數(shù)字電子課程設(shè)計彩燈控制器

課程設(shè)計說明書課程名稱：電子課程設(shè)計設(shè)計題目：彩燈控制器班級：測控111姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：設(shè)計時間：2013-7-8~~2013-7-17摘要:近年來，由于集成電路的迅速發(fā)展，使得數(shù)字邏輯電路的設(shè)計發(fā)生了根本性的變化。在設(shè)計中更多的使用中規(guī)模集成電路，不僅可以減少電路組件的數(shù)目，使電路簡捷，而且能提高電路的可靠性，降低成本。因此用集成電路來實(shí)現(xiàn)更多更復(fù)雜的器件功能則成為必然?，F(xiàn)代生活中，彩燈越來越成為人們的裝飾品，它不僅美化環(huán)境，渲染氣氛，還可以用于娛樂場所和電子玩具中去，現(xiàn)以該課題為例進(jìn)行分析與設(shè)計可編程的彩燈控制的電路很多，構(gòu)成方式和采用的集成片種類、數(shù)目更是五花八門，而且有專門的可編程彩燈控制電路。絕大多數(shù)的彩燈控制電路都是數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，例如：用中規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的彩燈控制器主要用計時器、譯碼器、分配器和移位寄存器等集成。本次設(shè)計的可編程彩燈控制電路就是用計數(shù)器和譯碼器等來實(shí)現(xiàn)的。關(guān)鍵詞：計數(shù)器；555定時器；發(fā)光二極管1.AbstractInrecentyears,duetotherapiddevelopmentcircuits,makedigitallogiccircuitdesignundergoneafundamentalchange.Inthedesignmoreusescaleintegratedcircuit,notonlycanreducethenumberofcircuitcomponents,thecircuit,andcanimprovethesimplicityofthecircuitreliability,reducethecost.Sowithintegratedcircuittoachievemorecomplexdevicefunctionisinevitable.Inmodernlifelanternhasbecomemoreandmorepeopleadornment,itnotonlycanbeautifytheenvironment,renderingatmosphere,itcanalsobeusedinentertainmentandelectronictoys,nowwiththistopicforexampleanalysisanddesignprogrammablelightscontrolcircuitmany,theformsandintegratedpiecetype,number,andmultifarioushasspecialprogrammablecircularlightscontrolcircuit.Mostofthelightscontrolcircuitrealizedwiththedigitalcircuits,forexample,usemediumscaleintegratedcircuitrealizedwiththelightscontrollermainlycounteranddecoder,distributorsandshiftregisterectintegration.Thedesignoftheprogrammablelightscontrolcircuitistouseregisters,counteranddecoder,ect.Torealize,itscharacteristicisusinglight-emittingdiodesdisplay,realizepresentprogrammingcircularfunction.Keywords:LED;Counter;ME555目錄1．緒論···············································1······································2················································2················································2···············································23.總體方案設(shè)計········································3············································33.2總體設(shè)計原理···········································33.3總體設(shè)計元件···········································4··························································································4.2七進(jìn)制計數(shù)器·······················4.3譯碼及邏輯電路··········································5．