如图一所示振荡器比较简单，其中（1）为CMOS非门构成的震荡器，（2）为555构成的振荡器。CMOS非门构成的振荡器的震荡周期T=1.4RC，555构成的振荡器的震荡周期T=0.7（R1+2R2）C
振荡器
4.3 触发器
循环功能能否实现是由控制电路是否起作用决定的。要实现循环功能，计数器既要加法计数，也要减法计数，即加法计数到O15时变为减法计数，减法计数到Oo时再变为加法计数，这可用触发器控制计数器的UP/DN非.端来实现。下图是循环方式A的设计思路框架图
PL=1 UP/DN非=0 UP/DN非=1
起始计数（置“1000”） 加计数 O10时减计数
（a）所示为有D触发器构成的二分频电路，O15和Oo作为时钟信号，一个时钟触发器的状态翻转一次。（b）是利用D触发器的直接置“1”端和直接置“0”端来实现触发器的状态转换。(c)和（d）是由门电路组成的基本RS触发器，（c）中RS输入为高电平时有效，因此O15与Oo作为可直接作为S与R的输入。（d）输入低电平时有效，O15、Oo反向作为触发器输入。除以上几种电路外，也可以直接用RS触发器或JK触发器来实现。
Oo时加计数
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(a)
(b)
（c）
( d )
触发器控制电路
4.4 延时电路
循环方式B的设计思路如下：
PL=1 UP/ DN=1 E=1 置1000 加计数器 O15时延时
延时电路可采用单稳态电路，O15的下降沿作为单稳态电路的触发信号。根据功能要求。可采用微分型单稳态电路，555构成的单稳态电路及分立元器件构
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成的单稳态电路，而下降沿触发的与非构成的微分型单稳态电路和555构成的单稳态电路较为理想。
图6为与非构成的微分型单稳态电路，其中Cd，Rd为微分电路，当ui为窄脉冲触发时，Cd和Rd可省略。O15的下降沿作为单稳态电路的触发信号，因此O15要经微分和限幅后再触发单稳态电路。延时时间有RC决定。
555构成的单稳态电路如图7所示，C1R1和VD起微分限幅作用。因此本电路要求低电平触发，没有触发的时候555的第2脚要为低电平，所以要接R2，对于R1和R2的阻值比要求比较严格，要保证没有触发的时候第2脚电压大于1/3VDD,触发的时候电压小于1/3VDD。延时时间由RP和C2决定。
图6 与非构成的微分型单稳态电路
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图7 555构成的单稳态电路
在循环方式C中，要实现单红右移，计数器应从“0000”开始递增，因此应先清零再加法计数。根据计数器和译码器本身无法使输出实现四灯红闪，四灯绿闪，因此，可通过延时电路给8个双色发光二极管加上振荡信号来解决。方式C的循环过程可表示为:
MR=1 UP/ DN=1 E=1 消零 加计数器 O7时延时
在设计时要注意，要求是在同一个电路中通过方式选择来实现3种循环功能，而不是设计3个电路。3种循环方式要互相隔离，如按方式A工作时则不能有方式B现象出现，因此可采用双向模拟开关CC4066进行隔离。
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五、 系统电路
5.1 原理图、PCB图和装配图
原理图
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PCB图
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装配图
5.2 设计过程及工作原理
选择方式A，指示LED10灯亮，VD19导通，开关刚接通瞬间C4短路，IC2的PL＝1，IC2计数器置数“1000”，电源接通瞬间，C2短路，触发器直接置零R＝1，即IC2的UP/DN=1,j计数器从“1000”开始计数，C2充电结束后，触发器R＝0，不起作用。当计数器到”1111”,O15＝1，VD2导通，同时IC4A倒通，触发器翻转，UP/DN＝0，计数器递减计数。
