四花樣彩燈控制器實驗報告

PAGEXX第19頁PAGE課程設計說明書課程設計名稱：電子技術（數字電路部分）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)：電子信息工程班級：****學號：**姓名：***評分：教師：2014年6月10日數字邏輯課程設計任務書2013－2014學年第二學期第15周－16周題目四花樣彩燈控制器內容及要求內容：設計一四花樣自動切換的彩燈控制器，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1～8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：1、根據任務要求，查閱相關資料，完成設計的前期工作；（兩天）2、根據資料，進行方案設計并對比論證，完成參數計算；（三天）3、庫房領取元器件，聯(lián)接電路，完成電路調試；（五天）4、檢查完畢后，撰寫實驗報告。學生姓名指導時間指導地點：綜合樓中509室任務下達2014年5月26日任務完成2014年6月6日考核方式1.評閱□2.答辯□3.實際操作√4.其它□指導教師系（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。課程設計結束后與“課程設計小結”、目錄8952第1章前言 1106651.1摘要 1147651.2設計要求： 126371.3主要參考元器： 23992第2章系統(tǒng)組成及工作原理 2283272.1各模塊的組成及功能分析： 2182632.2工作原理分析： 321407第3章電路設計 3173913.1電路圖設計： 327384第4章單元電路設計與計算 5101414.1時鐘脈沖產生電路 5203194.2工作原理: 697854.3時鐘電路圖如圖 7168274.4四種碼產生電路 7122114.5彩燈開關電路 95754.6花樣輸出電路設計 1123409第5章整機電路設計 12109575.1整機電路工作原理： 13913第6章結果的調試及分析 14239776.1.調試使用的主要儀器: 14141826.2測試電路的方法和技巧: 14293276.3.調試中出現的故障、原因及排除方法： 1498926.4結論： 1523974第7章電路仿真 1529457仿真電路 159962參考文獻 181219附錄元器件明細表 18第1章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，用彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經成為一種時尚。但目前市場上各式樣的LED彩燈控制器大多數用全硬件電路實現，電路結構復雜、功能單一，這樣一旦制作成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據不同場合、不同時間段的需要來調節(jié)亮燈時間、模式、閃爍頻率等動態(tài)參數。優(yōu)易LED全彩燈光控制系統(tǒng)由ColorEdit編輯軟件、主控器、分控器和LED光源組成，廣泛應用于城市景觀、風景名勝、道路橋梁、建筑輪廓、娛樂場所、戶外廣告、室內裝飾等美化、亮化工程。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(lián)接，就能營造出平面上色彩變化的場景，這比通?？刂埔粭l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?。戳涟党潭龋﹣砗嫱袏蕵返呐d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。本課題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1.1摘要：彩燈控制器在我門日常生活中有重要的運用，如廣告牌的設計和節(jié)日彩燈的設計都能運用到它的原理。本次設計的四花樣彩燈控制器是其中較簡單的，但這是進行復雜設計的基礎。本次課程設計要設計一個四花樣彩燈控制器。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?？赏ㄟ^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。根據四種花樣確定這四種碼，可通過模十六計數器74LS161的輸出端接與門74LS08和非門74LS04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74LS161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。經實驗驗證，所設計的四花樣彩器能完成四花樣變換。關鍵詞時鐘脈沖；分頻；自動轉換；控制器；數據選器1.2設計要求：基本要求：設計一四花樣自動切換的彩燈控制器，要求實現(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1～8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主要參考元器：555定時器，模十六計數器74LS161，雙D觸發(fā)器74LS74，與門74LS08，非門74LS04，四選一數據選擇器74LS153，八位移位寄存器74LS164。第2章系統(tǒng)組成及工作原理把四花樣彩燈設計分為幾個獨立的功能模塊進行設計,每一個模塊完成特定的功能,再把它們有機的組織起來構成一個系統(tǒng)完成彩燈控制器的設計。