四花樣彩燈控制器

1、課程設計說明書課程設計名稱： 數字電路課程設計 課程設計題目： 四花樣彩燈控制器 學 院 名 稱 ： 信息工程學院 專業(yè)： 通信工程 班級： * 學號： * 姓名： * 評分： 教師： * 20 年 月 日 數字電路 課程設計任務書20 20 學年 第 學期第 周 周 題目四花樣彩燈控制器內容及要求1)彩燈一亮一滅,從左向右移動；2)彩燈兩亮兩滅，從左向右移動；3)四亮四滅，從左向右移動；4)從18從左到右逐次點亮，然后逐次熄滅；5)四種花樣自動變換。進度安排學生姓名： 指導時間： 指導地點：任務下達*年*月*日任務完成*年*月*日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4.其它指導教師*系

2、（部）主任*注：1、此表一組一表二份，課程設計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課程設計結束后與“課程設計小結”、“學生成績單”一并交院教務存檔。摘要本次課程設計應用了彩燈控制器的原理，主要采用74LS93模十六計數器和555多諧振蕩器，實現了四花樣自動循環(huán)變換。首先要分析設計要求，從要實現四花樣入手推導出要使用的芯片。可通過八位右移寄存器74LS164實現八個彩燈的向右移動，從它的右移輸入端輸入四種碼來實現它的四種花樣。根據四種花樣來確定這四種碼，而這四種碼可通過模十六計數器74LS93產生。要實現彩燈的自動轉換，把四種碼輸入四選一數據選擇器74LS153的四個輸入端，它的地址輸

3、入端接雙D觸發(fā)器74LS74的兩個輸出端，74LS74可產生四種循環(huán)的狀態(tài)，從而實現彩燈的自動轉換。時鐘信號由兩個555產生，一個產生周期為0.721秒的矩形脈沖控制模十六計數器74LS93和八位右移寄存器74LS164,另一個產生周期為14.01秒的脈沖控制雙D觸發(fā)器。當彩燈完成一種花樣時，雙D觸發(fā)器輸出狀態(tài)改變，數據選擇器選擇另一種碼輸出，彩燈變?yōu)橄乱环N花樣，直到完成四種花樣再循環(huán)變化。關鍵詞：彩燈控制器、移位寄存器、數據選擇器、時鐘脈沖、自動轉換目錄前言1第一章 設計內容及要求21.1 設計內容21.2 設計要求21.3 主要參考元器件2第二章 系統組成及工作原理32.1 系統組成框圖3

4、2.2 工作原理分析3第三章 硬件電路設計方案53.1 方案一53.2 方案二63.3 單元電路設計，參數計算及器件選擇73.3.1 時序脈沖電路73.3.2 四種碼產生電路93.3.3 彩燈自動轉換電路123.3.4 整機電路分析15第四章 軟件設計仿真164.1 電路仿真圖16第五章 實驗、調試和測試結果與分析195.1 電路的焊接和安裝195.2 電路的調試19第六章 結論22參考文獻23附錄A 花樣彩燈控制器原理總圖24附錄B 各個芯片的管腳功能圖25附錄C 元器件清單26前言彩燈控制器有著非常廣泛的運用，如：LED彩燈，音樂彩燈控制器，二維彩燈控制器等等。隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和

5、美化，在許多場合可以看到彩色霓虹燈。LED彩燈由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價以及控制簡單等特點而得到了廣泛的應用，城市景觀、風景名勝、道路橋梁、建筑輪廓、娛樂場所、戶外廣告、室內裝飾等美化、亮化工程，用彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經成為一種時尚。二維彩燈控制器可控制五路彩燈逐行遞增點亮，再逐行遞減熄滅。若將一定數量的彩色燈組合聯接，就能營造出平面上色彩變化的場景，這比通常控制一條線上的色彩流動更加豐富絢麗?？刂破鞑捎脭底旨蓧K，外圍元器件少、電路結構簡單，只要元器件完好、裝接無誤，裝后無須調試即可一舉成功。音樂彩燈控制器是專用于卡拉ok廳 KTV包房的彩燈控制設備，其最大優(yōu)點是不與電視音響等

