課程設(shè)計四花樣彩燈控制器

1、2012 2013 學(xué)年 第 二 學(xué)期 數(shù)字電子技術(shù) 課 程 設(shè) 計 報 告題 目：四花樣彩燈控制器 專 業(yè)： 電子信息工程班 級：11 電信一班姓 名：孫葉林 陶輪 汪宏俊 汪義濤 王安亞王勁松 王亮亮 王向陽 魏偉指導(dǎo)教師： 周旭勝 電氣工程系2013年5月30日任務(wù)書課題名稱四花樣彩燈控制器指導(dǎo)教師（職稱）周旭勝 執(zhí)行時間2012 2013 學(xué)年第 2學(xué)期 第 14 周學(xué)生姓名學(xué)號承擔任務(wù)王安亞1109121033設(shè)計總電路圖1汪宏俊1109121031設(shè)計總電路圖2陶輪1109121030負責對比兩個總電路圖汪義濤1109121032設(shè)計555時鐘脈沖產(chǎn)生電路王向陽1109121036

2、設(shè)計四種碼產(chǎn)生電路王勁松1109121034設(shè)計輸出電路魏偉1109121037設(shè)計開關(guān)電路王亮亮1109121035查找參考資料孫葉林1109121029負責寫課程設(shè)計報告設(shè)計目的通過設(shè)計方案的比較，對比電路的復(fù)雜與簡單，器件的市場價格等方面因素，來選擇一種比較好的可行性設(shè)計方案設(shè)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。摘要隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，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

3、到了廣泛的應(yīng)用，用彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時尚。但目前市場上各式樣的LED彩燈控制器大多數(shù)用全硬件電路實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一，這樣一旦制作成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據(jù)不同場合、不同時間段的需要來調(diào)節(jié)亮燈時間、模式、閃爍頻率等動態(tài)參數(shù)。優(yōu)易LED全彩燈光控制系統(tǒng)由Color Edit編輯軟件、主控器、分控器和LED光源組成，廣泛應(yīng)用于城市景觀、風景名勝、道路橋梁、建筑輪廓、娛樂場所、戶外廣告、室內(nèi)裝飾等美化、亮化工程。四花樣自動切換的彩燈控制器，其電路簡單、取材容易，而且被廣泛地應(yīng)用與現(xiàn)實生活當中。例如用于店面裝飾可以增加其美觀，吸引更多顧客。在經(jīng)過了幾天緊張的電路焊

4、接和調(diào)試，期間還進行了部分方案的修改和改進，現(xiàn)已實現(xiàn)了課程設(shè)計的主要任務(wù)和具體要求。關(guān)鍵字：LED彩燈 硬件電路 目 錄第一章設(shè)計要求51.1 設(shè)計課題及要求5第二章系統(tǒng)組成及工作原理62.1 原理框圖62.2工作原理分析62.3 方案比較7第三章單元電路設(shè)計與計算83.1 時鐘脈沖產(chǎn)生電路83.2 四種碼產(chǎn)生電路93.3彩燈開關(guān)電路113.4 花樣輸出電路12第四章電路方案設(shè)計13第五章實驗、調(diào)試及測試結(jié)果分析145.1結(jié)果的調(diào)試及分析14第六章總結(jié)16參考文獻17附錄1 花樣彩燈控制器原理總圖18附錄二各芯片管腳圖19附錄三元器件清單20第一章設(shè)計要求1.1 設(shè)計課題及要求（一）題目：四花

5、樣彩燈控制器（二）基本要求：設(shè)計一四花樣自動切換的彩燈控制器，要求實現(xiàn)如下(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。（三）主要參考芯片： 555,74LS161，74LS74,74LS153,74LS164,74LS86第二章系統(tǒng)組成及工作原理2.1 原理框圖系統(tǒng)可由四個模塊組成：四種碼產(chǎn)生電路、開關(guān)電路、數(shù)據(jù)輸出、時鐘電路。每一個模塊完成特定的功能,再把它們有機的組織起來構(gòu)成一個系統(tǒng)完成彩燈控制器的設(shè)計。參考框圖如圖2.1所示：由一個555構(gòu)成時鐘電路，由模十

