節(jié)日彩燈控制器設(shè)計(jì).doc

第1章 緒論彩燈是我國普遍流行的傳統(tǒng)的民間的綜合性的工藝品。彩燈藝術(shù)也就是燈的綜合性的裝飾藝術(shù)。新中國成立后，彩燈藝術(shù)得到了更大的發(fā)展，特別是隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，彩燈藝術(shù)更是花樣翻新，奇招頻出，傳統(tǒng)的制燈工藝和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，將電子、建筑、機(jī)械、遙控、聲學(xué)、光導(dǎo)纖維等新技術(shù)、新工藝用于彩燈的設(shè)計(jì)制作，把形、色、光、聲、動(dòng)相結(jié)合，思想性、知識(shí)性、趣味性、藝術(shù)性相統(tǒng)一。在當(dāng)今的社會(huì)里，彩燈已經(jīng)成為我們生活的一部分，能給我們帶來視覺上的享受還能美化我們的生活。1.1 彩燈控制器概述彩燈控制器主要是通過電路產(chǎn)生有規(guī)律變化的脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)彩燈的各種變化。它的主要器件是寄存器。現(xiàn)如今寄存器是數(shù)字系統(tǒng)常見的重要部件，除在計(jì)算機(jī)中廣泛用于存放中間數(shù)據(jù)外，它在其他方面的應(yīng)用，目前在教材中只介紹可構(gòu)成環(huán)形或扭環(huán)形計(jì)數(shù)器。本次實(shí)驗(yàn)由于觸發(fā)器具有記憶的功能，所以將移位寄存器設(shè)計(jì)成彩燈控制電路。由于電路本身實(shí)用，如果再通過計(jì)算機(jī)仿真，就可以直觀地看到循環(huán)彩燈控制效果。如果稍微改動(dòng)控制電路，就可以改變電路的不同工作狀態(tài)，控制彩燈變幻出不同的閃爍效果。1.2 彩燈控制技術(shù)狀況彩燈控制電路是由單元電路組合而成的，主要由555振蕩電路產(chǎn)生一矩形脈沖，在經(jīng)74LS93分頻后得到四路分頻信號(hào)，由74LS7474LS153組成的電子開關(guān)去控制這四路分頻信號(hào)，進(jìn)而控制彩燈亮滅的順序，從而出現(xiàn)彩燈四種花樣自動(dòng)切換。1.3 本設(shè)計(jì)任務(wù)運(yùn)用555定時(shí)器，模十六計(jì)數(shù)器74LS161，雙D觸發(fā)器74LS74，四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153，八位移位寄存器74LS164等電路元件組成彩燈控制電路，并用Proteus等軟件仿真。第2章 總體方案設(shè)計(jì)與論證通過查閱大量相關(guān)技術(shù)資料，并結(jié)合自己的實(shí)際知識(shí)，我主要提出了兩種技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面我將首先對(duì)這兩種方案的組成框圖和實(shí)現(xiàn)原理分別進(jìn)行說明，并分析比較它們的特點(diǎn)，然后闡述我最終選擇方案的原因。2.1 方案比較方案一只能實(shí)現(xiàn)稍微比較簡單的一些功能，能達(dá)到預(yù)期目的。結(jié)構(gòu)較單一，為了更好的了解所學(xué)知識(shí)，鞏固已學(xué)知識(shí)選擇方案二，它能很好的完成任務(wù)211 方案一方案一原理框圖如圖2-1所示。分頻計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)選擇器移動(dòng)寄存器輸出開關(guān)電路圖2-1 方案一的原理框圖方案一：用模十六計(jì)數(shù)器74LS161的輸出端的最高位QD作為雙D觸發(fā)器的時(shí)鐘，可以只用一個(gè)555定時(shí)器。計(jì)數(shù)器每計(jì)八個(gè)數(shù)，QD由低電平變?yōu)楦唠娖?，雙D觸發(fā)器的狀態(tài)改變，四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153選擇下一種碼輸出，彩燈變?yōu)榱硪环N花樣，以后四種花樣循環(huán)改變，變化比較單一。212 方案二方案二原理框圖如圖2-2所示。圖2-2 方案二的原理框圖方案二：彩燈控制器原理框圖如圖2-2所示。用555構(gòu)成多諧振蕩器。用4位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS93接成16進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其4個(gè)輸出端可以分別輸出對(duì)計(jì)數(shù)脈沖的2、4、8、16分頻信號(hào)。