6、設備有任何連接，本設備通過檢測包房里的環(huán)境音頻信號強弱來控制通過彩燈的電流大小（即亮暗程度）來烘托娛樂的興趣的目的，也就是隨著聲音的大小而使彩燈閃爍，歌聲和彩燈一起跳動，從而讓唱歌人激情高漲，留連忘返。本次實驗主要研究的是四花樣彩燈控制器，應用的是數字邏輯電路的有關知識，是進行復雜設計的基礎，對進行復雜彩燈設計具有指導意義。第一章 設計內容及要求1.1 設計內容 設計一四花樣自動切換的彩燈控制器。1.2 設計要求 (1)彩燈一亮一滅,從左向右移動。 (2)彩燈兩亮兩滅，從左向右移動。 (3)四亮四滅，從左向右移動。 (4)從18從左到右逐次點亮，然后逐次熄滅。 (5)四種花樣自動變換。1.3

7、主要參考元器件芯片：555定時器，模十六計數器74LS93，雙D觸發(fā)器74LS74，四選一數據選擇器74LS153，八位移位寄存器74LS164。第二章 系統組成及工作原理2.1 系統組成框圖數據輸出電路時鐘電路四種碼產生電路 自動轉換控制電路時鐘電路圖2.1 系統組成框圖各模塊的組成及功能分析：1.時鐘電路：由兩個555和電阻電容組成，構成兩個多諧振蕩器，一個周期為0721秒，控制計數器和寄存器，另一個周期為14.01秒，控制雙D觸發(fā)器。2.四種碼產生電路:由模十六計數器74LS93產生四種碼。3.自動轉換控制電路：由雙D觸發(fā)器74LS74和四選一數據選擇器74LS153組成，雙D的兩輸出端

8、接數據選擇器的地址輸入端，它能產生兩位循環(huán)二進制碼，每改變一種狀態(tài)，數據選擇器選擇一種碼輸出，使彩燈花樣自動循環(huán)。4.數據輸出電路：由八位移位寄存器74LS164和八個彩燈組成，選擇輸出的每一種碼輸入到寄存器的數據輸入端，使碼在寄存器的八個輸出端自左向右移動，實現彩燈的花樣。2.2 工作原理分析從多諧振蕩器出來的脈沖信號分為兩路：一路作為計數脈沖送到模十六計數器；另一路做為移位時鐘脈沖加到移位寄存器。調節(jié)多諧振蕩器的電阻可以改變震蕩頻率，即改變彩燈移動的速度，得到不同的動態(tài)效果。多諧振蕩器、雙D觸發(fā)器、數據選擇器共同組成一個電子開關。多諧振蕩器輸出的計數脈沖經雙D觸發(fā)器兩位二進制計數器，在它的

9、兩個輸出端得到00、01、10、11四種邏輯狀態(tài)。這四個狀態(tài)作為數據選擇器的四個數據通道選擇信號，對應從模十六計數器輸送到數據選擇器的QA，QB，QC，QD四個分頻信號。其作用相當于一個受控的一刀四位的機械轉換開關。當雙D觸發(fā)器輸出為“00”時，數據選擇器輸出10000000序列脈沖，為八分頻信號，實現花樣一；為“10” 時，數據選擇器輸出11000000序列脈沖，為八分頻信號，實現花樣二；為“01” 時數據選擇器輸出11110000序列脈沖，為八分頻信號，實現花樣三；為“11” 時數據選擇器輸出1111111100000000序列脈沖，為十六分頻信號，實現花樣四。調節(jié)開關電路的CP脈沖產生電

