簡(jiǎn)易彩燈控制器電路課程設(shè)計(jì)

1、簡(jiǎn)易彩燈控制器電路課程設(shè)計(jì)1 目錄 摘要 . 2 第一章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) . 3 第一節(jié) 系統(tǒng)組成框圖 . 3 第二節(jié) 工作原理 . 3 第二章 元器件選擇 . 6 第一節(jié) 元器件清單 . 6 第二節(jié) 74LS194 . 7 第三節(jié) 74LS161 . 8 第四節(jié) D觸發(fā)器 . 9 第五節(jié) 555時(shí)基電路 . 11 第六節(jié) 發(fā)光二極管 . 13 第三章 模塊介紹 . 15 第一節(jié) 電源電路 . 15 第二節(jié) 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路 . 15 第三節(jié) 分頻電路的工作原理 . 16 第四節(jié) 狀態(tài)機(jī)電路 . 17 第五節(jié) 移位輸出電路 . 18 總結(jié) . 19 參考文獻(xiàn) . 20 附錄 . 21 簡(jiǎn)易彩

2、燈控制器電路 摘要 隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場(chǎng)合可以看到彩燈。在現(xiàn)實(shí)生活中，大家都見(jiàn)過(guò)霓虹燈，它們閃爍著不同顏色的光，變換這不同的花型，在夜晚很是好看。它是一種很好的照明娛樂(lè)工具。而彩燈控制器在我們?nèi)粘Ｉ钪杏兄匾倪\(yùn)用，如廣告牌的設(shè)計(jì)和節(jié)日彩燈的設(shè)計(jì)都能用到它的原理。本次設(shè)計(jì)的是簡(jiǎn)易彩燈控制器電路，采用電子元件制作的一個(gè)簡(jiǎn)易的具有四種變換花型的彩燈，但這是進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 首先要分析設(shè)計(jì)要求，（1）可以控制8個(gè)以上的彩燈；（2）可以組成四種以上花型，并且每種花型能夠連續(xù)循環(huán)兩次，各種花型輪流顯示。通過(guò)分析問(wèn)題和初步整體思考，設(shè)計(jì)如下方案：整體功能的實(shí)現(xiàn)需要以下四個(gè)模塊來(lái)實(shí)

3、現(xiàn)：它們是：時(shí)鐘振蕩電路，分頻電路，狀態(tài)機(jī)電路，移位顯示電路?；?4系列簡(jiǎn)單邏輯門(mén)電路的組合，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易電子彩燈控制器電路，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低廉的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：時(shí)鐘脈沖；分頻；雙D觸發(fā)器；移位寄存器；計(jì)數(shù)器 2 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 第一章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 第一節(jié) 系統(tǒng)組成框圖 把四花型彩光燈設(shè)計(jì)分為幾個(gè)獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊完成特定的功能，再它們有機(jī)的組織起來(lái)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)完成彩燈控制器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可由四個(gè)模塊組成。它們分別為：時(shí)鐘振蕩電路，555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器；分頻電路，由四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74LS161組成， 為D 觸發(fā)器提供時(shí)鐘；狀態(tài)機(jī)電路，由雙 D 觸發(fā)器組成；

4、移位顯示電路，由雙向移位寄存器 74194 和發(fā)光二極管組成，實(shí)現(xiàn)花型顯示。 如下圖： 圖1-1 系統(tǒng)組成框圖 第二節(jié) 工作原理 由555定時(shí)器構(gòu)成的時(shí)鐘振蕩電路產(chǎn)生固定頻率的脈沖，一方面 3 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 作用于由74161組成的分頻電路，一方面作用于由74F194構(gòu)成的移位輸出電路，為他們提供時(shí)鐘信號(hào)。由于74161是16分頻計(jì)數(shù)器，故每十六個(gè)脈沖74LS161進(jìn)位一次,致使觸發(fā)器U1A翻轉(zhuǎn)一次，而觸發(fā)器U2A的3腳連接的是觸發(fā)器U1A的5腳，實(shí)現(xiàn)了U1A的16分頻和U2A的32分頻。所以平均U1A翻轉(zhuǎn)兩次而U2A翻轉(zhuǎn)一次。集成移位寄存器74194由個(gè)RS觸發(fā)器及他們的輸入控制電路組