系統(tǒng)可由四個模塊組成，它們分別是：四種碼產生電路、開關電路、數據輸出、時鐘電路。設計框圖如圖時鐘電路時鐘電路輸出電路時鐘電路控制電路四種碼產生電路2.1各模塊的組成及功能分析：1.四種碼產生電路:由模十六計數器74LS161、與門74LS08和非門74LS04組成，計數器的四個輸出端接組合邏輯門從而產生四種碼。2.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0．721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。3.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。4.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)。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3章電路設計3.1電路圖設計：將各單元電路組織起來就得到了系統(tǒng)電路圖，如附錄1所示：本電路圖設計簡單、結構清晰，可分為四種碼產生電路、開關電路、輸出電路和時鐘電路這四個模塊。四種碼產生電路由模十六計數器和組合邏輯門構成，開關電路由雙D觸發(fā)器和數據選擇器構成，輸出電路由移位寄存器和彩燈構成，時鐘電路由兩個555構成。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，實現了彩燈花樣的動態(tài)變化，增強了控制器的靈活性。彩燈控制器電原理圖如圖所示。ICl、IC2由555接成多諧振蕩器。IC3由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。IC4是雙D觸發(fā)器74LS74，在這里接成兩位2進制加法計數器。IC5是雙4選l數據選擇器74LSl53，這里只用了它的一組4選1數據通道。IC6是3位單向移位寄存器74LSl64，它是產生移動燈光信號的核心器件。

驅動電路用8只三極管組成8路射隨器作緩沖放大，去觸發(fā)作電流開關的8只雙向可控硅，以控制彩燈發(fā)光。電路的十5V電源由220V／9V變壓器降壓，經D1一D4橋式整流，7805穩(wěn)壓后給控制電路供電。電路圖如圖比較方案2電路圖優(yōu)點:本電路圖設計簡單、結構清晰，可分為四種碼產生電路、開關電路、輸出電路和時鐘電路這四個模塊。四種碼產生電路由模十六計數器和組合邏輯門構成，開關電路由雙D觸發(fā)器和數據選擇器構成，輸出電路由移位寄存器和彩燈構成，時鐘電路由兩個555構成。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，實現了彩燈花樣的動態(tài)變化，增強了控制器的靈活性。缺點：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)，可改變雙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，數據選擇器地址輸入端狀態(tài)改變，正好選擇另一組碼輸出，彩燈花樣改變第4章單元電路設計與計算4.1時鐘脈沖產生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4-1所示。圖4-1NE555定時器555定時器內部機構如圖4.1所示，它主要有以下部分組成：(1)電阻分壓器。由3個5KΩ的電阻組成。(2)電壓比較器。由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。4.2工作原理:多諧振蕩器的輸出波形圖，如圖所示。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Vcc／3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2VCC／3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Vcc／3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。4.3時鐘電路圖如圖用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:T=0.7(R1+2R2)C要用兩個555產生兩個時鐘脈沖,兩個時鐘電路是相同的。一個控制74LS161模十六計數器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動,電阻值和電容值可設為：R1=1KΩR2=51KΩC=0.1μf由公式計算得：T=0.7（1+2*51）*1000*0.1*0.000001=0.0714/S時鐘電路的輸出一路作為計數脈沖送到模十六計數器74LS161；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20倍,改變R1、R2的阻值即可，可設為：R1=1KΩR2=1MΩC=10μF由公式計算得：T=0.7（1+2*1000）*1000*0.1*0.000001=1.428/S4.4四種碼產生電路四種碼產生電路的核心器件是74LS161構成十六位計數器，模十六計數器74LS161芯片管腳圖如圖4-4所示。74LS161具有以下功能：1.同步并行預置數。當=1，=0時，再輸入脈沖CP上升沿的作用下，并行輸入端的數據dcba被置入計數器的輸出端，即(QDQCQBQA)=dcba。由于這個操作要與CP上升沿同步，所以稱為同步預置數。