10、路的電阻，可以改變開關的切換時間用以選擇每種花樣出現時間的長短。數據選擇器的輸出端接移位寄存器的輸入端，在時鐘脈沖的作用下，數據在移位寄存器的八位并行輸出端從Q0到Q7順序移動。移動的八位控制信號直接控制發(fā)光二極管的亮滅，就出現了八路四花樣自動循環(huán)切換的流水彩燈。第三章 硬件電路設計方案3.1 方案一用多諧振蕩器的輸出端作為雙D觸發(fā)器的時鐘。計數器每計八個數，QD由低電平變?yōu)楦唠娖?，雙D觸發(fā)器的狀態(tài)改變，四選一數據選擇器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。如圖3.1所示。 圖3.1 方案一由兩個多諧振蕩器輸出脈沖信號，從一個多諧振蕩器出來的脈沖信號分為兩路

11、：一路作為計數脈沖送到模十六計數器的時鐘脈沖CP端；數據從74LS161十六位計數器的輸出端QA，QB，QC，QD輸出，經過與門和非門用來控制和改變74LS161輸出的數據，最終輸入到四選一數據選擇器74LS153的數據輸入端1C0，1C1，1C2，1C3。另一路做為移位時鐘脈沖加到移位寄存器的時鐘脈沖信號輸入端。調節(jié)多諧振蕩器的電阻可以改變震蕩頻率，即改變彩燈移動的速度，得到不同的動態(tài)效果。從另一個多諧振蕩器出來的脈沖信號，輸出到雙D觸發(fā)器的時鐘信號輸入端，由雙D觸發(fā)器實現四分頻，用雙D觸發(fā)器的輸出端Q1、Q2控制選擇器的地址輸入端，使數據選擇器自動選擇一種碼輸出，實現彩燈花樣的自動控制。然

12、后，從輸出端輸出到四選一選擇器的輸入端A，B。從四選一選擇器的輸出端輸出到八位寄存器的輸入端，寄存器的數據輸入端接收開關電路輸出的四種碼，這四種碼在移位寄存器的八位并行輸出端從QA向QH移動，輸出四種彩燈花樣。此方案會使彩燈花樣一（或花樣二）每次循環(huán)時只有一個（或兩個）燈亮，符合設計要求。3.2 方案二彩燈控制器電原理圖如圖3.2所示。該電路由兩個NE555接成多諧振蕩器， 4位2進制計數器74LS93接成16進制計數器，其4個輸出端可分別輸出對計數脈沖的2、4、8、16分頻信號，雙D觸發(fā)器74LS74接成兩位2進制加法計數器，雙4選l數據選擇器74LSl53只用其一組4選1數據通道，3位單向

13、移位寄存器74LSl64是產生移動燈光信號的核心器件。如圖3.2所示。圖3.2 方案二從上面A2的OUT端出來的脈沖信號分為兩路：一路作為計數脈沖送到U3的14腳；另一路作為移位時鐘脈沖加到U1的8腳。調節(jié)R2改變A2的振蕩頻率，可以改變燈光的移動速度，以得到不同的動態(tài)效果。A1、U2A、U2B共同組成了一個電子開關。A1輸出的計數脈沖經U2A、U2B兩位二進制計數，在U2A、U2B的兩個輸出端共可得到“00”“11”4個邏輯狀態(tài)。這4個狀態(tài)作為U4的4個數據通道選擇信號，對應從A2輸送到U3的QA、QB、QC、QD4個分頻信號。其作用相當于一個受控的一刀四位的機械轉換開關。當U2A、U2B輸

14、出為“00”時，選通U4的6腳；為“01”時，選定U4的5腳；為“10”時，選定U4的4腳；為“11”時，選定U4的3腳。調節(jié)R5改變A1的輸出脈沖周期，可以改變開關的切換時間，用以選擇每種花樣出現時間的長短。從U4的7腳輸出的數據信號送到U1的輸入端，在時鐘脈沖作用下，數據在U1的8位并行輸出端從Q0一Q7順序移動。這一移動的8位控制信號經功率驅動電路去推動8路彩燈，就出現了8路4花樣自動循環(huán)切換的流水彩燈。此方案會使彩燈花樣一（或花樣二）每次循環(huán)時依次有一個（或兩個）燈亮，每次總共有四個燈亮，也符合設計要求。方案比較：方案一和方案二在花樣一和花樣二的功能上雖然不盡相同，但都基本符合設計要求

