多花樣循環(huán)彩燈控制器設(shè)計方案

1、引言在當(dāng)代社會，廣告的地位和影響已日漸壯大，特別是現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)時代，許多商品都需 要廣告宣傳來引導(dǎo)主流消費，因此，廣告作為一種很重要的媒介，已日漸成為社會宣傳 的主導(dǎo)方式。然而廣告的多樣性決定其巨大的開發(fā)空間，對其的研究也是一項重要的工 程廣告中一個重要元素是燈光，在許多城市，夜景已成為城市一道亮麗的風(fēng)景線，而 這美景也是由各種燈按照不同的方法設(shè)計出來的，可以說燈光是一個廣告的靈魂。現(xiàn)在 我們所掌握的數(shù)電知識已經(jīng)可以設(shè)計出一些簡單的廣告圖案。于是我們做了關(guān)于彩燈控 制的課程設(shè)計。本次課程設(shè)計是為了把在“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”與“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程學(xué)習(xí) 的書本知識，即通常只介紹單元電路的設(shè)計、集成芯

2、片的特性、功能等，而一個實用的 電子系統(tǒng)通常是由多個單元電路組成的。因此，進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計時，不但要考慮系統(tǒng) 總體電路的設(shè)計，還要考慮系統(tǒng)各部分電路的選擇、設(shè)計及它們之間的相互連接。由于 各種通用和專用的模擬、數(shù)字集成電路的大量涌現(xiàn)，所以在電子系統(tǒng)的方案框圖確定 后，除少數(shù)電子電路的參數(shù)需要設(shè)計計算外，大部分只需根據(jù)電子系統(tǒng)框圖各部分要求 正確選用模擬和數(shù)字集成 電路的芯片就可 以了電子系統(tǒng)的設(shè)計沒有固定不變的步驟，它往往與設(shè)計者綜合應(yīng)用所學(xué)知識的能力、 經(jīng)驗等有密切關(guān)系。常用電子系統(tǒng)設(shè)計通常包括：選擇總體方案框圖、單元電路設(shè)計與 選擇、電子元器件的選擇、單元電路之間的連接、對電子系統(tǒng)進(jìn)行電路

3、搭試、對方案及 單元電路參數(shù)進(jìn)行修改、繪制總體電路，最后寫出設(shè)計報告。1 設(shè)計意義及要求1.1 設(shè)計意義（ 1） 通過課程設(shè)計，讓同學(xué)鞏固已學(xué)的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，同時加深對電子電路的理解。（ 2） 讓同學(xué)學(xué)會使用網(wǎng)絡(luò)查資料，學(xué)會利用圖書館的資源，通過自己的學(xué)習(xí)解決實際中發(fā)生的問題。（ 3） 學(xué)會方案比較，以及設(shè)計計算等環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高分析解決實際問題的能力。（ 4） 真正實現(xiàn)由知識向智能的轉(zhuǎn)化，通過此綜合訓(xùn)練，為以后畢業(yè)設(shè)計打下一定基礎(chǔ)。1.2 設(shè)計要求現(xiàn)有 16 只彩燈，試設(shè)計一控制器，要求彩燈能實現(xiàn)如下追逐圖案：（ 1）使 16 只彩燈從右到左逐一循環(huán)點亮。即按照1111

4、 1111 1111 1110,11111111 1111 1101,1111 1111 1111 1011 （0代表亮，1代表熄滅） 的方式點亮。（ 2）使16 只彩燈按照1111 1110 1111 1110 左移循環(huán)點亮。即按照1111 11101111 1110,1111 1101 1111 1101,1111 1011 1111 1011的方式點亮。（ 3）使 16 只彩燈交替閃爍。即按照 1010 1010 1010 1010,0101 0101 01010101的方式點亮。（ 4）使中間2 個彩燈發(fā)亮，然后從兩邊再增加2 個發(fā)亮，一直下去，直到16 個彩燈全亮，然后，閃爍2 次。

5、1 秒。（5） 接著重復(fù)以上的動作，這樣一直循環(huán)下去。時間間隔為（6） 嚴(yán)格按照課程設(shè)計說明書要求撰寫課程設(shè)計說明書。2方案設(shè)計2.1設(shè)計方案2.1. 1設(shè)計方案一設(shè)計要求彩燈完成四個可以循環(huán)的功能，于是就把設(shè)計分為幾個獨立的功能模塊進(jìn) 行設(shè)計，每一個模塊完成特定的功能，再把它們有機(jī)的組織起來構(gòu)成一個系統(tǒng)完成彩燈 控制器的設(shè)計。時鐘脈沖產(chǎn)生電路由74LS161分頻實現(xiàn)，循環(huán)控制電路由74LS197和74LS139實現(xiàn)，彩燈輸出花樣電路由74LS139和相關(guān)門電路組成。設(shè)計框圖如圖 2.1所示：圖2.1多花樣循環(huán)彩燈控制器設(shè)計框圖具體設(shè)計步驟：先將每個設(shè)計的功能要求的單獨電路畫出來，通過 74L