6、六計數(shù)器構(gòu)成四種碼產(chǎn)生電路，由雙D觸發(fā)器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成開關(guān)電路，由移位寄存器和八個彩燈構(gòu)成輸出電路，時鐘脈沖控制模十六計數(shù)器和移位寄存器，分頻計數(shù)器的Qd控制雙D觸發(fā)器。2.2工作原理分析1、 從多諧振蕩器(555)出來的脈沖信號作為計數(shù)脈沖送到模十六計數(shù)器（74LS161）和移位寄存器（74LS164）；雙D觸發(fā)器（74LS74）的脈沖信號由74LS161的Qd提供。2、分頻計數(shù)器、雙D觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器共同組成一個電子開關(guān)，控制四種花色的輸出及循環(huán)。3、由要求（1）到（4）可選輸出狀態(tài)位為8位(則選擇74LS164來實現(xiàn)右移)a、彩燈一亮一滅,從左向右移動：實現(xiàn)這一要求需使輸出狀態(tài)為10

7、101010，其周期位為2位。b、彩燈兩亮兩滅，從左向右移動：實現(xiàn)這一要求需使輸出狀態(tài)為11001100，其周期位為4位。c、四亮四滅，從左向右移動：實現(xiàn)這一要求需使輸出狀態(tài)為11110000，其周期位為8位。d、從18從左到右逐次點亮，然后逐次熄滅：實現(xiàn)這一要求需使輸出狀態(tài)為，其周期位為16位。2.3 方案比較方案比較框架圖如下：十六計數(shù)器數(shù)據(jù)選擇器移位寄存器多諧振蕩器多諧振蕩器雙D觸發(fā)器輸出用兩個555來產(chǎn)生時鐘脈沖，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼之間的間隔與彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間不成整數(shù)倍，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)，

8、故出現(xiàn)了混亂的狀態(tài)。若要成為倍數(shù)關(guān)系，提供雙D觸發(fā)器的脈沖周期至少是提供單脈沖的16倍，即T2=16*T1。 T1=2（R9+2*R10）*C3 ； T2=2（R11+2*R12）*C4 此時需改變雙D觸發(fā)器的CP脈沖，即改變多諧振蕩器的電阻，使得一種花樣完成后，數(shù)據(jù)選擇器地址輸入端狀態(tài)改變，正好選擇另一組碼輸出，彩燈花樣改變。但此種改法較復(fù)雜，在計算電阻和電容的過程中并沒用相應(yīng)的阻值、容值來提供選擇。而且比所采用的設(shè)計方案多出了一個555芯片。在工程成本上就相應(yīng)地增加了經(jīng)費，工程上不可取，非最佳設(shè)計方案。第三章單元電路設(shè)計與計算3.1 時鐘脈沖產(chǎn)生電路用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便

9、得到一個周期性的矩形脈沖,其周期為:T=0.7(R1+2R2)C(3-1)其中兩個555產(chǎn)生兩個時鐘脈沖,一個控制74LS161模十六計數(shù)器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動,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=10F由公式（3-1）計算得：T=0.721S電路圖如圖3.1所示:圖3.1 時鐘電路第二個時鐘脈沖是74LS161的QD輸出，這樣就可以完全保證數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼之間的間隔與彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間成整數(shù)倍，彩燈完全按照要求循環(huán)。3.2 四種碼產(chǎn)生電路根據(jù)彩燈要實現(xiàn)的四花樣,可確定移位寄存器輸出的二進制碼,即四種碼產(chǎn)生電路要產(chǎn)生的碼，如

