數(shù)電課設(shè)彩燈控制器的設(shè)計(jì)報(bào)告

..前言電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是配合電子技術(shù)基礎(chǔ)課程與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。是電氣信息類專業(yè)學(xué)生的重要基礎(chǔ)實(shí)踐課,也是工科專業(yè)的必修課,可以幫助我們鞏固和加強(qiáng)數(shù)電課程的理論知識(shí),掌握電子電路的一般設(shè)計(jì)方法及電子電路安裝與調(diào)試方法和故障排除方法,同時(shí)也可以培養(yǎng)我們的創(chuàng)新思維。本次課程設(shè)計(jì)的題目十分貼近日常生活?，F(xiàn)代生活中,彩燈越來(lái)越成為人們的裝飾品,它不僅能美化環(huán)境,渲染氣氛,還可以用于娛樂(lè)場(chǎng)所和電子玩具中,絕大多數(shù)的彩燈控制電路都是用數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本次設(shè)計(jì)的彩燈控制電路就是用計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器、譯碼器等來(lái)實(shí)現(xiàn)。將存儲(chǔ)器中的圖案用發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示,同時(shí)具備頻率調(diào)節(jié)、手動(dòng)復(fù)位及選畫(huà)功能。整個(gè)電路可分為脈沖發(fā)生電路、圖形控制電路、數(shù)碼管顯示電路和存儲(chǔ)電路。通過(guò)課本中的知識(shí)及翻閱資料可知,脈沖發(fā)生電路需要產(chǎn)生低頻和高頻脈沖。圖形控制電路中需要用74LS160設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器,用74LS138構(gòu)成譯碼器。數(shù)碼管顯示電路需要用兩塊數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù),存儲(chǔ)電路中需要寫(xiě)入圖案的二進(jìn)制編碼。初步設(shè)計(jì)好各單元電路之后,首先要單獨(dú)調(diào)試,再將各模塊連接起來(lái),完成電路的整體功能。第一章系統(tǒng)概述1、實(shí)踐要求通過(guò)對(duì)硬件編程,將圖形、文字、動(dòng)畫(huà)存儲(chǔ)在ROM中,通過(guò)計(jì)數(shù)器控制圖形、文字、動(dòng)畫(huà)的地址,再利用顯示矩陣顯示出來(lái)。系統(tǒng)所顯示的內(nèi)容可反復(fù)循環(huán),直至手動(dòng)或加壓清零,便可回到初始地址?！?以8×8的發(fā)光二極管點(diǎn)陣作為控制器的顯示器件〔含單色或三色；〔2要求顯示的圖案不少于50幅；〔3每幅圖案的顯示時(shí)間基本相等,這個(gè)時(shí)間在20ms、1s、2s三檔步進(jìn)預(yù)置；〔4具有手動(dòng)復(fù)位及加電自動(dòng)復(fù)位功能。2、原理分析與程序設(shè)計(jì)框圖通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)要求的解讀可知,本次實(shí)踐需要通過(guò)對(duì)ROM的編程來(lái)控制一個(gè)8*8的LED點(diǎn)陣輸出存在ROM中的各種圖形或者文字。因此需要用ROM的八根數(shù)據(jù)線來(lái)控制點(diǎn)陣的行,用74LS138的輸出控制點(diǎn)陣的列。由于點(diǎn)亮點(diǎn)陣是一行行或一列列亮的,所以需要74LS138譯碼器搭配著74LS161使用,接1000HZ以上的高頻,再接點(diǎn)陣,不斷地刷新點(diǎn)陣,這樣人眼才能看到一幅畫(huà)。而74LS138輸出低電平有效,因此,74LS138的輸出端接點(diǎn)陣LED燈的共陰的一端,ROM的數(shù)據(jù)線則接點(diǎn)陣LED燈共陽(yáng)的一端。因?yàn)镽OM控制行,且接共陽(yáng)極的一端,因此,我們?cè)谳敶a的時(shí)候,需要亮的部分用1表示,不亮的燈用0表示,設(shè)計(jì)好圖案后,依次輸入8列數(shù)據(jù)。而在選畫(huà)方面,則需要兩片74LS160接低頻來(lái)控制ROM高位的地址線,而控制譯碼電路的74LS161輸出的低三位接ROM的低三位來(lái)控制選畫(huà)。因?yàn)閳D形變換間隔時(shí)間要求在20ms-2s之間,所以低頻頻率應(yīng)為0.5HZ-50HZ。