6、S198雙向移位寄 存器來實現(xiàn)對彩燈的直接控制。在完成單個功能要求之后，用一個74LS139譯碼器直接對四個模塊的選擇，即 Y0選通第一個功能的電路，Y1選通第二個功能的電路，Y2選通 第三個功能的電路，Y3選通第四個功能的電路，然后此譯碼器受到74LS197計數(shù)器的控制，在該計數(shù)器由00變?yōu)?1,由01變?yōu)?2,由02變?yōu)?3的過稱中依次影響譯碼器的 輸出，該計數(shù)器又受到一個由74LS161計數(shù)器構(gòu)成的分頻器的控制，在 74LS161輸出全零時，經(jīng)過相關(guān)的門電路后會有一個低電平輸出，在 74LS161輸出不為全零時，經(jīng)過相 關(guān)的門電路后會有一個高電平輸出，在 74LS161輸出又為全零時，經(jīng)

7、過相關(guān)的門電路后 會有一個低電平輸出，于是就有了一個下降沿觸發(fā)給74LS197,就完成了一個功能的要求。2.2.2方案設(shè)計二本方案實現(xiàn)的核心 AT89S52單片機(jī)，通過IO 口直接驅(qū)動LED燈。通過程序的編寫以 實現(xiàn)不同的花樣，以及不同花樣之間的轉(zhuǎn)換LED顯示電路AT89S52圖 2-2-2方案二系統(tǒng)框圖2.3方案比較方案一在實現(xiàn)過程當(dāng)中電路比較繁瑣,需要的器件多，連線復(fù)雜，但是模塊清晰,功能明確，易于理解調(diào)試。方案二由于單片機(jī)具有以下優(yōu)點臺匕目匕可靠性高臺匕目匕4、低電壓、低功耗且不利于鍛使得電路簡單，器件少，連線簡單，但是使用單片機(jī)，程序調(diào)試復(fù)雜, 煉硬件調(diào)試能力。鑒于本實驗主要在計算機(jī)上

8、仿真實現(xiàn)，連線復(fù)雜程度并不是很大的困難，綜合分析后, 我們選擇了方案一。3.單元電路設(shè)計3.1 多諧振蕩器的設(shè)計555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，電源電壓范圍寬，可在4.5V16V工作，其中7555可在318V工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA,因而其輸 出可與TTL、CMOSIE者模擬電路電平兼容。其成本低，性能可靠，只需要外接幾個電 阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電 路。其內(nèi)部原理圖如下：圖3-1-1 555定時器內(nèi)部原理圖它含有兩個電壓比較器，一個基本 RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)比較器的參考電壓 由三只5KQ的電阻器構(gòu)成分壓

9、，它們分別使高電平比較器 A1同相比較端和低電平比較 器A2的反相輸入端的參考電平為2 J 3% 和1%。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài) 和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超越 2 砥時,觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸 出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于1現(xiàn) 時,觸器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關(guān)管截止。表312 555定時器功能表輸入輸出弱值輸入（V11）觸發(fā)值（V12）復(fù)位（Rd）輸出（Vo）放電管TXX00導(dǎo)通<(2/3)V cc<(1/3)V cc11截止>(2/3)V cc>(1/3)V cc10導(dǎo)通<(2/

10、3)V cc>(1/3)V cc1小艾小艾由555定時器通過連接合適的電路變成一個多諧振蕩器 （脈沖發(fā)生器），如下圖所示 電路:圖313由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩電路圖接通電源后，電容C被充電，當(dāng)Vc上升到2/3VCC時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時發(fā)電BJT T導(dǎo)通，止匕時Vo為低電壓，電容C通過R2和T放電，使Vc下降。當(dāng)Vc下降到（1/3） Vcc時，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器 C放電所需的時間為：pL=R2Cln2 可近似看成 tPL=0.7R2c當(dāng)C放電結(jié)束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C充電，VC由（1/3） Vcc 上升到（2/3） Vcc所需的時間為：a

11、=（R1+R2）Cln2 可近似看成 tPH=0.7（R1+R2）C而當(dāng)Vc上升到（2/3） Vcc時，觸發(fā)器又周而復(fù)始，在輸出端就得到一個周期性的方圖3-2-2 74LS161引腳圖波，其頻率為f=l/( t pl +tPH) 可近似看成 f=1.43/(Ri+2R2)C3.2 分頻器的設(shè)計74LS161的清除端是異步的。當(dāng)清除端CR為低電平時，不管時鐘端 CP狀態(tài)如何，即可完成清除功能。74LS161的預(yù)置是同步的。當(dāng)置入控制器LOAD為低電平時，在 CP上升沿作用下，輸出端QAQD與數(shù)據(jù)輸入端 A-D相一致。對于 74LS161,當(dāng)CP由低至高跳變或跳變前，如果計數(shù)控制 端ENP、ENT

