可編程彩燈控制器原理及設計

1、目 錄一、課題設計任務及要求 .3 二、設計目的 3 三、優(yōu)選設計方案 4 四、整體設計思想及原理框圖 5 五、各模塊設計與分析 61、脈沖發(fā)生電路 72、控制電路和譯碼電路 103、存儲電路 12 4、數(shù)碼管顯示電路 .14六、元器件清單 15七、安裝及調(diào)試中出現(xiàn)的問題和解決方法 15八、設計感想 17 附 錄一、實驗電路圖 20二、實驗電路連接圖 .21三、參考文獻 21一、 課題設計任務及要求課題名稱：可編程彩燈控制器 設計任務及要求： 1、設計脈沖產(chǎn)生電路、圖形控制電路和存儲電路；2、用8×8LED點陣作為顯示電路，顯示內(nèi)容的動面感要強。3、能用按鍵切換不同的顯示組合，至少有

2、3個按鍵切換；4、每種組合至少有3種變化，每種組合內(nèi)圖形能連續(xù)循環(huán)；5、要有數(shù)碼管顯示當前是第幾種組合（或是第幾個按鍵）；6、圖形顯示間隔（顯示頻率）至少有3種可選?？刂破骺捎?種控制方式：（1）規(guī)則變化：變化節(jié)拍有0.5秒和0.25秒，交替出現(xiàn)，每種節(jié)拍可有多種花樣，各執(zhí)行1或2個周期后輪換；彩燈變化方向有單向移動和雙向移動、跳躍移動等。（2）隨機變化。變化花樣相同，但節(jié)拍和花樣的輪換隨機出現(xiàn)。7、完成電路全部設計后，通過實驗箱驗證設計課題的正確性。二、設計目的本課程設計主要是為了實現(xiàn)可編程彩燈控制的功能，且通過本次電子課程設計，了解電子產(chǎn)品設計的一般過程，掌握電子線路設計的基礎方法和一般過

3、程，能靈活運用已學過或者類似的集成塊構(gòu)成電路實現(xiàn)上述功能，還能靈活掌握555電路的應用方法。能用仿真軟件對電子線路進行仿真設計，還能用Portel等軟件繪制PCB圖，掌握了電子電路調(diào)試的方法，且能獨立解決設計與調(diào)試過程中出現(xiàn)的一般問題，并進一步掌握EEPROM的編程方法和應用。三、 優(yōu)選設計方案方案A：根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)由控制電路，編碼發(fā)生電路和輸出驅(qū)動電路等組成。其彩燈控制器的總體設計思想如下：1. 編碼發(fā)生器編碼發(fā)生器根據(jù)花形要求，按節(jié)拍送出64位狀態(tài)編碼信號，以控制彩燈按規(guī)律亮或滅。因為彩燈路數(shù)少，花形要求不多，可選用移位寄存器輸出64路數(shù)字信號，控制彩燈發(fā)光。編碼發(fā)生器采用16片4位

4、通用移位寄存器74LS194來實現(xiàn)。74LS194具有異步清除和同步預置、左移、右移和保持等多種功能，控制方便靈活。64路彩燈采用兩片74LS194組成64位移位寄存器，花形設計比較靈活。移位寄存器的64個輸出信號通過驅(qū)動電路控制電路來控制彩燈，編碼器中數(shù)據(jù)輸入端和控制端的接法由花形決定。根據(jù)選擇的花形，可列出移位寄存器（編碼發(fā)生器）輸出狀態(tài)。2. 控制電路控制電路為編碼器提供所需的節(jié)拍脈沖和驅(qū)動信號，控制整個系統(tǒng)工作?？刂齐娐返墓δ苡袃蓚€：一是按需要產(chǎn)生節(jié)拍脈沖；二是產(chǎn)生移位寄存器所需要的各種驅(qū)動信號?？刂齐娐吩O計通常按照下述步驟進行：逐一分析單一花形運行，移位寄存器的工作方式和驅(qū)動要求，按