仿真調(diào)試及結(jié)果······················································································································································································································································參考文獻(xiàn)···········································附錄················································1．緒論節(jié)日彩燈使生活中常常用到的裝飾物品。它集中地運(yùn)用了集成電路、LED，自動控制等技術(shù)，是典型的基于單片機(jī)的電子產(chǎn)品。隨著計算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的快速進(jìn)步，智能化技術(shù)的開發(fā)速度越來越快,智能度越來越高,應(yīng)用范圍也得到了極大的擴(kuò)展。在海洋開發(fā)、宇宙探測、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、社會服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域。在娛樂方面，場地的裝飾離不開彩燈。在建筑方面也采用彩燈來裝飾高樓大廈。彩燈又靈活多變的點(diǎn)亮方式，裝飾效果非常好，特別時晚上使得高樓大廈更加漂亮。是彩燈的應(yīng)用才使得城市的夜景非常迷人?，F(xiàn)代生活中，彩燈越來越成為人們的裝飾品，它不僅美化環(huán)境，渲染氣氛，還可以用于娛樂場所和電子玩具中去，現(xiàn)以該課題為例進(jìn)行分析與設(shè)計可編程的彩燈控制的電路很多，構(gòu)成方式和采用的集成片種類、數(shù)目更是五花八門，而且有專門的可編程彩燈控制電路。絕大多數(shù)的彩燈控制電路都是數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，例如：用中規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的彩燈控制器主要用計時器、譯碼器、分配器和移位寄存器等集成。2.設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計目的根據(jù)常用的電子技術(shù)知識，以及可獲得技術(shù)書籍與電子文檔，初步形成電子設(shè)計過程中收集、閱讀及應(yīng)用技術(shù)資料的能力；熟悉電子系統(tǒng)設(shè)計的一般流程；掌握分析電路原理、工程計算及對主要技術(shù)性能進(jìn)行測試的常見方法；最終，完成從設(shè)計圖紙到實(shí)物搭建的整個過程，并調(diào)試作品。設(shè)計任務(wù)在文藝及休閑娛樂場所，各種圖案的彩燈，若明若暗，相互映照，不僅增加了歡快的氣氛，且給人以美的享受。彩燈控制器就是將構(gòu)成一定圖案的彩燈按照人們的要求依照一定的規(guī)律周期性的亮暗變化，利用人的視覺特性，形成多姿多彩的光學(xué)效果。彩燈控制器的原理框圖如圖1所示。脈沖信號源產(chǎn)生一定頻率的矩形波電壓信號，驅(qū)動七進(jìn)制計數(shù)器的工作，最后通過組合邏輯電路把七進(jìn)制計數(shù)器的輸出信號變換為驅(qū)動彩燈按一定的規(guī)律周期性或點(diǎn)亮或熄滅或閃爍的信號。設(shè)計要求設(shè)計一個彩燈控制器，要求如下：（1）由3只彩燈（發(fā)光二極管）組成圖案。（2）控制紅、綠、黃一組彩燈循環(huán)閃亮，變化的規(guī)律是：紅→紅綠→綠→黃綠→黃→全亮→全滅→紅。（3）可以調(diào)整閃亮速度的快慢。3.總體方案設(shè)計近年來，由于中，大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，使得數(shù)字邏輯電路的設(shè)計發(fā)生了根本性的變化。在設(shè)計中更多的使用中。大規(guī)模集成電路，不僅可以減少電路組件的數(shù)目，使電路簡捷，而且能提高電路的可靠性，降低成本。因此，彩燈控制器總體方案設(shè)計如下：1.據(jù)總的功能和技術(shù)要求，把復(fù)雜的邏輯系統(tǒng)分解成若干個單元系統(tǒng)，單元的數(shù)目不宜太多，每個單元也不能太復(fù)雜，以方便檢修。2.各個單元電路由標(biāo)準(zhǔn)集成電路來組成，選擇合適的集成電路及器件構(gòu)成單元電路。3.各個單元電路間的連接，所有單元電路在時序上應(yīng)協(xié)調(diào)一致，滿足工作需求，相互間電氣特性應(yīng)匹配，保證電路能正常，協(xié)調(diào)工作。