用雙D觸發(fā)器74LS74接成2進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。數(shù)據(jù)選擇器由雙4選174LS153構(gòu)成，并且只用它的一組4選1數(shù)據(jù)通道。移位寄存器選擇八位74LS164，它是產(chǎn)生移動(dòng)燈光信號(hào)的核心器件。2.2 方案論證如果按方案一連接電路，彩燈無法完成第四種花樣（依次點(diǎn)亮，依次熄滅），只能完成一半，依次點(diǎn)亮或依次熄滅，部分實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。2.3 方案選擇結(jié)合我們已學(xué)知識(shí)，為使實(shí)驗(yàn)更加成功，我覺得更適合做方案二，而不采用方案一。第3章 單元模塊設(shè)計(jì)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及各個(gè)單元模塊之間的聯(lián)接關(guān)系；同時(shí)本節(jié)也會(huì)對(duì)相關(guān)電路中的參數(shù)計(jì)算、元器件選擇、以及核心器件進(jìn)行必要說明。3.1 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要分為3個(gè)單元模塊，它們分別是：時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路模塊、彩燈開關(guān)電路模塊和花樣輸出電路模塊。各單元模塊功能及相關(guān)電路的具體說明如下。3.1.1 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路模塊設(shè)計(jì)用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個(gè)周期性的矩形脈沖,其周期為:T=0.7(R1+2R2)C(3-1)要用兩個(gè)555產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)鐘脈沖,一個(gè)控制74LS161模十六計(jì)數(shù)器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動(dòng),其周期設(shè)為1秒左右, 電阻值和電容值可設(shè)為：R1=1K ， R2=51K ， C=0.01F由公式（3-1）計(jì)算得：T=0.721S電路圖如圖3-1所示:圖3-1 時(shí)鐘電路另一個(gè)555產(chǎn)生的矩形脈沖控制彩燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,其周期設(shè)為模十六計(jì)數(shù)器的20倍,改變R1、R2的阻值即可，可設(shè)為：R1=1K ， R2=1M ，C=0.01F由公式（3-1）計(jì)算得：T=14.42S3.1.2 彩燈開關(guān)電路模塊設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)彩燈四花樣的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，就要使四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153循環(huán)地輸出Z1、Z2、Z3、Z4。使雙D觸發(fā)器的輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的兩個(gè)地址輸入端，雙D觸發(fā)器能產(chǎn)生00、01、10、11這四鐘循環(huán)的狀態(tài)，從而使選擇器循環(huán)的選擇一種碼輸出，實(shí)現(xiàn)彩燈的四花樣循環(huán)。IC2、IC4、IC5共同組成了一個(gè)電子開關(guān)。IC2輸出的計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)IC4兩位二進(jìn)制計(jì)數(shù)，在IC4的兩個(gè)輸出端共可得到“00”“11”4個(gè)邏輯狀態(tài)。這4個(gè)狀態(tài)作為IC5的4個(gè)數(shù)據(jù)通道選擇信號(hào)，對(duì)應(yīng)從IC3輸送到IC5的QA、QB、QC、QD4個(gè)分頻信號(hào)。其作用相當(dāng)于一個(gè)受控的一刀四位的機(jī)械轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)IC4輸出為“00”時(shí)，選通IC5的腳；為“01”時(shí)，選定IC5的腳。