15、，然而方案一相對來說所用元件比方案二更多，電路更為復雜，所以選用方案二。3.3 單元電路設計，參數計算及器件選擇3.3.1 時序脈沖電路時鐘脈沖產生電路由NE555定時器、兩個電阻和兩個電容構成。555定時器是一種多用途的數字模擬混合集成電路，利用它可以方便的構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，由于使用靈活、方便，所以555定時器再波形的產生與變換、測量與控制等多種領域都得到廣泛應用。時鐘脈沖產生電路主要由555定時器芯片來實現，555芯片管腳圖如圖3.3所示。圖3.3 555芯片管腳圖555定時器內部主要有以下幾部分構成：（1）電阻分壓器。由3個5 K的電阻組成。（2）電壓比較器。由

16、C1和C2組成，當控制輸入端懸空時，C1和C2的基準電壓分別是2/3Vcc和1/3Vcc。(3)基本RS觸發(fā)器。由兩個與非門G1和G2構成，對兩個比較器輸出的電壓進行控制。(4)放電三極管VT。VT是集成極開路的三極管，VT的集成極作為定時器的引出端D。(5)緩沖器。由G3和G4構成，以提高電路的負載能力。引腳功能:1腳位接地端；2腳是低電平觸發(fā)端入端；3腳是輸出端；4腳是復位端；5腳是電壓控制端；6腳是高電平觸發(fā)端入端；7腳是放電端；8腳是電源端。時鐘電路圖如圖3.4所示：圖3.4 時鐘電路圖用555定時器構成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個周期性的矩形脈沖,其周期為: (3-1) 要用兩個5

17、55產生兩個時鐘脈沖,兩個時鐘電路是相同的。一個控制74LS93模十六計數器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動,為方便計算，其周期可先設為1秒, 電阻值和電容值可設為：為方便調試選用電位器，由公式（3-1）計算得：T=0.721s 時鐘電路的輸出一路作為計數脈沖送到模十六計數器74LS93；另一路做為移位時鐘脈沖加到移位寄存器74LS164。另一個555產生的矩形脈沖控制彩燈的自動轉換,其周期設為模十六計數器的10倍,改變R2、R4的阻值即可，可設為：為方便調試選用電位器，由公式（3-1）計算得：T=14.42s 工作原理:多諧振蕩器的輸出波形圖，如圖3.5所示。圖3.5 多諧振蕩器的輸出波

18、形圖接通電源后，VCC經R1，R2給電容C充電。由于電容上電壓不能突變，電源剛接通時Vc=0，當Vc上升到大于Vcc3時，RD=1，SD=1，基本RS觸發(fā)器狀況不變，即輸出端Q仍為高電平，當VC上升到略大于2VCC3時，Rn=0，SD=1，基本RS觸發(fā)器置0，輸出端Q為低電平。這時Q=1，使內部放電管飽合導通。于是電容C經R2和內部放電管放電，Uc按指數規(guī)律減小。當Vc下降略小于Vcc3時，內部比較器A1輸出高電平，A2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器置1，輸出高電平。這時，Q=0，內部放電管截止。于是C結束放電并重新開始充電。如此循環(huán)不止，輸出端就得到一系列矩形脈沖。3.3.2 四種碼產生電路四種

19、碼產生電路的核心器件是74LS93構成十六位計數器，模十六計數器74LS93芯片管腳圖如圖3.6所示。 圖3.6 74LS93管腳圖 74LS93具有以下功能： (1)復位。當R01=1、RO2=1，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，不論有無時鐘CP，計數器輸出將直接置零(QDQCQBQA)=0000，稱為復位。 (2)計數。當R01=1、RO2=X或R01=X、RO2=1時，將INB接QA端，在輸入脈沖上升沿的作用時，在INA端輸入計數脈沖作用下，計數器進行二進制加法器計數。四種碼產生電路如圖3.7所示。圖3.7 四種碼產生電路圖四種碼產生電路根據彩燈要實現的四花樣,得到四種碼產生電路要產生的碼，如

