多路可编程控制器的设计与调试

在实际应用中，常常需要一种能同时控制多组开关按一定的方式闭合与断开的装置，比如显示图样不断变化的各种霓虹灯或彩灯的电源控制系统。本课题设计与制作的多路可编程控制器就具有这种功能。 1．课程设计目的①熟悉可编程控制器电路的组成与工作原理。 ②进一步熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。 ③熟悉相关集成芯片的性能、引脚功能及应用。 2．设计任务及要求①设计并制作出一种用于控制霓虹灯的控制器，它具有如下功能： >可以控制每段霓虹灯的点亮或熄灭；>每段霓虹灯的点亮与熄灭可以通过编程来实现；》每间隔一段时间，霓虹灯的图样变化一次；>图样变化的间隔时间可以调节。 ②用中、小规模集成电路组成可编程控制器，并进行组装、调试。 ③画出各单元电路图、整机逻辑框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告。 3．多路可编程控制器的基本原理及设计方法(1)霓虹灯受控显示的基本原理以背景霓虹灯的1种显示效果为例，介绍控制霓虹灯显示的基本原理。设有1排n段水平排列的霓虹灯，某种显示方式为从左到右每间隔0.2 s逐个点亮。其控制过程如下： 若以“1”代表霓虹灯点亮，以“0”代表霓虹灯熄灭，则开贻时刻，玑段霓虹灯的控制信号均为“0”；随后，控制器将1帧，z个数据送至咒段霓虹灯的控制端，其中，最左边的1段霓虹灯对应的控制数据为“1”，其余的数据均为零，即1000…000。 当咒个数据送完以后，控制器停止送数，保留这种状态（定时）0.2 s，此时，第1段霓虹灯被点亮，其余霓虹灯熄灭。随后，控制器又在极短的时间内将数据1100…000送至霓虹灯的控制端，并定时0.2 s，这段时间里前2段霓虹灯被点亮。由于送数过程很快，观测到的效果是第1段霓虹灯被点亮0.2 s后，第2段霓虹灯接着被点亮，即每隔0.2 s显示一帧图样。如此下去，最后控制器将数据1111…111送至”段霓虹灯的控制端，则咒段霓虹灯被全部点亮。只要改变送至每段霓虹灯的数据，即可改变霓虹灯的显示方式，显然，可以通过合理地组合数据（编程）来得到霓虹灯的不同显示方式。 根据设计要求，可以确定系统框图。框图中，右边的Do～D。为九个发光二极管，它们与咒段霓虹灯相对应，二极管亮，则霓虹灯亮。 (2)各单元电路设计下面介绍框图中各部分的功能与实现方法。 ①移位寄存器。移位寄存器用于寄存控制发光二极管亮、灭的数据。对应理个发光二极管，移位寄存器有，z位输出。移位寄存器的输入信号取自存储器输出的8位并行数据。为使电路简单，可以采用8位并入并出的移位寄存器，也可以采用并入串出的移位寄存器。 ②只读存储器。只读存储器内部通过编程已写入控制霓虹灯显示方式的数据。控制器每间隔一段时间（显示定时）将卵位数据送移位寄存器，所送的数据内容由存储器的地址信号确定。 存储器的容量由霓虹灯的段数、显示方式及显示方式的种类确定。咒段霓虹灯，m种显示方式（每种显示方式包含忌帧画面），要求存储器的容量为 c=k×n×m( bit) 只读存储器可以采用常用的EPROM，如2764、27128、27256、27512等，也可以采用E2 PROM以及闪存等。 ③地址计数器。地址计数器产生由低到高连续变化的只读存储器的地址。存储器内对应地址的数据被送至寄存器。地址计数器输出的位数由存储器的大小决定。64 KB容量的存储器对应的地址线为16根，因此要求16位计数器。其余可依次类推。地址计数器给出存储器的全部地址以后自动复位，重新从OOOOH歼始计数。地址计数器可以采用一般的二进制计数器，如7416、162等。 ④控制门与定时器。控制门用于控制计数脉冲是否到达地址计数器。控制门的控制信号来自定时器。定时器启动时，控制门被关闭，地址计数器停止计数，寄存器的数据被锁存，此段时间发光二极管发光。达到定时值时，定时器反相，计数器重新开始计数。控制门可以用一般的与门或者或门，定时器可以采用单稳态电路来实现，也可以用计数器实现。 ⑤长度计数器。长度计数器与地址计数器对应同一个计数脉冲。长度计数器工作时，地址计数器也在工作。计数器工作期间，存储器对应地址的数据被逐级移位至对应的寄存器。 长度计数器的计数长度为n／8，该长度恰好保证一帧图样（以位）的数据从存储器中读出送寄存器锁存。长度计数器达到长度值时自动清零，同时启动定时器工作。定时器启动期间，长度计数器与地址计数器的计数脉冲均被封闭。 长度计数器电路可依据计数的具体长度来确定。当计数长度较短时，可以采用移位寄存器来实现。 (3)实际电路及工作原理ZZTH根据上面的分析，设计出如图5 - 12所示的实用电路。该实用电路可以控制32段霓虹灯。这里用32个发光二极管代替霓虹灯。实际电路中，霓虹灯是由开关变压器提供的电源点亮的。开关变压器通过光耦进行强、弱电隔离。