調(diào)節(jié)RW2改變IC2的輸出脈沖周期，可以改變開關(guān)的切換時(shí)間，用以選擇每種花樣出現(xiàn)時(shí)間的長短開關(guān)電路圖如圖3-2所示：圖3-2 開關(guān)電圖令Q1Q2=AB，74LS153數(shù)據(jù)選擇器的功能表如圖3-3所示圖3-3 數(shù)據(jù)選擇器功能表由表3-3可知，數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端A、B循環(huán)轉(zhuǎn)變，輸出端1Y循環(huán)選擇四種碼Z1、Z2、Z3、Z4輸出，使彩燈的四花樣自動(dòng)循環(huán)改變。3.1.3 花樣輸出電路模塊設(shè)計(jì)輸出電路由八位移位寄存器74LS164、八個(gè)彩燈和八個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻構(gòu)成（如圖3-4所示）。寄存器的數(shù)據(jù)輸入端接收開關(guān)電路輸出的四種碼，這四種碼在移位寄存器的八位并行輸出端從QA向QH移動(dòng)，輸出四種彩燈花樣。圖3-4 輸出電路驅(qū)動(dòng)電路用8只三極管組成8路射隨器作緩沖放大，去觸發(fā)作電流開關(guān)的8只雙向可控硅，以控制彩燈發(fā)光。電路的十5V電源由220V9V變壓器降壓，經(jīng)D1一D4橋式整流，7805穩(wěn)壓后給控制電路供電。從IC5第腳輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)送到IC6的輸入端第腳，在時(shí)鐘脈沖作用下，數(shù)據(jù)在IC6的8位并行輸出端從Q0一Q7順序移動(dòng)。這一移動(dòng)的8位控制信號(hào)經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路去推動(dòng)8路彩燈，就出現(xiàn)了8路4花樣自動(dòng)循環(huán)切換的流水彩燈。當(dāng)輸入移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端的碼為10000000時(shí)，清零后在移位脈沖CP的作用下，寄存器數(shù)碼移動(dòng)情況如圖3-5所示CPRiQAQBQCQDQEQFQGQH111000000 02001000000300010000 0400 00100005000001000600000010070000000108000000001圖3-5 寄存器數(shù)碼移動(dòng)情況表由表3-5可看出，輸入碼中的那位高電平“1” 從寄存器的輸出端QA經(jīng)八個(gè)移位脈沖CP作用后逐漸到了QH，使輸出端所連接的彩燈依次點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)了彩燈依次點(diǎn)亮的花樣。當(dāng)輸入另外的三種碼時(shí)，寄存器的數(shù)碼移動(dòng)原理相似，所以就不累贅了。3.2功能器件的介紹本系統(tǒng)中主要使用了如下一些功能器件：555定時(shí)器、8位移位寄存器74LS164、雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153。下面就這些器件的功能特點(diǎn)、主要參數(shù)和使用方法作相應(yīng)說明。3.2.1 555定時(shí)器如圖3-6所示：圖3-6 555定時(shí)器由于555定時(shí)器內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。555定時(shí)器有二個(gè)比較器A1和A2，有一個(gè)RS觸發(fā)器，R和S高電平有效。三極管VT1對(duì)清零起跟隨作用，起緩沖作用。三極管VT2是放電管，將對(duì)外電路的元件提供放電通路。比較器的輸入端有一個(gè)由三個(gè)5kW電阻組成的分壓器，由此可以獲得 和 兩個(gè)分壓值，一般稱為閾值。555定時(shí)器的1腳是接地端GND，2腳是低觸發(fā)端TR，3腳是輸出端OUT，4腳是清除端R，5腳是電壓控制端CV，6腳是高觸發(fā)端TH，7腳是放電端DC，8腳是電源端VCC。555定時(shí)器的輸出端電流可以達(dá)到200mA，因此可以直接驅(qū)動(dòng)與這個(gè)電流數(shù)值相當(dāng)?shù)呢?fù)載，如繼電器、揚(yáng)聲器、發(fā)光二極管等。3.2.2 8位移位寄存器74LS164芯片管腳圖如圖3-7所示：圖3-7 74LS164移位寄存器主要參數(shù)及特點(diǎn)1. 串行輸入帶鎖存 2. 時(shí)鐘輸入,串行輸入帶緩沖 3. 異步清除 4. 最高時(shí)鐘頻率可高達(dá)36Mhz 5. 功耗：10mW/bit 6. 74系列工作溫度： 0C to 70C 7. Vcc最高電壓：7V 8. 輸入最高電壓：7V 9. 最大輸出驅(qū)動(dòng)能力： 10. 高電平：0.4mA 11. 低電平：8mA 移位寄存器屬于同步時(shí)序電路，在同一時(shí)鐘脈沖作用下，可以將