設(shè)計任務(wù)中所要求的7種循環(huán)方式并不復(fù)雜，用中小規(guī)模集成電路就能實(shí)現(xiàn)。本控制應(yīng)由脈沖信號源，七進(jìn)制計數(shù)器，基本邏輯電路和彩燈等組成，其框圖如圖1所示：圖1彩燈控制器框圖該設(shè)計電路由脈沖信號源提供時間脈沖給七進(jìn)制計數(shù)器，再由七進(jìn)制計數(shù)器的輸出經(jīng)過譯碼器和基本邏輯電路來實(shí)現(xiàn)彩燈的七種循環(huán)方式。其實(shí)現(xiàn)電路如下圖2所示：圖23.3總體設(shè)計元件3.3.1555定時器555定時器是設(shè)計電路中脈沖信號源的核心原件。它是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，其應(yīng)用極為廣泛。它不僅用于信號的產(chǎn)生和變換，還常用于控制和檢測電路中。本設(shè)計電路就運(yùn)用了它的前一個特點(diǎn)：信號的產(chǎn)生和變換。定時器有雙極型和COMS兩種類型的產(chǎn)品，它們的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同，沒有本質(zhì)區(qū)別。一般來說，雙極型定時器的驅(qū)動能力較強(qiáng)，電源電壓范圍為5V-16V，最大負(fù)載電流可達(dá)到200MA。而CMOS定時器的電源電壓范圍為3-18V，最大負(fù)載電流在4MA以下，它具有功耗低、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。1．電路結(jié)構(gòu)555定時器的內(nèi)部電路由分壓器、電壓比較器C1和C2、簡單SR鎖存器、放電三極管T以及緩沖器G組成，其外內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖3圖4所示。圖3。555定時器內(nèi)部圖圖4.555定時器外部引腳圖2．工作原理電壓比較器的參考電壓由三只5KΩ的電阻器構(gòu)成分壓，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和。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)輸入信號輸入并超過Vcc/3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2Vcc/3時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時輸出作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。綜上所述，可得555定時器功能表，如下表1所示：輸入輸出閾值輸入（Vi1）觸發(fā)輸入（Vi2）復(fù)位（)輸出（V0）放電管TXX00導(dǎo)通<2Vcc/3<Vcc/311截止>2Vcc/3>Vcc/310導(dǎo)通<2Vcc/3>Vcc/31不變不變（1）.構(gòu)成施密特觸發(fā)器，用于TTL系統(tǒng)的接口，整形電路等。（2）.構(gòu)成多諧振蕩器，組成信號產(chǎn)生電路。（3）.構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，用于定時延時整形等。555定時器應(yīng)用電路采用這3種方式中的一種或多種組合起來可以組成各種實(shí)用的電子電路，如：定時器、分頻器、脈沖信號發(fā)生器、元件參數(shù)和電路檢測電路、自動控制電路和頻率變換電路等。本設(shè)計應(yīng)用的就是555定時器構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生脈沖信號發(fā)生器。計數(shù)器芯片74LS160計數(shù)器是最常用的時序電路之一，它們不僅可用于對脈沖進(jìn)行計數(shù)，還可用于分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以及其他時序信號。計數(shù)器的種類不勝枚舉，按觸發(fā)器動作分類，可分為同步計數(shù)器和異步計數(shù)器；按計數(shù)數(shù)值增減分類，可分為加計時器、減計數(shù)器和可逆計數(shù)器；按編碼分類，又可分為二進(jìn)制碼計數(shù)器、BCD碼計數(shù)器、循環(huán)碼計數(shù)器。本設(shè)計使用的是計數(shù)器74LS160。它是一種典型的高性能、低功耗COMS4位同步二進(jìn)制加計數(shù)器，它可在1.2~3.6V電源電壓范圍內(nèi)工作，其所有邏輯輸入端都可耐受高達(dá)5.5V的電壓，因此，在電源電壓為3.3V時可直接與5V供電的TTL邏輯電路接口。它的工作速度很高，從輸入時鐘脈沖CP上升沿到Qn輸出的典型延時時間僅3.9ns，最高時鐘工作頻率可達(dá)200MHz。下圖6所示是74LS160的內(nèi)部邏輯圖，除了同步二進(jìn)制計數(shù)功能外，電路還具有并行數(shù)據(jù)的同步預(yù)置功能。