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选择方式B，指示灯LED6亮，VD20导通，开光刚接通瞬间，C4短路，PL＝1，IC2计数器置数“1000”，电源接通顺间，C2短路，触发器R＝1，触发器直接置零，UP/DN＝1，计数器从”1000”开始计数，IC4A断开，D触发器输出不变， UP/DN一直为一，计数器始终递增计数。当计数到“1111”时，O15＝1，IC8B导通，当O15从高电平变为低电平时，触发单稳态电路，IC6输出变为高电平，E=1,灯全部熄灭，IC7导通，CT1导通，蜂鸣器响。延迟时IC4C导通，PL＝1，计数器始终在置数“1000”，延迟结束时，E＝0，计数又从“1000”开始计数。
选择方式C，指示灯LED10亮，开关刚接通瞬间，C3短路，MR＝1，IC2计数器清零，电源接通瞬间，C2短路，触发器R＝1，触发器直接置零，UP/DN＝1，计数器从“0000”开始计数，当计数器到“0111”时，O7＝1，因IC8A导通，当O7从高电平变到低电平时，触发单稳态电路，IC6输出为高电平，E＝1，IC3的O0～O15输出全为低电平，IC4导通，延迟时计数器清零，IC7与非门输出脉冲信号，VT2发射级输出脉冲信号送到双色发光二级管，使8盏灯四灯红闪四灯绿闪。延迟结束，计数器又从“0000”开始计数。
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六、 仿真分析及结果
对于本控制器的三种循环方式，只选择A进行仿真。
6.1 方式A的仿真
从元器件库中调出各种电阻、电容、集成块. 发光二级管等元器件,在EWB6.0版本中无双色三极发光二极管，可用两个发光二极管代替，其中一个用红色发光二极管，一个用绿色发光二极管。在EWB6.0版本中，发光二极管亮时，红色光二极管的双箭头会由空心变为红色实心，绿色发光二极管则由空心变为绿色实心。元器件调出后，对元器件的位置进行调整，使布局比较合理。
将电位器的操作键由空格键改为a键，按a键或A键可改变电位器的阻值。X2为电平指示灯，高电平示指示灯亮，低电平示指示灯不亮。灯泡X1采用虚拟灯泡，双击灯泡使其工作电压设置为220V。继电器K1采用常开触点的继电器，注意继电器的脚号连接要正确。双击交流电源U2，将交流电的工作电压设置为220V，工作频率设置为50HZ。XSC1为示波器图标。
由于CMOS集成电路的输入端不允许悬空，因此应工具逻辑要求将不用的输入端接高电平或低电平，如4013的CP1，D1不用，应接地，4516的MR，CE接地，4514的数据锁存端EL接电源，禁止端E接地。
6.2仿真结果
检查电路图无误后，可接通电源以模拟循环过程。由于电源接通瞬间，电容C2，C3相当与短路，使D触发器直接置零端由效，CC4516的置数端PL有效，CC4516置数“1000”,使发光二级管从LED8开始电亮并往上移。但EWB不能模拟电源接通瞬间电容相当于短路这一过程，因此，电源接通后，发光二级管不一定从LED8开始点亮，计数器可能递增计数也有可能递减计数，但这种现象只会影响第一个周期，对循环过程没有没有影响。只要绿LED15亮，就会使D触发器置1，从而使计数器递降计数，发光二极管灯亮顺序为，ＬＥＤ
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→LED14→…→LED8→…→LED1→LED0的规律变化，此时指示灯X2不亮。只要红
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色灯LED0亮，就会示D触发器置零，从而计数器递增计数，发光二级管灯亮按
LED0→LED1→…. →LED7→LED8→…LED14→LED15规律变化，此时指示灯X2点亮。当LED15亮示，三极管VT导通，继电器K1吸合，灯X1亮。说明8只双色发光二级管可以用16只彩灯代替。
按a键或A键，可以改变电位器的百分值，观察灯移动的速度。百分比值增大时，灯移动的速度应加快。取不同的百分值，用示波器测量振荡器的周期，将结果填入表3中。示波器的扫描时间的设置以示波器的屏幕上显示2到3 个周期波形为宜。
表2振荡周期
PR 计算值 周期T
通过电流表显示通过发光二级管的电流，改变限流电阻的阻值，观察发光二级管时毫安表数值的变化。将IC1的第4脚复位端接地，用示波器观察555的第三脚输出，此时振荡器没有振荡信号产生，LED0到LED15中某个灯亮。将IC1的第四脚复位端接VDD，将4514的第一脚接地，观察发光二级管灯亮的现象，此时LED0到LED15中某个灯亮。若将4514的第23脚禁止端E非接VDD，此时LED0到LED15全部不亮。