5、成，其中1和0是兩個(gè)控制輸入端。雙觸發(fā)器的輸出端改變0,1的值，實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)控制?？山M成U1A左移，U2A右移；U1A右移，U2A右移；U1A左移，U2A左移；U1A右移，U2A左移四種花型。每十六個(gè)脈沖每種花型恰好循環(huán)兩次，而此時(shí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為下一種花型。四種花型如下： 花型一：四個(gè)燈為一組，兩組均從右向左亮起，再?gòu)挠蚁蜃鬁绲簟?花型二：四個(gè)燈為一組，兩組均向中間亮起，再?gòu)膬蛇呄蛑虚g滅掉。 花型三：四個(gè)燈為一組，兩組均從左向右亮起，再?gòu)淖笙蛴覝绲簟?花型二：四個(gè)燈為一組，兩組均從中間向兩邊亮起，再?gòu)闹虚g向兩邊滅掉。 表1-1 4 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 圖1-2 設(shè)計(jì)原理圖 5 簡(jiǎn)易彩燈控制

6、器電路 第二章 元器件選擇 第一節(jié) 元器件清單 6 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 第二節(jié) 74LS194 74LS194引腳圖如下： 圖2-1方框符號(hào) 圖2-2 拐角符號(hào) 集成移位寄存器74194由4個(gè)RS觸發(fā)器及它們的輸入控制電路組成。其中兩個(gè)控制輸入端M1、M0的狀態(tài)組合可以完成4種控制功能，其中左移和右移兩項(xiàng)是指串行輸入，數(shù)據(jù)是分別從左移輸入端Dsl和右移輸入端DsR送入寄存器的。RD為異步清零輸入端。 7 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 表2-2 74LS194真值表 由上功能表知，第1行表示寄存器異步清零；第2行表示當(dāng)RD=1，CP=1(或0)時(shí)，寄存器處于原來(lái)狀態(tài)；第3行表示為并行輸入同步預(yù)置數(shù)；第4、

7、5行為串行輸入左移；第6、7行為串行輸入右移；第8行為保持狀態(tài)。 第三節(jié) 74LS161 74LS161的引腳圖如下： 圖2-3 74LS161引腳圖 8 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 74LS161功能表如下所示： 表2-3 74LS161功能表 第四節(jié) D觸發(fā)器 D觸發(fā)器的引腳如下圖： 圖2-4是D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)，從圖2-4可看出CP是上升沿有效，當(dāng)然，D觸發(fā)器還有CP下降沿有效的，如圖2-4（b）所示。 （a） (b) 圖2-4 維持阻塞D觸發(fā)器邏輯符號(hào) 9 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 此表為D觸發(fā)器的特征表，特征表就是Qn將也作為真值表的輸入變量，而Qn+1為輸出，此時(shí)的真值表稱為特征表。有特征表可得

8、特征方程：Qn+1=D 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時(shí)序圖 維持阻塞D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2-5所示，圖（a）為狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，圖(b)為時(shí)序圖。 （a） (b) 圖2-5 D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時(shí)序圖 10 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 第五節(jié) 555時(shí)基電路 - 圖2-6 555時(shí)基電路的電路結(jié)構(gòu)及引腳圖 上圖為555時(shí)基電路的電路結(jié)構(gòu)和8引腳雙列直插式的引腳圖，由 11 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 圖可知555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個(gè)部分組成。它的各個(gè)引腳功能如下： 1腳：GND（或Vss）外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。 8腳：VCC（或VDD）外接電源VCC，雙極型

9、時(shí)基電路VCC的范圍是 4.516V,CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為318V。一般為5V。 3腳：OUT（或Vo）或輸出端。 2腳：TR低觸發(fā)器。 6腳：TH高觸發(fā)器。 4腳：R是直接清零端。當(dāng)R端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。 5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01mF電容接地，以防引入干擾。 7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。電阻分壓器由三個(gè)5K的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓

10、，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號(hào)；低電平觸發(fā)信號(hào)加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號(hào)?；綬S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。 在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器C1、C2基準(zhǔn)電壓分別為2/3Vcc，1/3Vcc的情況下，555時(shí)基電路的功能表如下表所示： 12 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 表2-5 555時(shí)基電路的功能表 第六節(jié) 發(fā)光二極管 它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)ED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有

11、單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中國(guó)電子和空穴多處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。 發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性很陡，使用時(shí)必須串聯(lián)限流電阻以控制通過(guò)管子的電流。 圖2-7 發(fā)光二極管 13 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。 發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片

12、，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。 14 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 第三章 模塊介紹 第一節(jié) 電源電路 Vi 圖3-1 電源電路 如圖2-2所示，電源電路是由220V工頻電源，RC濾波電路，變壓器，橋式整流電路

13、，NPN管，穩(wěn)壓管，濾波電容組成。電源電路本可以采用兩種方法實(shí)現(xiàn)，第一種方法是通過(guò)電池供電，但是考慮到需要選擇合適電池的指標(biāo)參數(shù)與電路相匹配，故不如利用現(xiàn)成的電網(wǎng)供電更方便。如圖7采用220V電網(wǎng)電源，先經(jīng)過(guò)熔斷器以防止電路出現(xiàn)短路對(duì)其他元件造成損害。然后與一個(gè)RC濾波電路相連進(jìn)行第一次濾波。這是考慮到電網(wǎng)電壓中實(shí)際上含有一定成分的高次諧波，因此先行濾波再用變壓器變壓。變壓后經(jīng)過(guò)橋式整流電路，C5電容濾波后電壓相對(duì)穩(wěn)定。此時(shí)經(jīng)過(guò)7.5V穩(wěn)壓管分壓，BG4的B4為7.5V，C極為12V，由此可推出BG4導(dǎo)通，E極為6.8V。再經(jīng)過(guò)C3、C4的高頻及低頻濾波，最終給其他電路輸出一個(gè)6.8V的直流電

14、源。 第二節(jié) 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路 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。電路圖如圖4.1所示: 15 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 圖3-2 由555定時(shí)器構(gòu)成的多謝振器 接通電源后，電容5被充電，當(dāng)管腳處的電壓上升到cc/3時(shí)，使o為低電平，同時(shí)放電三極管導(dǎo)通，此時(shí)電容通過(guò)和放電，c下降。當(dāng)c下降掉cc/3時(shí)，o翻轉(zhuǎn)為高電平。振蕩器的振蕩頻率為1.43/(R1+R2+R2)C5。 第三節(jié) 分頻電路的工作原理 圖3-3 74LS161引腳圖 74LS161是4位二進(jìn)制同步加計(jì)時(shí)器。其中1腳是異步清零端，9腳 16 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 是預(yù)置控制端，P0,P1,P2,P3是預(yù)置數(shù)

15、據(jù)輸入端，RCO是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，7和10腳是計(jì)數(shù)控制端。(1)異步清零：當(dāng)1腳接低電平時(shí)，不管其他輸入的狀態(tài)如何，計(jì)數(shù)器直接清零。(2)同步并行預(yù)置數(shù)；在1腳接高電平的條件下，當(dāng)9腳接低電平且有時(shí)鐘脈沖時(shí)P0,P1,P2,P3輸入端的數(shù)據(jù)分別被Q0,Q1,Q2,Q3所接收。(3)保持：1和9腳同時(shí)接高電平，兩個(gè)記數(shù)使能端有一個(gè)接低電平時(shí)，不管有無(wú)脈沖，記數(shù)器都保持原狀態(tài)不變。(4)記數(shù)：當(dāng)1,7,9,10管腳都接高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器處于記數(shù)狀態(tài)。當(dāng)時(shí)鐘電路產(chǎn)生16個(gè)脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)位端進(jìn)1，促使D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)或截止。 第四節(jié) 狀態(tài)機(jī)電路 圖3-4 狀態(tài)機(jī)電路圖 狀態(tài)機(jī)電路由兩個(gè)觸發(fā)器組成。觸發(fā)器U