12、為高電平，則 LOAD 應(yīng)避免由低至高電平的跳變，而 74LS161無此種限制。74LS161 的計數(shù)是同步的，靠 CP同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當(dāng) ENP、ENT均為高電平時，在 CP上升 沿作用下 QA-QD同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。對于 54/74LS161 ,只有當(dāng)CP為高電平時，ENP、ENT才允許由高至低電平的跳變，而 74LS161的ENP、ENT跳變與 CP無關(guān)。74LS161有超前進(jìn)位功能。當(dāng)計數(shù)溢出時，進(jìn)位輸出端( RCO)輸出一個高電平脈沖，其寬度為QA的高電平部分。在不外加門電路的情況下，可級聯(lián)成N位同步計數(shù)器。對于 74LS161 ,在CP出

13、現(xiàn)前，即使ENP、ENT、CR發(fā)生變化，電路的功能也不受影響 其功能表及引腳圖如下：表3-2-174LS161功能表輸入輸出CrCPLdEPETD3D2D1DoQ3Q2Q1Qo0000010dcbadcba1T10Q3Q2Q1Qo1T10Q3Q2Q1Qo1111狀態(tài)碼加1347425219T :145671U174LS1613Q Q Q Q OD DD D N N C O M1U2:A圖3-2-3由74LS161和相關(guān)門電路構(gòu)成分頻器3.3 節(jié)拍控制器的設(shè)計74LS197為可預(yù)置的二八十六進(jìn)制計數(shù)器。異步清除端（CR）為低電平時，不管時鐘端（0CP、1CP）狀態(tài)如何，即可完成清除功能。計數(shù)/置

14、入控制（CT/LD）為低電平時，不管時鐘（0CP、1CP狀態(tài)如何，即可完成預(yù)置功能。當(dāng) （CT/LD）為高電平時， 在（0CP、1CP）脈沖下降沿作用下進(jìn)行計數(shù)操作：a） 將1 CP與Q0連接，計數(shù)脈沖由 0 CP輸入，在 QO Q1、Q2 Q3分別得到二、 四、八、十 六 分 頻。b）計數(shù)脈沖由1 CP輸入，在在 Q1、Q2、Q3分別得到二、四、八分頻。 Q0可獨立使 用。74LS197還可作4位鎖存器，此時CT/ LD作為選通端。當(dāng)CT/ LD為低電平時，Q0-Q3 隨DAD3而變化；當(dāng)CT/ LD為高電平時，只要時鐘不作用，Q0Q3將保持不變。圖3-3-2 74LS197引腳圖圖3-4-

15、1 74LS139功能表因為在分頻后可以對四個單獨功能的控制，而且在每個功能完成的時間內(nèi)該計數(shù)器需要加一，需要使用下降沿觸發(fā)的計數(shù)器，所以選擇了74LS197計數(shù)，作為節(jié)拍控制器。id- rmQ 1D 6 D 口 DI'圖 3-3-3由74LS197構(gòu)成的節(jié)拍發(fā)生器3.4 譯碼器的設(shè)計74LS139為2-4線譯碼器，輸出為低電平有效，當(dāng)使能端為高電平時，輸出全高。在 該次課程設(shè)計中擔(dān)任著對四種不同功能部分的直接管理，是通過輸出電位來控制四個獨 立單元的清零端來實現(xiàn)控制的。其功能表和引腳圖如下：輸入輸出使能端選擇Y0Y1Y2Y3G 1BAHXXHHHHLLL；LHH:HLLH:HLH:H

16、LHLHHLHLHH:HHH:L圖3-4-1 74LS139引腳圖3.5 移位寄存器的設(shè)計74LS198為8位雙向移位寄存器，其功能引腳圖如下:當(dāng)清除端（CR）為低電平時，輸出（Q0Q7）均為低電平。當(dāng)工作方式控制端 （M0、M1） 均為高電平時，在時鐘（CP）上升沿作用下，并行數(shù)據(jù)（D0D7）被送入相應(yīng)的輸出端 Qg Q7。此時串行數(shù)據(jù)（DSR DSL）M禁止。當(dāng)M0為高電平、M1為低平時，在CP上升沿作用 下進(jìn)行右移操作，數(shù)據(jù)由DSRX入。當(dāng)M0為低電平、M1為高電平時，在CP上升沿作用 下進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)由 DSR送入。當(dāng)M0和M1均為低電平時，CP被禁止。只有當(dāng)CP為 高電平時M0和M1