芯片74LS160的外部引腳圖也如下圖5所示。圖574LS160引腳圖圖674LS160內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖當(dāng)=0時為并行數(shù)據(jù)預(yù)置操作，每個數(shù)據(jù)選擇器左邊的與門打開，于是，D3–D0到達(dá)相應(yīng)的觸發(fā)器的輸入端，當(dāng)CP脈沖沿到達(dá)時，該組數(shù)據(jù)進(jìn)入觸發(fā)器而實(shí)現(xiàn)同步預(yù)置；當(dāng)=1時，右邊的與門打開，各D觸發(fā)器與相應(yīng)的同或門實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器，接受同步計數(shù)的控制信號，其工作原理與上內(nèi)部圖電路相同。下面對照邏輯圖和功能表，說明它工作時各引線端的功能和操作。輸入輸出清零預(yù)置使能時鐘預(yù)置數(shù)據(jù)輸入Q3Q2Q1Q0進(jìn)位CEPCETCPD3D2D1D0TCLXXXXXXXXLLLLLHLXXD3*D2*D1*D0*D3D2D1D0#HHLXXXXXX保持#HHXLXXXXX保持LHHHHXXXX計數(shù)#時鐘脈沖CP是計數(shù)脈沖輸入端，也是芯片內(nèi)4個觸發(fā)器的公共時鐘輸入端。異步清零=1時各輸入信號起作用。并行置數(shù)使能置數(shù)控制端。計數(shù)和保持操作都要求=1。數(shù)據(jù)輸入端Dn計數(shù)使能CEP主要控制本芯片的計數(shù)操作。計數(shù)使能端CET該信號和CEP 做與運(yùn)算后實(shí)現(xiàn)對本芯片的控制。進(jìn)位信號TC只有當(dāng)CET=1且Q3Q2Q1Q0=1111時，TC才為1，表明下一個時鐘脈沖上升沿到來將會有進(jìn)位發(fā)生。綜合上述功能可以得到74LS160的典型時序圖7，如下圖所示。當(dāng)清零信號=0時，各觸發(fā)器置0.當(dāng)=1時，若=0，在下一個時鐘脈沖上升沿到來后，各觸發(fā)器的輸出狀態(tài)與預(yù)置的輸入數(shù)據(jù)相同。在==1的條件下，若CET=CEP=1,則電路處于計數(shù)狀態(tài)。圖中從預(yù)置的1100開始計數(shù)，直到CET·CEP=0，計數(shù)狀態(tài)結(jié)束。此后處于禁止計數(shù)的保持狀態(tài)：Q3Q2Q1Q0=0010。圖774LS160的典型時序圖譯碼器芯片74LS138譯碼器可分為兩種類型，一種是將一系列代碼轉(zhuǎn)換成與之一一對應(yīng)的有效信號。這種譯碼器可稱為唯一地址譯碼器，它常用于計算機(jī)中對存儲器單元地址譯碼，即將每一個地址代碼轉(zhuǎn)換成另一個有效信號，從而選中相應(yīng)的單元。另一種是將一種代碼轉(zhuǎn)換成另一種代碼，所以也稱為代碼轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計使用的74LS138屬于二進(jìn)制唯一地址譯碼器。芯片74LS138的外部引腳圖和內(nèi)部原理如下圖8所示。圖8該譯碼器有3位二進(jìn)制輸入A2、A1、A0，它們共有8種狀態(tài)組合，即可譯出8個輸出信號—,輸出為低電平有效。由功能表如下圖，有功能表可得功能表:輸入輸出E3A2A1A0XHXXXXHHHHHHHHXXHXXXHHHHHHHHLXXXXXHHHHHHHHHLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLLHHHHHHHHHHL利用3線-8線譯碼器可以構(gòu)成4線-16線、5線–32線或6線–64線譯碼器。芯片74LS00、74LS10、74LS2074LS00二輸入端四與非門邏輯表達(dá)式74LS10三輸入端三與非門邏輯表達(dá)式74LS20四輸入端二與非門邏輯表達(dá)式引腳排列圖9如下：圖9芯片引腳圖脈沖信號是一種離散信號，形狀多種多樣，與普通模擬信號（如正弦波）相比，波形之間在時間軸不連續(xù)（波形與波形之間有明顯的間隔）但具有一定的周期性是它的特點(diǎn)。最常見的脈沖波是矩形波（也就是方波）。脈沖信號可以用來表示信息，也可以用來作為載波，還可以作為各種數(shù)字電路、高性能芯片的時鐘信號?，F(xiàn)實(shí)生活中產(chǎn)生脈沖信號有多種方式，比如：脈沖信號發(fā)生器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振蕩器，555定時器等。由于555定時器內(nèi)部的比較器靈敏度高、驅(qū)動電流大、功能靈活，而且采用差分方式，用555定時器組成多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化影響很小。因此，本設(shè)計使用的是555定時器組成多諧振蕩器。工作原理用555定時器組成多諧振蕩器如下圖10所示。接通電源后，電容C被充電，當(dāng)Vc上升到時，使V0為低電平，同時放電三極管T導(dǎo)通，此時電容C通過R2和 T放電，Vc下降。