10、表3-1所示：表3-1 四花樣彩燈循環(huán)代碼表花樣狀態(tài)要求周期（位）碼1一亮一滅，從左向右移動22兩亮兩滅，從左向右移動43四亮四滅，從左向右移動84從18從00左到右逐次點亮，然后逐次熄滅16要產(chǎn)生這四種碼，可由十六進制計數(shù)器輸出端Qa、Qb、Qc、Qd分別接數(shù)據(jù)選擇器的C0、C1、C2、C3，十六進制計數(shù)器的真值表如表3-2所示：表3-2 計數(shù)器真值表序號原狀態(tài)S(t)Q4 Q3 Q2 Q1次態(tài)N(t)Q4 Q3 Q2 Q1輸出Z1Z2Z3Z401234567891011121314150 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1

11、1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 00000000100000001100000011000000111100001111000011111111000000001由表3-2分析得：Z1=Q1，Z2=Q2 ，Z3=Q3，Z4=Q4所以四種碼產(chǎn)生電路如圖3.2所示：圖 3.2 四種碼產(chǎn)生電路3.

12、3彩燈開關(guān)電路要實現(xiàn)彩燈四花樣的自動轉(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)選擇器的兩個地址輸入端（A、B），雙D觸發(fā)器與一個異或門（74LS86）組合能產(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，實現(xiàn)彩燈的四花樣循環(huán)。 Q1 Q2 Q1* Q2* 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0由上表可知Q1*=Q1Q2 Q2*=!Q2開關(guān)電路圖如圖3.3所示:圖 3.3 開關(guān)電路3.4 花樣輸出電路輸出電路由八位移位寄存器74LS164、八個彩燈和八個驅(qū)動電阻構(gòu)成。寄存器的數(shù)據(jù)輸入

13、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，輸出四種彩燈花樣，循環(huán)進行。第四章電路方案設(shè)計電路圖設(shè)計，如附錄1所示：本電路圖設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)清晰，可分為四種碼產(chǎn)生電路、開關(guān)電路、輸出電路和時鐘電路這四個模塊。四種碼由模十六計數(shù)器產(chǎn)生，開關(guān)電路由雙D觸發(fā)器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成，輸出電路由移位寄存器和彩燈構(gòu)成，時鐘電路由一個555及74LS161的QD輸出構(gòu)成。通過改變多諧振蕩器的電阻可改變彩燈流動的速度和各花樣持續(xù)的時間，實現(xiàn)了彩燈花樣的動態(tài)變化，增強了控制器的靈活性。第五章實驗、調(diào)試及測試結(jié)果分析5.1結(jié)果的調(diào)試及分析1.調(diào)試使用的主要儀器: 數(shù)字萬用表直流穩(wěn)壓

14、電源示波器 2、實驗及調(diào)試：首先按照附錄1 對電路進行布局，再根據(jù)信號的傳輸?shù)木€路來依次進行焊接，采取邊焊接邊調(diào)試的方式，一級一級下來，保證每個電路單元都正常工作（這里電路單元是這一個芯片），最后，布入總線，連通電路。實驗中，為保證電路連接正常，調(diào)試時先是對每個芯片的功能進行檢測，逐級確保電路連接的正確及芯片的正常工作，再來測試彩燈的變化結(jié)果，根據(jù)測試現(xiàn)象的觀察，很顯然達到了課題的設(shè)計要求。3. 調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法a、焊完電路之后接通電源，發(fā)現(xiàn)8個發(fā)光二極管中有一個沒有被點亮。被認為是發(fā)光二極管一開始就是壞的，然后用一個新的經(jīng)檢查導(dǎo)通后使用，從新焊接上去。但是發(fā)現(xiàn)還是沒有被點亮，