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0％ 10％ 30％ 50％ 70％ 90％ 100％ 测量值
七、 调试
搭完毕后检查是否有多线，少线错线，元器件的位置。极性是否正确，检查正确后再通电调试。三脚双色发光二级管中间的最长脚为公负极，第二长脚为红色正极，最短的脚为绿色正极。通电调试主要从以下几个方面进行：
1). 检查振荡器是否振荡。如果双色发光二级管灯亮并且左右移动，说明振荡器工作；如果双色发光二级管只有固定的一盏灯亮，则应检查振荡器是否振荡。用示波器检查振荡器的输出，或用指针式万用表直流电压挡测量振荡器输出。如果示波器能检查出振荡波形，或万用表指针左右摇摆，则说明振荡器已经工作。
2). 观察计数器能否计数，若不能计数，检查C4是否接错或已经损坏，若置数得的时间太久（LED7绿灯两地太久），则应减少C4的容量或R19的阻值。接循环方式C，检查计数器能否置零，若不能，检查C3，R5等元器件。
3). 接循环方式A，检查D触发器在一循环周期内能否翻转两次，若不能翻转，则应现检测D触发器是否已经损坏，再检查VD1、VD2、R2、R3、IC4A等元器件。
4). 接循环方式B，用万用表测量IC6的输出电压，检查挡计数器计数到“1111”，时，单稳态电路的输出是否从的电平变为高电平。如果单稳态电路的输出一直时低电平，则应测量IC6的第二脚时候一直为高电平而没有低电平触发信号，然后再检查周围相关的元器件。如果单稳态输出始终为高电平，可能是IC6的第二脚电压一直是低电平所导致，说明R20与R21的组织法选择不当。八、调式过程
搭完毕后检查是否有多线，少线错线，元器件的位置。极性是否正确，检查正确后再通电调试。三脚双色发光二级管中间的最长脚为公负极，第二长脚为红色正极，最短的脚为绿色正极。通电调试主要从以下几个方面进行：
1). 检查振荡器是否振荡。如果双色发光二级管灯亮并且左右移动，说明振荡器工作；如果双色发光二级管只有固定的一盏灯亮，则应检查振荡器是否振荡。用示波器检查振荡器的输出，或用指针式万用表直流电压挡测量振荡器输出。如果示波器能检查出振荡波形，或万用表指针左右摇摆，则说明振荡器已经工作。
2). 观察计数器能否计数，若不能计数，检查C4是否接错或已经损坏，若置数得的时间太久（LED7绿灯两地太久），则应减少C4的容量或R19的阻值。接循
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环方式C，检查计数器能否置零，若不能，检查C3，R5等元器件。
3). 接循环方式A，检查D触发器在一循环周期内能否翻转两次，若不能翻转，则应现检测D触发器是否已经损坏，再检查VD1、VD2、R2、R3、IC4A等元器件。
4). 接循环方式B，用万用表测量IC6的输出电压，检查挡计数器计数到“1111”，时，单稳态电路的输出是否从的电平变为高电平。如果单稳态电路的输出一直时低电平，则应测量IC6的第二脚时候一直为高电平而没有低电平触发信号，然后再检查周围相关的元器件。如果单稳态输出始终为高电平，可能是IC6的第二脚电压一直是低电平所导致，说明R20与R21的组织法选择不当。
搭完毕后检查是否有多线，少线错线，元器件的位置。极性是否正确，检查正确后再通电调试。三脚双色发光二级管中间的最长脚为公负极，第二长脚为红色正极，最短的脚为绿色正极。通电调试主要从以下几个方面进行：
1). 检查振荡器是否振荡。如果双色发光二级管灯亮并且左右移动，说明振荡器工作；如果双色发光二级管只有固定的一盏灯亮，则应检查振荡器是否振荡。用示波器检查振荡器的输出，或用指针式万用表直流电压挡测量振荡器输出。如果示波器能检查出振荡波形，或万用表指针左右摇摆，则说明振荡器已经工作。
2). 观察计数器能否计数，若不能计数，检查C4是否接错或已经损坏，若置数得的时间太久（LED7绿灯两地太久），则应减少C4的容量或R19的阻值。接循环方式C，检查计数器能否置零，若不能，检查C3，R5等元器件。
3). 接循环方式A，检查D触发器在一循环周期内能否翻转两次，若不能翻转，则应现检测D触发器是否已经损坏，再检查VD1、VD2、R2、R3、IC4A等元器件。
4). 接循环方式B，用万用表测量IC6的输出电压，检查挡计数器计数到“1111”，时，单稳态电路的输出是否从的电平变为高电平。如果单稳态电路的输出一直时低电平，则应测量IC6的第二脚时候一直为高电平而没有低电平触发信号，然后再检查周围相关的元器件。如果单稳态输出始终为高电平，可能是IC6的第二脚电压一直是低电平所导致，说明R20与R21的组织法选择不当。