5、照工作狀態(tài)決定74LS194移位寄存器工作的狀態(tài)順序，同時是分析移位寄存器工作方式和驅(qū)動要求的依據(jù)。方案B：采用555定時器輸出脈沖，高頻通過計數(shù)器控制電路和譯碼電路，不斷刷新顯示矩陣的各列；而低頻產(chǎn)生脈沖，決定顯示哪一幅畫面。由于需要產(chǎn)生64幅以上的圖形，可以設計一個64進制的計數(shù)器，即可顯示64幅圖，此低頻接在EEPROM的高位，而高頻計數(shù)器控制電路的輸出接在EEPROM的低三位。即高位決定顯示哪幅畫，低位表示每幅圖形的每列的顯示。 顯然，方案B比較合理而且能實現(xiàn)課程設計的要求，采用方案B來進行課程設計。四、 整體設計思想及原理框圖本系統(tǒng)可設計為四個模塊：1.脈沖發(fā)生電路采用兩個555定時

6、器組成振蕩器，一個產(chǎn)生高頻和一個產(chǎn)生可調(diào)低頻。高頻通過計數(shù)器控制電路和譯碼電路，不斷刷新顯示矩陣的各列；而低頻產(chǎn)生脈沖，決定顯示哪一幅畫面。2. 圖形控制電路用74LS161芯片設計一個64進制的計數(shù)器，以顯示64幅圖，其中低片計數(shù)器構(gòu)成16進制，高片計數(shù)器構(gòu)成4進制，并且將低頻通過計數(shù)控制電路接在EEPROM的高位，從而選擇顯示哪一幅畫。而高頻通過計數(shù)器控制電路接在EEPROM的低三位，不斷刷新顯示矩陣的各列，用以控制圖形的顯示。由于顯示矩陣是由64個發(fā)光二極管組成，把譯碼器輸出接在顯示矩陣的陰級進行行控制，EEPROM接在顯示矩陣的陽極進行列控制，只有同時導通時，二極管才亮。譯碼電路是低電

7、平有效，每次只有一個輸出有效，所以需要快速進新刷新，故將高頻通過計數(shù)器控制電路接在譯碼電路的輸入端。3.數(shù)碼管顯示電路當前8X8顯示矩陣顯示的是哪一幅畫，可以通過2個數(shù)碼管顯示出來。其中第一個數(shù)碼管顯示該畫面所在的組別，另一個顯示該幅畫為這個組別的第幾幅畫。由于上面設計為16X4的64進制計數(shù)器控制顯示畫面。故可以設計四種組合，每一個組合為16副畫。4.存儲電路顯示什么樣的圖形就決定于EEPROM的編程，而最終顯示在顯示矩陣上。此外，暫停功能：控制低頻計數(shù)器低位的EP和ET端實現(xiàn)。手動選畫功能：當?shù)皖l計數(shù)器的端為高電平時，圖形自動連續(xù)循環(huán)；當端為低電平時，計數(shù)器處于置數(shù)功能，可通過選畫開關(guān)選擇

8、需要顯示的圖畫，其中高片計數(shù)通過置數(shù)選擇畫面組別，底片計數(shù)器通過指數(shù)選擇此組合內(nèi)的某一幅畫。清零功能：控制低頻計數(shù)器的清零端，當=0時，計數(shù)器實現(xiàn)清零功能。原理框圖如下：顯示矩陣存儲單元譯碼驅(qū)動電路計數(shù)控制電路計數(shù)控制電路脈沖發(fā)生電路（低頻）脈沖發(fā)生電路（高頻）列控制行控制低位高位五、各模塊設計與分析根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)由脈沖發(fā)生電路、控制電路、譯碼驅(qū)動電路、存儲矩陣和顯示電路等幾部分構(gòu)成可編程彩燈控制電路。A. 脈沖發(fā)生電路1、555定時器的組成和功能內(nèi)部組成框圖：它主要由兩個高精度電壓比較器A1、A2，一個RS觸發(fā)器，一個放電三極管和三個5K電阻的分壓器而構(gòu)成。（如下圖所示）引腳圖及其功能

9、VoVcoTHV。GNDVcc1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。3腳：輸出端Vo2腳：低觸發(fā)端6腳：TH高觸發(fā)端4腳：是直接清零端。當端接低電平，則時基電路不工作，此時不論、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5腳：Vco為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。8腳：外接電源Vcc，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路Vcc的范圍為3 18V。一般用5V。功能介紹：在1腳接地，5腳未