由于要求顯示五十幅畫(huà),而我們實(shí)際設(shè)計(jì)了70幅畫(huà),因此我們使用一個(gè)10*7進(jìn)制的計(jì)數(shù)器,用兩片74LS160同步CP端且用置數(shù)法來(lái)實(shí)現(xiàn),并且用顯示電路來(lái)顯示低位、高位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)情況,低位控制每幅畫(huà)面,高位控制每組畫(huà)面并通過(guò)對(duì)高、低位芯片的置數(shù)端、清零端的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)選畫(huà)與清零。不過(guò)要特別注意的是,由于我們選用的74LS160芯片是10進(jìn)制的,在對(duì)ROM的地址端控制的時(shí)候,會(huì)跳過(guò)1010-1111這一段的地址,因此,在對(duì)ROM輸入十行數(shù)據(jù)之后,要空六行數(shù)據(jù)再輸入下一行數(shù)據(jù),否則會(huì)出現(xiàn)跳畫(huà)的情況。通過(guò)上述分析,我們將系統(tǒng)分為五個(gè)功能模塊：脈沖發(fā)生電路〔又分為高頻脈沖發(fā)生電路和低頻脈沖發(fā)生電路、圖形控制電路〔列計(jì)數(shù)和行計(jì)數(shù)、存儲(chǔ)電路、數(shù)碼管顯示電路和發(fā)光點(diǎn)陣顯示電路。系統(tǒng)原理框圖如下圖所示：第二章單元電路設(shè)計(jì)與分析1、脈沖發(fā)生電路的設(shè)計(jì)首先,我們的目標(biāo)是獲得一個(gè)1000HZ的高頻脈沖,和0.5HZ-50HZ的低頻脈沖。通過(guò)老師的指導(dǎo),我們知道,可以通過(guò)FPGA中的晶振獲得20MHZ的高頻脈沖,那么我們需要一個(gè)分頻器來(lái)獲得1000HZ的高頻脈沖。我們用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)一個(gè)分頻器得到1000HZ的高頻脈沖,代碼如下：將20MHz通過(guò)20000分頻,即可得到1000HZ的目標(biāo)高頻頻率。由于我們嘗試過(guò)用這段代碼再輸入Quarters想要得到0.5-50HZ的低頻頻率,結(jié)果失敗了,所以我們決定使用74LS147和三塊74LS161芯片來(lái)分頻。因?yàn)榭紤]到實(shí)用性,20ms一幅圖根本看不清,我們將后兩塊74LS161分別設(shè)置為12進(jìn)制和十進(jìn)制,連接第一塊74LS161,通過(guò)74LS147編碼器連接開(kāi)關(guān)來(lái)片選二進(jìn)制、五進(jìn)制、七進(jìn)制和十進(jìn)制,來(lái)分別構(gòu)成240分頻、600分頻、840分頻和1200分頻,可分別得到4.17HZ、1.67HZ、1.19HZ和0.83HZ,即得到換圖時(shí)間間隔可選分別為0.24s、0.6s、0.84s和1.20s。其實(shí)還可以通過(guò)74LS147接開(kāi)關(guān)得到更多不同的播放速度,但由于實(shí)驗(yàn)箱上開(kāi)關(guān)不夠,我們只選擇了四種頻率。連接電路圖如下：2、圖形控制電路的設(shè)計(jì)〔1列計(jì)數(shù)控制電路〔譯碼驅(qū)動(dòng)電路因?yàn)樾枰獙?duì)點(diǎn)陣的列進(jìn)行高速的逐列掃描,我們通過(guò)74LS161接1000Hz高頻來(lái)控制74LS138譯碼器掃描點(diǎn)陣,同時(shí)74LS161的低三位接ROM的低三位來(lái)控制輸出圖片?！?行計(jì)數(shù)控制電路我們通過(guò)兩片74LS160來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)70進(jìn)制的計(jì)數(shù)器,我們采用同步計(jì)數(shù)法,將兩片74LS160的時(shí)鐘端都接到低頻脈沖電路的輸出口,低位的進(jìn)位端與高位的EP、ET端相連,當(dāng)?shù)臀坏挠?jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)到九之前進(jìn)位端輸出為零,則高位保持,當(dāng)?shù)臀坏挠?jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到九的時(shí)候,進(jìn)位端輸出為一,高位計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),即進(jìn)一個(gè)數(shù)。將高位的置位端與低位的置位端相連,因?yàn)槲覀冃枰诓シ磐昶呤?huà)后回到第一幅畫(huà)或者是回到我們想要的那一組畫(huà),則低位的74LS160的四個(gè)輸入端接地,高位的四個(gè)輸入端分別接開(kāi)關(guān)來(lái)選組畫(huà),并且我們知道,當(dāng)高位計(jì)數(shù)器記到七時(shí),輸出為0111,因此,將高位的低三位接三輸端的與非門,輸出與開(kāi)關(guān)一起接同或門,再接到連在一起的置位端,即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)或手動(dòng)選組畫(huà)。