2.異步清零。當＝0，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，稱為異步清零。3.計數。當＝=EP=ET=1時，在CP端輸入計數脈沖作用下，計數器進行二進制加法器計數。.4.保持。當＝=1，且EP*ET=0，則計數器保持原狀態(tài)不變。這時，如EP＝0、ET=0，則進位信號Oc(Oc=QDQCQBQAET)保持不變；如ET=0則不管EP狀態(tài)如何，進位信號Oc=0。74LS08是2輸入四正與門集成電路芯片,74LS04是帶有4個非門的芯片。四種碼產生電路如圖工作原理：花樣狀態(tài)要求周期（位）碼1一亮一滅，從左向右移動8100000002兩亮兩滅，從左向右移動8110000003四亮四滅，從左向右移動8111100004從1～8從00左到右逐次點亮，然后逐次熄滅161111111100000000四種碼產生電路由74LS161構成十六位計數器。74LS08是2輸入四正與門集成電路芯片,74LS04是帶有4個非門的芯片，用來控制和改變74LS161輸出的數據，使計數器迅速復位。最終產生四種不同的碼，來實現彩燈的四花樣。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。4.5彩燈開關電路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。使雙D觸發(fā)器的輸出端接數據選擇器的兩個地址輸入端，雙D觸發(fā)器能產生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，實現彩燈的四花樣循環(huán)。開關電路圖如圖4.3所示：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芯片管腳圖如圖所示。設雙D觸發(fā)器的初始狀態(tài)Q1Q2=00可得，Q1、Q2的狀態(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。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。Q1Q2=AB，74LS153數據選擇器的功能表如表4-3所示。表4-3數據選擇器功能表B（Q2）A（Q1）1Y0110000110Z1Z3Z4Z2Z1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4-3可知，A、B循環(huán)轉變，輸1Y循環(huán)選擇四種碼Z1、Z2、Z3、Z4輸出，使彩燈的四花樣自動循環(huán)改變。4.6花樣輸出電路設計花樣輸出電路由由八位移位寄存器74LS164、八個彩燈和八個驅動電阻構成。位移位寄存器74LS164芯片管腳圖如圖4-8所示。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ＱＡ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；QA－QH：輸出端花樣輸出電路如圖所示。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4-4所示。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.第5章整機電路設計根據單元電路可得到整機工作原理圖，如圖四花樣彩燈循環(huán)的整機電路圖5.1整機電路工作原理：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：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。然后，從輸出端輸出到四選一選擇器的輸入端A，B。最終，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。第6章結果的調試及分析6.1.調試使用的主要儀器:數字萬用表直流穩(wěn)壓電源示波器函數信號發(fā)生器6.2測試電路的方法和技巧:先檢查各芯片的電源和地是否接上，檢查線路是否連好；前面的檢查無問題后，再根據彩燈的變化情況，確定可能的原因，分析是哪個功能模塊出了問題，用數字萬用表檢查各模塊的功能，發(fā)現并改正錯誤，直到符合要求為止。6.3.調試中出現的故障、原因及排除方法：（1）彩燈只有一種花樣變化，沒有其它的花樣：原因可能是雙D觸發(fā)器74LS74不能產生周期性的兩位二進制碼或是555不能產生觸發(fā)雙D觸發(fā)器的CP脈沖，使雙D觸發(fā)器維持在一種狀態(tài)?？蓳Q一片好的74LS74芯片或檢查555CP脈沖產生電路，看是否產生周期性的CP脈沖，使雙D觸發(fā)器產生四種循環(huán)的狀態(tài)，彩燈就能四花樣變化。（2）彩燈的四種花樣都有，但中間有一些混亂的狀態(tài)：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)。可改變雙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，數據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。（3）彩燈無規(guī)律變化：原因可能是四種碼的產生電路不能產生符合要求的四種碼，檢查模十六計數器的CP脈沖是否穩(wěn)定，看74LS161是否能計數，即QA、QB、QC、QD是否周期性的高低電平變化，前面沒問題，再檢查與門74LS08和非門74L