10、外接電壓，兩個比較器A1、A2基準電壓分別為2/3V，1/3V的情況下，555時基電路的功能表如下表所示。清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端Qn+1放電管T功能00導通直接清零10導通置011截止置11Qn不變保持555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器工作原理接通電源后，假定V0是高電平，則T截止，電容C充電。充電回路是VCCR1R2C地，VC按指數(shù)規(guī)律上升，當VC上升到2/3VCC時（TH、端電平大于2/3VCC），輸出V0翻轉(zhuǎn)為低電平。V0是低電平，T導通，C放電，放電回路為CR2T地，VC按指數(shù)規(guī)律下降，當VC下降到1/3VCC時（TH、端電平小于1/3VCC），V0輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，放電管T截止，電容再

11、次充電，如此周而復始，產(chǎn)生振蕩，經(jīng)分析可得：輸出高電平時間 輸出低電平時間 振蕩周期 輸出方波的占空比 2、本模塊工作原理介紹脈沖發(fā)生電路主要用來產(chǎn)生時間基準信號（脈沖信號）。因為可編程循環(huán)彩燈對頻率的要求不高，只要能產(chǎn)生高低電平就可以了，且脈沖信號的頻率可調(diào)，所以采用555定時器組成的振蕩器，其輸出的脈沖作為下一級的時鐘信號。本系統(tǒng)采用兩片555定時器分別構(gòu)成高頻脈沖發(fā)生器和低頻脈沖發(fā)生器。高頻脈沖發(fā)生器是用555構(gòu)成多諧振蕩器。由于人眼每秒可分辨出24幅圖，而高頻計數(shù)器采用8進制，作為刷新頻率的脈沖，此高頻刷新電路輸出脈沖的頻率應大于24*8=192Hz，這樣便可以顯示整幅的畫面。低頻脈沖

12、發(fā)生器用于提供計數(shù)電路的脈沖，它能決定畫面顯示的速率。速率的調(diào)節(jié)可通過調(diào)節(jié)滑動電阻（01M）來實現(xiàn)。 高頻脈沖發(fā)生 低頻脈沖發(fā)生器R1=100K R1=750K R1=01MR2=100K R0=R2=1K C1=C2=0.01Uf C1=10Uf C2=0.01Uff=476Hz f=0.180.33HzB.控制電路和譯碼電路1.74LS138功能介紹 74LS138是一種常見的3線8線譯碼器，它的八個輸出引腳，任何時刻要么全為高電平1，則芯片處于不工作狀態(tài)；要么只有一個為低電平0，其余7個輸出引腳全為高電平1；如果出現(xiàn)兩個輸出引腳同時為0的情況，說明該芯片已經(jīng)損壞。其功能表如下：當附加控制

13、門的輸出為高電平（S1）時，可由邏輯圖寫出由上式可以看出，輸出是這三個輸入變量的全部最小項的譯碼輸出，所以也把這種譯碼器叫做最小項譯碼器。74LS138的管腳圖如右：2.74LS161功能介紹74LS161是常用的四位二進制可預置的同步加法計數(shù)器，它可以靈活的運用在各種數(shù)字電路，以及單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。 ET74LS161引腳圖管腳圖74LS161EPCP：時鐘 P0P3：四個數(shù)據(jù)輸入端 ：清零端EP，ET：使能端 ：同步置數(shù)端 Q0Q3：數(shù)據(jù)輸出端TC：進位輸出(TC=Q0·Q1·Q2·Q3·ET)74LS161功能表74LS161

14、真值表從74LS161真值表功能表中可以知道，當清零端CR=“0”，計數(shù)器輸出Q3、當=0時，Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能；當=1且=0時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端P3，P2，P1，P0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當=EP=ET=1、CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。74LS161還有一個進位輸出端TC，其邏輯關(guān)系是TC= Q0·Q1·Q2·Q3·ET。應用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，可實現(xiàn)本系統(tǒng)中清零、選畫的功能。3、本模塊工作原理介紹控制電路控制

15、電路由3片74LS161計數(shù)器和3位二進制譯碼器74LS138組成，其中一片74LS161連接高頻脈沖發(fā)生器和譯碼器74LS138，對顯示矩陣電路進行行掃描和控制；另兩片74LS161構(gòu)成高低兩片計數(shù)器，共同控制選畫，置位，暫停等功能。譯碼電路由一片74LS161和一片74LS138構(gòu)成高頻計數(shù)器和譯碼控制電路，由兩片74LS161構(gòu)成低頻計數(shù)器 本模塊電路圖如右：C.存儲電路存儲電路用芯片EEPROM2864來存儲不同畫面的程序。EEPROM2864的低三位地址線A0到A2接在高頻計數(shù)器輸出端，顯示每列的圖形；高三位地址線A3到A8接低頻計數(shù)器的輸出，決定顯示的哪幅畫。由EEPROM2864