當(dāng)Vc下降到時，V0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需時間為：=R2CIn2當(dāng)放電結(jié)束時，T截止，Vcc將通過R1、R2向電容C充電，Vc由上升到所需時間為：(R1+R2)C當(dāng)Vc上升到時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。電路工作波形如圖所示。其振蕩頻率為;f=1/(+)1.43/(R1+2R2)C圖10555定時器組成的多諧振蕩電路及波形如果要實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)，最常用的的如圖11.由于電路中二極管D1,D2單向?qū)щ娞匦?，使電容器的充放電回路分開，調(diào)節(jié)電位器，就可調(diào)節(jié)多諧振蕩器的占空比。圖中，Vcc通過Ra、D1向C充電，充電時間為：電容器C通過D2、Rb及555中的三極管T放電，放電時間為：電路輸出的波形占空比為：q（%）=Ra*100%/（Ra+Rb）圖11占空比可調(diào)的方波發(fā)生器4.2七進(jìn)制計數(shù)器圖12本設(shè)計電路中的七進(jìn)制計數(shù)器芯片74LS160的CP端接入由555定時器組成多諧振蕩器的輸出端，由此來接收脈沖信號。計數(shù)器從Q3Q2Q1Q0=0000開始計數(shù)，當(dāng)?shù)?個CP到達(dá)后，計到0110，此時==0。并不能立即清零，而是要等第7個脈沖上沿到來后，計數(shù)器被置成0000，狀態(tài)圖（圖13）如下，0010100111001010000110從而才能實(shí)現(xiàn)彩燈七種變化，根據(jù)彩燈輸出順序000到0010100111001010000110圖13七進(jìn)制狀態(tài)圖4.3譯碼及邏輯電路圖14圖14為本設(shè)計譯碼及邏輯電路部分。譯碼器74LS138的輸入端A、B、C接上單元的74LS160的輸出端，對上單元的輸出000~110數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，再由輸出端—通過簡單邏輯電路三輸入與非門和四輸入與非門來控制彩燈的明暗。根據(jù)電路圖14，可以得到：ABC000111100012314576因此可根據(jù)以上得出，當(dāng)給譯碼器連續(xù)輸入二進(jìn)制代碼時，對應(yīng)的紅亮暗情況ABC紅綠黃000LLL001HLL010HHL011LHL100LHH101LLH110HHH由此可得：紅黃綠各燈的邏輯表達(dá)式為：5．仿真調(diào)試及結(jié)果脈沖信號源的仿真使滑動變阻器的阻值為0，給方波發(fā)生電路接通電源，并連接到示波器上。測得平均的頻率f≈25Hz。改變滑動變阻器的阻值時，可觀察得，電路的頻率發(fā)生變化，但是波形形狀始終不變，占空比為50%。圖15.脈沖信號發(fā)生器波形圖圖15.循環(huán)計數(shù)器仿真波形檢查電路圖無誤后，可接通電源以模擬循環(huán)過程。由于電源接通瞬間，電容C1，C2，相當(dāng)與短路，使D觸發(fā)器直接置零端由效，74LS160的置數(shù)端PL有效，74LS160置數(shù)“0000”計數(shù)器遞增計數(shù)，。只要紅黃綠等全亮，從而使計數(shù)器置零，發(fā)光二極管燈亮順序為全滅、紅、紅綠、綠、黃綠、黃、全亮的規(guī)律變化。改變電位器的接入電阻，觀察燈變化的速度。接入電阻增大時，燈變化的速度應(yīng)加快。但由于本設(shè)計所給電位器不夠大，調(diào)節(jié)電位器現(xiàn)象不夠明顯，可以考慮在電位器兩端各串聯(lián)49kΩ的電阻，這樣調(diào)節(jié)電位器，燈變化的速度才明顯觀察出來。在電路組裝過程中，遇到的最大問題是，當(dāng)時設(shè)計時考慮不周全，芯片分布不夠合理，出現(xiàn)了許多“特長線”。不但影響布線速度，而且也會給后來的調(diào)試帶來不必要的麻煩。當(dāng)時已經(jīng)布線不少，不可能重新開始，再三權(quán)衡，最后只移動了一個芯片，問題就得到了很大改善。其次就是布線，因為要求不準(zhǔn)交叉，且橫平豎直，所以在保證連通的情況下，在布線上也下了不少工夫。調(diào)試過程中，第一輪用萬用表歐姆檔測試，就遇了實(shí)驗板上有插孔不通的情況，導(dǎo)致芯片不能正常工作。相對于別的辦法，我選擇了導(dǎo)線顯式連通，因為其更明晰，更易實(shí)現(xiàn)。對于高阻導(dǎo)線則只能換掉。第二輪接電后，用萬用表的電壓檔測試單元電路的狀態(tài)。如：時鐘信號電路的信號是否正常產(chǎn)生，控制信號電路中的計數(shù)器能否正常計數(shù)，最后在整體上測試一遍。在整個調(diào)試完成后，卻遇到的新問題：彩燈演示時有時正常有時混亂。在排除其它可能的情況下，我仔細(xì)檢查各端子的連接情況，發(fā)現(xiàn)清“0”端在清“0”后懸空了。將其插到電源正極后，發(fā)現(xiàn)問題解決了。總結(jié)語課程設(shè)計剛開始，拿著選定的題目不知如何入手。畢竟課程設(shè)計不同于實(shí)驗課，電路圖都要自己設(shè)計。靜下心來，仔細(xì)分析題目，再加上指導(dǎo)老師的說明與提示，心