从寄存器输出的点亮发光二极管的驱动信号完全可以驱动开关变压器工作。 电路中的移位寄存器采用74LS374.html" target="_blank" title="74LS374">74LS374。当与11脚相连的移位脉冲产生上升沿突变时，8位数据从上至下从一个寄存器移位至另一个寄存器，构成8位并行移位电路。显然，出现在11脚的移位脉冲，一次只能有4个。 电路中的存储器采用具有8K地址的EPROM 2764。电路中2764昀最后两根地址线A，，、A，：接地。因此，实际只用到了前面2K地址的存储单元。由于只控制32段霓虹灯，它仍可以保证有足够多的显示方式。如有必要，可以通过接插的方式改变A¨、A”的电平，选择其他6K地址对应的图样。 电路中的地址计数器由3块74LS161.html" target="_blank" title="74LS161">74LS161组成，它产生11位地址数据，计数输出直接与存储器的地址线相连。 定时器采用555组成的单稳态触发器来实现，改变可变电阻VR的数值。可以改变定时器的时间，即每帧画面显示的时间。显示时间一般定在0.1～1 s之间。振荡电路采用555组成的多谐振荡器来实现，其振荡频率可以在1 kHz～l MHz之间取值。 长度计数器采用74LS194.html" target="_blank" title="74LS194">74LS194移位寄存器通过右移方式组成四进制计数器实现。每计4个数，Q。输出为1，启动定时器工作，同时将长度计数器清零。 4．可编程控制器的安装与调试安装与调试频率计所需的仪器设备有双踪示波器、音频信号发生器、逻辑笔、万用表、数字集成电路测试仪和直流稳压电源；EPROM读／写软、硬件，EPROM擦除器。 主要元器件（供参考）有触发器、计数器、寄存器、门电路、二极管显示译码器、数码管、施密特触发器、555定时器、集成稳压芯片以及二极管电阻、电客若干。制作与调试可以参考下面的步骤进行。 (1)器件检测首先，对所用器件进行检测，保证器件完好，这样可以减少因器件不良带来的各种麻烦。 (2)电路安装在印刷电路板上安装好全部器件。所需电路板可以作为电子CAD的课程设计内容，也可委托电路板厂加工。如无现成的印刷电路板，也可在插接板上安装，但由于电路连线较多，不是十分方便。 (3)检测电路检测电路主要包括以下几方面内容。 ①检测由555组成的时钟振荡器U。的输出波形，正常情况应能在U。的第3脚观测到频率为几千赫兹的矩形波。如不能观测到输出波形，则应检测555的工作状态，找到故障所在。 ②将定时器电位器VR调至最小值，用示波器观测计数脉冲的波形，如电路正常，可以得到的波形。如没有波形或波形为连续矩形波，则检测定时器U5输出端第3脚的电平。正常时可以观测到输出电平以短于1 s的时间周期跳变。如果不出现跳变，则定时器没有工作，应检测定时器与长度计数器的工作状态。通过检测各引脚电平或波形，根据电路的逻辑关系进行分析，排除故障。 ③检测存储器各地址线的电平，在低地址端应能观测到电平的跳变。如地址线电平不发生变化，则应检测由4伞74LS161.html" target="_blank" title="74LS161">74LS161构成的地址计数器工作是否正常，通过检测各IC的引脚或波形，排除故障。 ④检测寄存器74LS374.html" target="_blank" title="74LS374">74LS374各引脚电平，各电平值应与电路确定的值一致，出现异常则应找出故障所在，予以排除。 (4)排列发光二极管将32个发光二极管按自己喜欢的方式排列成一定的图形或字符。 (5)确定显示方式根据排列的图形，确定发光二极管的显示方式。 (6)确定存储器各地址对应的数据显示方式确定之后，则可确定存储器各地址对应的数据。为加深读者的认识，设发光二极管水平排列，显示方式为从左至右一个一个点亮。这种情况下，各地址对应的数据，每行第1个十六进制数为存储器的一个起始地址，其余16个数为该地址及与该地址相连的其他15个地址的数据，也用十六进制数表示。 (7)输入数据读者可以利用任何读／写EPROM的软件及相关附件将编辑好的内容固化在EPROM中。固化时，必须注意使选择的编程电压与实际存储器的编程电压一致。 (8)显示图样将EPROM插入IC插座，接通电源，即可看到发光二极管依一定的规律点亮与熄灭。观看显示方式是否与自己设计的方式一致，如不一致，找出原因。如属数据编辑错误，可改写前面的数据。EPROM具有光擦除功能，要修改内部数据，必须先用紫外线擦除器擦除后，才能重写全部内容。 一般情况下，依据上述步骤可以完成安装与调试，然后要写出设计与调试报告。 5．课程设计报告要求写出详细的总结报告。包括：题目，设计任务及要求，画出数字频率计的详细框图，电路总图，调试方法，故障分析，精度分析，有关波形以及功能评价，收获体会。