20、表3.1所示。表3.1 四種碼花樣狀態(tài)要求周期（位）碼1一亮一滅，從左向右移動8101010102兩亮兩滅，從左向右移動8110011003四亮四滅，從左向右移動8111100004從18從00左到右逐次點亮，然后逐次熄滅161111111100000000這四種碼可由模十六計數器74LS93產生。十六進制計器的真值表如表3. 2所示。表3.2 計數器真值表計數輸出端0123456789101112131415LLLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHHHLLLLHHHHLLHHLLHHLLHHLLHHLHLHLHLHLHLHLHLH工作原理:由模十六計數器74LS93構成四種碼產生電路，最

21、終產生四種不同的碼，來實現彩燈的四花樣。數據從74LS93十六位計數器的輸出端QA，QB，QC，QD輸出，最終輸入到四選一數據選擇器74LS153的數據輸入端1C0，1C1，1C2，1C3。3.3.3 彩燈自動轉換電路彩燈自動轉換控制電路由雙D觸發(fā)器和雙四選一數據選擇器74LS153，雙四選一數據選擇器74LS153芯片管腳圖如圖3.8所示。圖3.8 74LS153管腳圖 要實現彩燈四花樣的自動轉換，就要使四選一數據選擇器74LS153循環(huán)地輸出Z1、Z2、Z3、Z4，也就要使它的地址輸入端輸入四種狀態(tài)并循環(huán)轉變，可用雙D觸發(fā)器實現。 設雙D觸發(fā)器的初始狀態(tài)Q1Q2 =00可得，Q1、Q2的狀

22、態(tài)變換順序為00>01>11>10>00，實現四分頻。用雙D觸發(fā)器的輸出端Q1、Q2控制選擇器的地址輸入端，使數據選擇器自動選擇一種碼輸出，實現彩燈花樣的自動控制。 自動轉換控制電路如圖3.9所示。圖 3.9 自動控制電路 74LS153數據選擇器的功能表如表3.3所示。表3.3 74LS153數據選擇器的功能表B（Q2）A（Q1）1Y00Z110Z201Z311Z400Z工作原理：數據從多諧振蕩器的輸出端輸出，輸入到雙D觸發(fā)器的時鐘信號輸入端，然后從雙D觸發(fā)器的輸出端，輸出到雙四選一數據選擇器74LS153的地址輸入端。由表3.3可知，A、B循環(huán)轉變，輸1Y循環(huán)選擇四

23、種碼Z1、Z2、Z3、Z4輸出，使彩燈的四花樣自動循環(huán)改變。位移位寄存器74LS164芯片管腳圖如圖3.10所示。圖3.10 74LS164管腳圖 當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QA-QH）均為低電平，串行數據輸出端(A，B)可控制數據。當A,B任意一個為低電平時，則禁止新的數據輸入，在時鐘端（CLEAR）脈沖作用下為低電平，當A、B有一個為高電平時則另一個就允許輸入數據，并在CELAR上升沿作用下決定QA的狀態(tài)。 74LS164的引腳功能：CLOC：時鐘輸入端；CELAR：清除端（低電平有效）；A、B：行數據輸入端；QAQH：輸出端?；虞敵鲭娐啡鐖D3.11所示。圖3.11 花樣

24、輸出電路圖當輸入移位寄存器數據輸入端的碼為10000000時，清零后在移位脈沖CP的作用下，寄存器數碼移動情況如表3.4所示。表3.4 寄存器數碼移動情況表CPQAQBQCQDQEQFQGQH11100000002001000000300010000040000100005000001000600000010070000000108000000001工作原理輸出電路由八位移位寄存器74LS164、八個彩燈和八個驅動電阻構成。寄存器的數據輸入端接收開關電路輸出的四種碼，這四種碼在移位寄存器的八位并行輸出端從QA向QH移動，輸出四種彩燈花樣。由表4-4可看出，輸入碼中的那位高電平“1”從寄存器的輸