17、才可改變。圖3-5-2 74LS198功能表INPUTS- RESPONSEMR CP So* Si*L H H H HX / J / XX*HL H LX - H H L LAsynchronous Raset; Outputs = LOWParallel Load; PnQeShift Right; Dsr *-Qos Qo _etc.Shift Left； Dsl»Q7. QzQe, etc.Hold第一個功能的部分設(shè)計圖0gg寸eelO 0OS0G0000MIEb 口仁 9 出寸 ecnihQS (rt in o i?5 'tn oo&onnoY m n l

18、l e n i- e圖 3-5-3U7741B3VTEXT口 R 9 寸 O C-J T T T T-u?U8：74136TEKTVHlQ THz始的寸me七口甚 tn 濟(jì) GK55aSnoeiooSQ I I I I I I I -，蠟圖3.6.1 LED與相關(guān)門電路構(gòu)成的顯示電路(O CM -r- O g o a o GU16：A-J6：B-cXU、74LS64 " <TEXT> 'dz山 1/ MID oven iU9 74LS2774LS161 . . F 正麻.TECT A a a a a3.6 LED顯示電路的設(shè)計LED顯示電路是該次設(shè)計的直接輸出，該

19、燈的特點是當(dāng)兩端電壓不等時就會發(fā)光, 本次設(shè)計用的是紅光。D12LED-REDU28:血 U28:CU28:B、U28A74LS04 " . 74LS0474LS0474LS04 .U29：BU29：AU27：BU27：1111D11D10D9LED-ReDLED-，LED-REDU24:Ff U24:E、U24fc74LS04; 74LS04 ' 7 74LS04A U26;BU26:A11U24:C74LS04U25 B U25:AAA142542514251425174251 華 4252086420 964208 7466555s5 444443 33如果四輸入或非門

20、有一個輸入為高，燈就會亮4調(diào)試與檢測D8LED-RE52U17:F174LS04U24:74LS04U23:lU23:A，：FU22:BD4LED-REU17|E U17:l74LS04 1 74LS04U22A U21:BD3I LED-REU17:(74LS04U21J7425D2LED-RD1LED-REDU17:E74LS04.U20:EU6:A74LS04U20:A3A1AAA3A A42574274257425742574254.1 調(diào)試過程中的故障與解決方法在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)燈的花樣不是按指定進(jìn)行的，通過觀察各點電平時發(fā)現(xiàn)，用總 線時，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號有問題，于是就改了過來，經(jīng)調(diào)試成功。

21、4.2 調(diào)試與運行結(jié)果打開protues仿真電路圖，開始仿真部分結(jié)果截圖如下：分結(jié)果截圖如下：花樣一截圖花樣二截圖花樣三截圖花樣四截圖5仿真操作步驟及使用說明一各部件說明：D0D15十六個LED燈為顯示。二操作說明：點擊仿真運行按鍵后，16 個燈將會按照下面的順序進(jìn)行亮滅：（其中0 為亮）花樣一：11111111 1111111011111111 1111110111111111 1111101110111111 1111111101111111 11111111花樣二：11111110 1111111011111101 1111110110111111 1011111101111111 01

22、111111重復(fù)一遍花樣三：10101010 1010101001010101 01010101循環(huán) 8 次花樣四：11111110 0111111111111100 0011111111111000 0001111111110000 0000111100000000 0000000011111111 1111111100000000 0000000011111111 111111114次最后循環(huán)到第一個花樣。6 體會與總結(jié)通過這次數(shù)電課程設(shè)計，我有很多感受。在剛拿到這個課題時，感覺很模糊，在和小組其他成員的討論中，就對它慢慢清楚起來。在著手做這個設(shè)計的時候，開始直接從整體著手，設(shè)計出來的方案

23、特繁瑣，在經(jīng)過指導(dǎo)老師李老師的點撥后，明白了可以先從單個獨立的功能設(shè)計開始，最后再進(jìn)行總體控制。方案簡單明了。通過此次設(shè)計，將課本上的知識可以應(yīng)用于實際，使理論與實際很好的結(jié)合，加深自己對課本知識的理解。明白了書本知識是基礎(chǔ)，實踐是對基礎(chǔ)的鞏固。此次設(shè)計也鍛練了我個人的自主學(xué)習(xí)能力。在實驗中，我們運用到了新的軟件 PROTEUS 仿真軟件，對于這種不熟悉的軟件，我們能夠充分利用圖書館以及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 去查閱和學(xué)習(xí)相關(guān)資料，提高了自主學(xué)習(xí)能力。此次設(shè)計也改變了我的思維方式。如果方案很復(fù)雜時，可以把它分解，最后在進(jìn)行整體構(gòu)想，就會柳暗花明。在設(shè)計方案時，會有很多芯片滿足要求，在選擇時，我們會考慮這會不會可以使設(shè)計方案用到最少的門電路等