16、1A的腳與觸發(fā)器的U2A的3腳連接，從而實(shí)現(xiàn)U1A的16分頻和U2A的32分頻。觸發(fā)器為上升沿出發(fā)，當(dāng)脈沖由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。本電路中，假設(shè)開(kāi)始時(shí)U1A的腳為高電平，則U2A的3腳也為高電平，分頻電路16拍進(jìn)位一次，促使觸發(fā)器U1A發(fā)生翻轉(zhuǎn)使腳變?yōu)榈碗娖絼tU2A的3腳也變?yōu)榈碗娖?。?dāng)分頻電路經(jīng)過(guò)第二個(gè)16拍時(shí)，再次進(jìn)位，U1A的腳為高電平而此時(shí)U2A的2腳也再次變?yōu)楦唠姡诉^(guò)程中U2A經(jīng)歷 17 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 了一個(gè)上升沿觸發(fā)，翻轉(zhuǎn)一次，從而實(shí)現(xiàn)四種花型的輪流變換。 第五節(jié) 移位輸出電路 圖3-5 移位輸出電路電路圖 集成移位寄存器74194由4個(gè)RS觸發(fā)器及他們的輸入

17、控制電路組成，其中1和0是兩個(gè)控制輸入端,A、B、C、D是并行輸入端。如表所示，他們的狀態(tài)組合可以完成四種控制功能，其中左移和右移兩項(xiàng)是串行輸入，數(shù)據(jù)是分別從左移輸入端7引腳和右移輸入端2引腳送入寄存器中的。1引腳為異步清零。如圖U1B,本電路中要求移位過(guò)程中數(shù)據(jù)不丟失，故采用將移位寄存器的最高位輸出端12腳和最低位輸入端2引腳連接以及讓移位寄存器的最低位輸出端15引腳和最高位輸入端7引 腳連接。，形成環(huán)形計(jì)數(shù)器。從而實(shí)現(xiàn)四種花型的循環(huán)輸出。 表3-1 74194雙向移位寄存器控制端的邏輯功能 18 簡(jiǎn)易彩燈控制器電路 總結(jié) 這一周的課程設(shè)計(jì)，在老師的指導(dǎo)下，我收獲很多很多，不僅加深了對(duì)書(shū)上及

18、老師所講的知識(shí)的理解，而且還擴(kuò)展了我的思維能力和創(chuàng)造設(shè)計(jì)能力。在這次電路的學(xué)習(xí)和研究中我學(xué)到了許多在書(shū)上學(xué)不到的東西。 我們知道，設(shè)計(jì)電路關(guān)鍵在于對(duì)設(shè)計(jì)要求的理解分析以及對(duì)基本電路相關(guān)知識(shí)的熟練掌握。設(shè)計(jì)電路時(shí)，將總體的功能分成若干個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，是簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)思路的很好方法；且搞清各個(gè)模塊的功能與實(shí)現(xiàn)要求操作的具體方法，對(duì)電路故障的檢查也是很有幫助。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多東西，如查找資料，設(shè)計(jì)比較，Protel軟件制圖，整理資料。 另外，從這次課程設(shè)計(jì)中，我還發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足，如對(duì)課本知識(shí)的疏忽和理解不透徹，以前只注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，認(rèn)為只要理論知識(shí)學(xué)好就可以了，但這次課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)后我深深地體會(huì)到自己學(xué)的東西是多么的少，只學(xué)習(xí)理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，他只是一部分，還要理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)踐中運(yùn)用才是最重要的，同時(shí)在實(shí)踐在加以運(yùn)用也是我們的目的，所以在以后的學(xué)習(xí)中，我要更加好好學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，并與實(shí)踐相結(jié)合，為以后的學(xué)習(xí)工作打好良好的基礎(chǔ)。 19 簡(jiǎn)