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八、 附录
（1） CMOS中规模集成电路CMOS中规模集成电路CC4516和CC4514； （2） 双色发光二极管8个,普通二极管21个； （3） 555定时器； （4） LED显示电路； （5） 9013三极管两个；
（6） R1=R26=5.1 KΩ,R2=100 KΩ,R3=R4=R5=30 KΩ,R6=R18=R24=R25=1.2
KΩ,R7～R14=680ΩR15～R17=680Ω ,R19=4.3 KΩ,R20=5.1 KΩ,R21= R23 =11 KΩ,R22=100 KΩ,R27=510Ω,RP1=10 KΩ； （7） C1=33 uf,C2=47 uf,C3=C6=10 uf,C4=100 uf,C5=103 uf； （8） 蜂鸣器一个； （9） 振荡器一个；
（10）VCC,VDD电源，开关等诸多元器件。 （11）；压瓷陶片
（12）双色发光二极管8个,普通二极管21个； （13）555定时器； （14）LED显示电路； （15）9013三极管两个；
（16）R1=R26=5.1 KΩ,R2=100 KΩ,R3=R4=R5=30 KΩ,R6=R18=R24=R25=1.2
KΩ,R7～R14=680ΩR15～R17=680Ω ,R19=4.3 KΩ,R20=5.1 KΩ,R21= R23 =11 KΩ,R22=100 KΩ,R27=510Ω,RP1=10 KΩ； （17）C1=33 uf,C2=47 uf,C3=C6=10 uf,C4=100 uf,C5=103 uf； （18）蜂鸣器一个； （19）振荡器一个；
（20）VCC,VDD电源，开关等诸多元器件。
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九、总结语
通过这次，我对双色三循环方式彩灯控制器有一个简单的了解，对做其他电路做了铺垫，进一步掌握模拟电子技术,数字电子技术等课程的知识在本课程设计中的应用，熟悉电路的设计过程及设计方法，掌握了课程设计的基本过程和课程设计报告的撰写方法。 在课程设计的过程中，较多的时间是用来查阅资料，图书馆的资料很有限，所以一般通过网上查阅，在此查阅期间，我学会了怎样使用超星阅读器和PDF阅读器。
在调试过程中，故障是不可避免的，或者正如老师所说没有故障反而还不正常。产生故障的原因很多，情况也很复杂，有的是一种原因引起的简单故障，有的上多种原因相互作用引起的复杂故障，因此需要掌握故障的一般诊断方法，故障诊断过程就是以故障现象出发，通过反复测试，做出分析判断，逐步找出故障的过程。对于一个复杂的系统来说，要在大量的元器件和线路中迅速，准确地找出故障是见很不容易的事。要通过对原理图的分析，把系统分成不同功能的电路模块，通过逐一测量找出故障模块，然后再对故障模块内部加以测量找出故障，查找故障，分析故障和排除故障，这样可以提高我分析问题和解决问题的能力，因此，我把他看成是一次好的学习机会。
通过电子线路课程设计，我了解了电子产品设计的一般过程，掌握电子线路设计的基础方法和一般过程，能用仿真软件对电子线路进行仿真设计，能用Portel等软件绘制PCB图，掌握了电子电路调试的方法，能独立解决设计与调试过程中出现的一般问题，能正确选
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用元器件与材料，能对所设计电路的指标和性能进行测试并提出改进意见，能查阅各种有关手册和正确编写设计报告。
十、参考文献
1杨帮文. 《新型集成器件实用电路》.电子工业出版社，2006 2黄继昌.《数字集成电路应用300例》.人民邮电出版社，2002 3陈晓文.《电子线路课程设计》.电子工业出版社，2004 4杨志忠.《数字电子技术》.高等教育出版社，2003
5夏江华.《Protel DXP电路设计与制板》.北京航空航天大学出版社，2009 6马淑华、高原.《电子设计自动化》.北京邮电大学出版社，2006 7张华.《电类专业毕业设计指导》.机械工业出版社，2003
8李宏.《电力电子设备用器件与集成电路应用指南》.机械工业出版社，2001 9彭端.《应用电子技术》.机械工业出版社，2001
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