16、中的代碼來決定圖形的形狀。編程如下表：幅數(shù)圖形編碼第1列第2列第3列第4列第5列第6列第7列第8列11000000447E4000002圓開放收縮兩遍0000001818000000300001824241800004003C424242423C0053C4281999981423C600001824241800007003C424242423C0083C4281999981423C9000018242418000010003C424242423C00113C4281818181423C12003C424242423C00130000182424180000140000001818000000

17、15000018242418000016003C424242423C001720000F292929E000018星星閃爍20F0200000000000190000020F02083C082020F0200000083C08210000020F020000002220F0220F02083C082300000000000000002420F0220F02083C082520F0200000000000260000020F02083C082720F0200000083C08280000020F020000002920F0220F02083C083000000000000000003120F02

18、20F02083C083200000000000000003330000929292FE000034貪食蛇0000F8000800000035000078080800000036000078090800000037000038090C00000038000018090E00000039000008090F00000040040008090F00000041040001090F00000042040101010F00000043050101010700000044070101010300000045070101010B000000460F01010109000000470F09010108000

19、000480F0909000800000049400181412FF10100050依次“畫”出笑臉040000000000000051040200000000000052040202000000000053040202040000000054040202040400000055040202040402000056040202040402020057040202040402020458040222040402020459040222440402020460040222444402020461040222444422020462040222444422020463完1692F61F1FF6929

20、6641692F61F1FF69296D.存儲電路實驗中用以兩個8段LED數(shù)碼管分別顯示圖形所在組次和組次中的第幾副，其中74LS48是一個二-十進制譯碼器，其輸出端直接接到數(shù)碼管即可，設計的電路如下：六、元器件清單元器件名稱件數(shù)555定時器274LS161374LS1381EEPROM286418*8顯示點陣1100K電阻21K電阻2750K電阻1滑動變阻（01M）110uF電容10.01uF電容3開關(guān)9七、安裝及調(diào)試中出現(xiàn)的問題和解決方法1.遇到的問題：連了一部分線后，發(fā)現(xiàn)有的芯片放哪都不合適，怎么著都不能避免交叉。解決方法：整體結(jié)構(gòu)布局是很重要的，這直接影響以后的連線，在開始連線之前一定

21、要合理的規(guī)劃好如何放置每個芯片。首先要保證電路功能和性能指標，在此基礎上滿足工藝性的要求。用Portel畫電路圖時注意芯片的布局，盡量避免電線相交叉。然后按電路圖所示，分高頻低頻兩大塊，安排好各芯片的位置。2. 遇到的問題：連線時發(fā)現(xiàn)好多地方不可避免出現(xiàn)了交叉的現(xiàn)象。 解決方法：連線要求保持導線橫平豎直，緊貼面包板，盡量使其不要交叉，使得工藝美觀，故連線之前要熟悉面包板的特性，清楚的知道哪些孔之間是相互接通的，遇到導線要交叉時，便可將導線剪斷，再巧借面包板上的孔在內(nèi)部將導線連起來。一般來說，先接一些地線和電源線，因為所有芯片都要接地和電源的，然后按照電路圖和整體結(jié)構(gòu)布局用導線依次連接各管腳。如

22、無避免交叉則應不同類別的導線用不同的顏色那樣即使交叉了也容易分辨。3. 遇到的問題：顯示矩陣上有幾個點總是不會亮。解決方法：利用老師給我們的顯示矩陣管腳對每個二極管的控制關(guān)系，用萬用表測試，若二極管還是不亮，說明給二極管已壞，是顯示矩陣本身的問題；若二極管亮了，說明是接線問題，就要再檢查連線。檢查連線時，用一根導線，一端接地，一段分別接觸138和2864的各個與點陣相連的管腳，查看是哪一個管腳沒有連接好。哪一行或者那一列不亮時為連接不好。4.遇到的問題：線路正確連接完畢后，打開電源，但是顯示矩陣的顯示并不是理想設計的連續(xù)狀態(tài)，而是斷續(xù)的雜亂無章的。 解決方法：有可能是74LS161計數(shù)芯片不起