將高位的清零端與低位的清零端相連再接開(kāi)關(guān),即可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)清零復(fù)位的功能。低位的EP、ET端均接VCC。此模塊電路圖如下：3、數(shù)碼管顯示電路我們需要通過(guò)數(shù)碼管顯示來(lái)得到這是輸出第幾幅圖的顯示,因此我們需要兩塊數(shù)碼管與兩塊4551譯碼芯片。高位的數(shù)碼管連接4551再接到高位的74LS160的輸出端,低位的數(shù)碼管連接4551芯片再接到低位的74LS160的輸出端,即完成了數(shù)碼管顯示電路的接線。電路圖如下：因?yàn)槲覀兪鞘褂肍PGA,因此我們只需要將４５５１的ABCD端分別接板子的輸出,并且將DP端接地,測(cè)試燈端接5V電壓即可。4、存儲(chǔ)電路與發(fā)光顯示電路我們將連接高頻的74LS161的低三位輸出端接ROM的低三位地址線a[2]-a[0],來(lái)控制一幅圖的輸出,將低頻處低位的74LS160的四位輸出接ROM地址線的a[6]-a[3],高位74LS160的低三位接ROM地址線的a[9]-a[7],來(lái)控制選畫(huà)。然后將ROM的數(shù)據(jù)線接點(diǎn)陣的共陽(yáng)極,74LS138的輸出接點(diǎn)陣的共陰極,存儲(chǔ)電路與發(fā)光顯示電路就接完了。此模塊電路圖如下：第三章電路的安裝與調(diào)試1、電路連接工具：實(shí)驗(yàn)箱、鉗子、導(dǎo)線〔黃、藍(lán)、紅三種顏色、電阻8個(gè)、點(diǎn)陣因?yàn)槲覀兪褂肍PGA,所以接線比較簡(jiǎn)單。首先,使用Quarters畫(huà)好每個(gè)板塊的電路圖,再接好總圖的線,然后編譯文件,設(shè)置分配管腳后,再次編譯,然后下載到板子,電腦上的接線就完成了。在實(shí)驗(yàn)箱上,將對(duì)應(yīng)的管腳用導(dǎo)線接上,導(dǎo)線要注意橫平豎直,且都是直角,并且在接點(diǎn)陣時(shí),保護(hù)電阻接在共陽(yáng)極的管腳,接線就全部完成了。2、電路調(diào)試〔1點(diǎn)陣管腳測(cè)試我們小組在接線之前,進(jìn)行了點(diǎn)陣管腳的測(cè)試,因?yàn)辄c(diǎn)陣的管腳是亂序版的,所以需要我們將其管腳測(cè)試好。首先,我們將保護(hù)電阻接在第一個(gè)管腳,然后接5V電壓,再引一條導(dǎo)線接地,分別去接其它的管腳,我們發(fā)現(xiàn)有些管腳的燈亮了,有些管腳不亮燈,所以我們認(rèn)定接5V電壓的管腳是共陽(yáng)極的端子,其余亮燈的端子是共陰極,不亮燈的端子是共陽(yáng)極,然后將保護(hù)電阻都接到共陽(yáng)極端子的一邊。并且我們記錄下燈亮的位置,可以判斷我們接5V的這個(gè)共陽(yáng)極端子控制的是哪一行,并且知道每個(gè)共陰極端子控制的是哪一列,也都記錄下來(lái)。之后我們?cè)賹⒛骋粋€(gè)共陰極端子接地,用5V電壓分別接每個(gè)共陽(yáng)極端子,以確定每個(gè)端子控制的是哪一行,記錄下來(lái),點(diǎn)陣的管腳就測(cè)試完畢了?！?實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題及解決措施等接好全部的電路后,我們便下載程序到芯片中,我們發(fā)現(xiàn),我們的燈在亂變圖案,不是我們預(yù)期想要的,在經(jīng)過(guò)一步步地查線和詢問(wèn)同學(xué)后,我們發(fā)現(xiàn),ROM的時(shí)鐘端接了低電頻,但是它應(yīng)該接高電平,我們改過(guò)來(lái)后發(fā)現(xiàn)它果然有圖案了,但是圖案偏移了兩格,并且圖案是倒過(guò)來(lái)的。我們便將74LS138分配的管腳也偏移兩格,ROM分配的管腳倒置后,再下載,就可以得到我們想要的圖了。之后我們又想,靜止的圖案太單調(diào),于是我們又設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)的ILOVEU圖案〔LOVE用愛(ài)心表示。不過(guò)后來(lái)又遇到了問(wèn)題,計(jì)數(shù)器記到七十之后便沒(méi)有圖案了,會(huì)一直記到99才會(huì)循環(huán)到第一幅。然后我們看到了高位的計(jì)數(shù)器到七的時(shí)候輸出的是0111,我便設(shè)計(jì)了三輸端的與非門與高位計(jì)數(shù)器的低三位輸出端連接,與非門的輸出端再和開(kāi)關(guān)與同或門連接,再連接到兩個(gè)置數(shù)端,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)或者手動(dòng)置位了。第四章結(jié)束語(yǔ)在本次實(shí)驗(yàn)中,我們成功地完成了彩燈每組圖案的顯示與動(dòng)圖的顯示,看著漂亮的彩燈與其顯示的可愛(ài)圖案,我們特別有成就感。不過(guò),我們當(dāng)初是想著讓音樂(lè)配合著彩燈播放,會(huì)更有意思與創(chuàng)意,不過(guò)我們不夠時(shí)間實(shí)現(xiàn)了,也非常可惜,打算找個(gè)時(shí)間自己做一做,玩一玩。在本次