15、然后用萬用表蜂鳴檔測量發(fā)現(xiàn)短路。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)，電路板上兩個本該斷開的兩個焊盤由于在生產(chǎn)過程中一條細的銅條把兩個焊盤導(dǎo)通了。經(jīng)處理之后8個發(fā)光二極管全部被點亮。b、在觀察測試結(jié)果時，發(fā)現(xiàn)在彩燈花樣形式由四亮四滅轉(zhuǎn)變?yōu)槿寥珳鐣r會出現(xiàn)一個短暫的停頓，這是因為每種花樣形式都需要有一個特定的初狀態(tài)，而轉(zhuǎn)變時并沒有出現(xiàn)所需的初狀態(tài)，但這都是屬于正常現(xiàn)象，它會自動轉(zhuǎn)換到所需形式。c、在觀察測試結(jié)果時，發(fā)現(xiàn)彩燈花樣形式轉(zhuǎn)變并非是按題目要求的循環(huán)。彩燈是按照一亮一滅、四亮四滅、全亮全滅、二亮二滅的順序來進行循環(huán)的，其原因是雙D觸發(fā)器是按00、10、11、01的循環(huán)碼輸出的，此時需適當調(diào)整觸發(fā)器和異或門的線路結(jié)

16、構(gòu)，使之按00、01、10、11規(guī)律輸出。經(jīng)檢查之后發(fā)現(xiàn)是由于一條線接錯了，經(jīng)改正之后出現(xiàn)了理想狀態(tài)的循環(huán)亮燈。d、彩燈的四種花樣都有，但中間有一些混亂的狀態(tài)：原因是數(shù)據(jù)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(xiàn)了混亂的狀態(tài)?？筛淖冸pD觸發(fā)器的CP脈沖，即改變多諧振蕩器的電阻，使得一種花樣完成后，數(shù)據(jù)選擇器地址輸入端狀態(tài)改變，正好選擇另一組碼輸出，彩燈花樣改變。在本設(shè)計中用74ls161D的Q4做雙D觸發(fā)器的CP脈沖，數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼之間的間隔恰好是彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時

17、間的整數(shù)倍。e、剛接上電源的時候彩燈出現(xiàn)短暫無規(guī)律現(xiàn)象，這是由于剛接上電的時候整個電路的電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)亂碼。短暫不穩(wěn)定之后，電路正常工作。屬于正?，F(xiàn)象。第六章總結(jié)設(shè)計電路關(guān)鍵在于對設(shè)計要求的理解分析以及對基本電路相關(guān)知識的熟練掌握。設(shè)計電路時，將總體的功能分成若干個部分來實現(xiàn)，是簡化電路設(shè)計思路的很好方法；且搞清各個模塊的功能與實現(xiàn)要求操作的具體方法，對電路故障的檢查也是很有幫助。參考文獻【1】石建平著. 數(shù)字電子技術(shù). 國防工業(yè)出版社. 2011年【2】電子技術(shù)實踐（三）脈沖與數(shù)字電路實驗指導(dǎo)書編輯：趙珂彭嵩【3】中國集成電路大全編寫委員會.中國集成電路大全TTL集成電路.北京：國防工業(yè)出

18、版社，1985附錄1 花樣彩燈控制器原理總圖附錄二各芯片管腳圖1. 模十六計數(shù)器74LS161，芯片管腳圖如下圖所示2. 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153，芯片管腳圖如下圖所示3. 移位寄存器74LS164，芯片管腳圖如下圖所示4. 555芯片管腳圖如下圖所示附錄三元器件清單種類元件數(shù)量（個）芯片74LS16174LS15374LS7474LS16474LS86555111111電容0.011011電阻1K51K510118發(fā)光二極管紅色8插槽16腳14腳8腳231電路板1導(dǎo)線、焊絲若干答辯記錄及評分表課題名稱四花樣彩燈控制器答辯教師（職稱）周旭勝 答辯時間 學(xué)年第 學(xué)期 第 周答辯記錄問1：同步時序邏輯電路等設(shè)計方法？答：1）根據(jù)邏輯問題的蚊子描述，建立原始狀態(tài)表；2） 采用狀態(tài)化簡法，將原始狀態(tài)化為最簡狀態(tài)表；3） 得到化簡的狀態(tài)圖后，對每