25、出端QA經八個移位脈沖CP作用后逐漸到了QH，使輸出端所連接的彩燈依次點亮，實現了彩燈依次點亮的花樣。當輸入另外的三種碼時，寄存器的數碼移動原理相似，所以就不累贅了。3.3.4 整機電路分析根據單元電路可得到整機工作原理圖，如圖3.12。圖3.12 四花樣彩燈循環(huán)的整機電路圖 整機電路工作原理：由A1和A2組成的兩個多諧振蕩器輸出脈沖信號，從A1多諧振蕩器出來的脈沖信號分為兩路：一路作為計數脈沖送到模十六計數器74LS93的INA端，數據從74LS93十六位計數器的輸出端QA，QB，QC，QD輸出，再輸入到四選一數據選擇器74LS153的數據輸入端1C0，1C1，1C2，1C3。另一路做為移位

26、時鐘脈沖加到移位寄存器74LS164的時鐘脈沖信號輸入端。調節(jié)多諧振蕩器的電阻可以改變震蕩頻率，即改變彩燈移動的速度，得到不同的動態(tài)效果。從A2多諧振蕩器出來的脈沖信號，輸出到雙D觸發(fā)器74LS74的時鐘信號輸入端，由雙D觸發(fā)器實現四分頻，用雙D觸發(fā)器的輸出端Q1、Q2控制選擇器的地址輸入端A、B，使數據選擇器74LS153自動選擇一種碼輸出，實現彩燈花樣的自動控制。最終，從四選一選擇器的輸出端Y7輸出到八位寄存器的A、B輸入端，寄存器的數據輸入端接收開關電路輸出的四種碼，這四種碼在移位寄存器的八位并行輸出端從QA向QH移動，輸出四種彩燈花樣。第四章 軟件設計仿真4.1 電路仿真圖 本設計采用

27、Multisim仿真軟件對硬件部分進行仿真。整機仿真電路圖如圖4.1所示.圖4.1 整機仿真電路圖一個燈循環(huán)仿真圖，如圖4.2所示：圖 4.2 一個燈循環(huán)仿真圖兩個燈循環(huán)仿真圖，如圖4.3所示：圖 4.3 兩個燈循環(huán)仿真圖 四個燈循環(huán)仿真圖，如圖4.4所示：圖4.4 四個等循環(huán)圖 八個燈循環(huán)仿真圖，如圖4.5所示：圖4.5 八個燈循環(huán)仿真圖第五章 實驗、調試和測試結果與分析5.1 電路的焊接和安裝首先進行整體布局的構思，使元器件分布合理、整體上更加美觀；然后將整體電路分模塊進行焊接，每個模塊焊接完成后先測試模塊電路的功能，再進行下一個模塊的焊接；焊接時按照先裝矮后裝高、先裝小后裝大、先裝耐焊的

28、原則焊接元件；布線盡量使電源線和地線靠近實驗電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用；焊接時不能出現虛焊、假焊、漏焊，更不能出現過焊，因為有些器件，不能耐高溫， 電烙鐵不能停留太久。 5.2 電路的調試1.調試使用的主要儀器: 數字萬用表、直流穩(wěn)壓電源。2.模塊電路調試的方法和技巧:先檢查各芯片的電源和地是否接上，檢查線路是否連好，再根據電路出現的故障，確定可能的原因，分析出現的問題，發(fā)現并改正錯誤，直到符合要求為止。3.整體電路調試中出現的故障、原因及排除方法：彩燈的四種花樣都有，但不能形成每個花樣完整循環(huán)一次以上即花樣混亂。原因可能是數據選擇器輸出的兩種碼之間的間隔大于彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間，使彩燈的一種花樣完成后并沒有進入另一種狀態(tài)，當進入另一種狀態(tài)時上一種狀態(tài)的多余碼進入下一個狀態(tài)，故出現了混亂的狀態(tài)?？筛淖儍蓚€多諧電路CP脈沖的周期比，即改變兩個555多諧電路的電阻，使得一種花樣完成后，數據選擇器地址輸入端狀態(tài)改變，再選擇另一組碼輸出，彩燈花樣改變。4.最終實驗結果如下四圖:圖5.1是花樣一，彩燈一亮一滅,從左向右移動；圖5.2是花樣二，彩燈兩亮兩