23、作用，所以在實驗開始之前要對各元件認真檢查并進行檢測，確保元件完好，可以避免出現(xiàn)壞的元件給以后的調(diào)試帶來麻煩。而此次實驗最大的敗筆就在于此。由于事先沒有認真檢查芯片，而后得不到正確的結(jié)果都還以為是連線的問題，從而浪費很多的時間，做了很多的無用功。對于74LS161，我們就將其輸出接到四個高低電平指示燈上，給各脈沖，看是否是16進制順序計數(shù)。至于電阻，我們不但會觀察其色環(huán)，還會用萬用表直接測其阻值。檢查過后才發(fā)現(xiàn)原來實驗室里面有一個批次的161可能都存在問題，它的計數(shù)不是規(guī)律的16進制，然后我們把這個問題反映給了老師。5.遇到的問題：顯示矩陣只會顯示一幅圖案，不是正常的循環(huán)顯示所有圖形。解決方法

24、：正常工作狀態(tài)下，顯示矩陣應該是自動、連續(xù)循環(huán)EEPROM內(nèi)的圖形，檢查后發(fā)現(xiàn)顯示矩陣只會顯示一幅圖形是因為74LS161的置數(shù)端被置為有效，則此時本系統(tǒng)有是在執(zhí)行選畫功能，可以通過改變選畫開關(guān)來選畫。說明：本系統(tǒng)中開關(guān)較多，有6個選畫開關(guān)、1個暫停開關(guān)、1個清零開關(guān)和1個選畫開關(guān)，我們應該弄懂各開關(guān)閉合、斷開與其所對應的系統(tǒng)的工作狀態(tài)之間的關(guān)系，才能在調(diào)試時得到想要的結(jié)果。6.遇到的問題：對EEPROM編程后，接到面包板上看結(jié)果，但是只能顯示所編的一部分圖形，并且每個圖形顯示一次之后總會出現(xiàn)一次全亮的狀態(tài)，才會再顯示下一個圖形。解決方法：這是編程出了問題，EEPROM內(nèi)一個單元有16位，但是

25、編寫一個圖形只要8位，我們在編程時輸入8位后就進入下一個單元的輸入，直到最后輸入64幅圖的程序。用電腦讀出之前寫入EEPROM的程序，發(fā)現(xiàn)后面圖形的程序已經(jīng)超出系統(tǒng)對EEPROM的尋址范圍，所以這些圖形是無法顯示的；在每個單元沒編的后8位默認是高電平，故每次顯示完一幅圖就會顯示一次全亮的狀態(tài)，正確的編程方法是在一個單元內(nèi)寫入兩幅圖形的程序，那么圖形就會連續(xù)顯示了。八、課程設計感想 為期兩周的電子電工課程設計結(jié)束了，本次課程設計分為兩個階段。1.理論設計階段：要求同學們根據(jù)課題自行設計電路，選擇元件，確定調(diào)試和測試方案。這是整個課程設計的基礎，把電路設計好了，才談得上實現(xiàn)功能；同時這也是最難的一

26、個部分，以前我們接觸的那些實驗都是很短、很基礎的，而且都有了原理圖，只要我們連接線路將其功能實現(xiàn)出來就可以了，但是這次在課程設計中我們要把原來的許多知識組合起來才能完成的任務，這對我們來是說是一次考驗。所以在這個星期里我和同組的同學到圖書館借來很多參考書，還上網(wǎng)找了一些資料，我們對相似的實驗進行分析，一步步搞懂，把能借鑒的地方用到自己的實驗中來，終于設計出電路圖。2實際動手裝配、調(diào)試、測試及驗收階段：來到實驗室看到樣品，覺得好復雜啊，那么多線，還不能交叉，既要實現(xiàn)功能還要保證工藝美觀，不容易啊，不過我們會全力以赴做到最好。我們以最快的速度接好線，開始了課程設計中的又一個難題，就是調(diào)試。打開開關(guān)后顯示矩陣并不正常，故按照模塊，一塊一塊地檢查。從脈沖發(fā)生器開始，先對比電路圖看是否接錯，然后用示波器接到其輸出端看輸出波形是否是方波，并且可以從示波器上讀出周期與理論值相比較；檢查計數(shù)器就把其輸出端接到八段數(shù)碼顯示管上，看其計數(shù)是否正確。在檢查完各芯片以后還是不正常，可利用萬用表測電位來查找錯誤之處，而且電位的檢查從電源和地開始。另外，由于555定時器的輸出頻率太大，直接接到后續(xù)電路上不便觀察結(jié)