數(shù)電課程設計-四花樣彩燈控制器

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　課程設計名稱： 數(shù)字電路課程設計 </p><p>　　課程設計題目： 四花樣彩燈控制器 </p><p>　　學 院 名 稱： 信息工程學院 </p><p

2、>　　評分： 教師： </p><p>　　20 13 年 9 月 23 日</p><p>　　數(shù)字電路 課程設計任務書</p><p>　　20 12 －20 13 學年 第 1 學期　第 19 周－ 20周 </p><p>　　注：1

3、、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。</p><p>　　2、課程設計結(jié)束后與“課程設計小結(jié)”、“學生成績單”一并交院教務存檔。</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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

4、器是其中較簡單的，但這是進行復雜設計的基礎。</p><p>　　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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)它的四種花樣。根據(jù)四種花樣確定這四種碼，可通過模十六計數(shù)器74LS161的輸出端接與門74LS08和非門74LS04產(chǎn)生。要實現(xiàn)彩燈的自動轉(zhuǎn)換，把四種碼輸入四選一

5、數(shù)據(jù)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(chǎn)生四種循環(huán)的狀態(tài)，從而實現(xiàn)彩燈的自動轉(zhuǎn)換。時鐘信號由兩個555產(chǎn)生，一個產(chǎn)生周期為0.721秒的矩形脈沖控制模十六計數(shù)器74LS161和八位右移寄存器74LS164,另一個產(chǎn)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(shù)據(jù)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

6、化。</p><p>　　經(jīng)實驗驗證，所設計的四花樣彩器能完成四花樣變換，每一種花樣循環(huán)兩次，四種花樣不斷循環(huán)。</p><p>　　關鍵字：時鐘脈沖 分頻 自動轉(zhuǎn)換 控制器 數(shù)據(jù)選擇器 </p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　彩燈控制器有著非常廣泛的運用，如：LED彩燈，音樂彩燈控制

7、器，二維彩燈控制器等等，現(xiàn)簡單介紹如下：</p><p>　　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(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(jù)不同場合、不同時間段的需要來調(diào)

8、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。</p><p>　　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(shù)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?/p>

9、器采用數(shù)字集成塊，外圍元器件少、電路結(jié)構簡單，只要元器件完好、裝接無誤，裝后無須調(diào)試即可一舉成功。</p><p>　　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。<

10、/p><p>　　本課題研究的是四花樣彩燈控制器，應用的是數(shù)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。</p><p>　　第一章 設計要求</p><p>　　1.1 設計課題及要求</p><p>　?。ㄒ唬?題目：四花樣彩燈控制器</p><p>　?。ǘ?基本要求：設計

11、一四花樣自動切換的彩燈控制器，要求實現(xiàn)</p><p>　　(1) 彩燈一亮一滅,從左向右移動；</p><p>　　(2) 彩燈兩亮兩滅，從左向右移動；</p><p>　　(3) 四亮四滅，從左向右移動；</p><p>　　(4) 從1～8從左到右逐次點亮，然后逐次熄滅； </p><p>　　(5)

12、 四種花樣自動變換。</p><p>　?。ㄈ?主要參考元器：</p><p>　　NE555定時器，四位二進制計數(shù)器74LS93，雙D觸發(fā)器74LS74，四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153，八位移位寄存器74LS164。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)組成及工作原理</p><p>　　2.1 系統(tǒng)組成框圖</p><

13、p>　　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(chǎn)生電路、開關電路、數(shù)據(jù)輸出、時鐘電路。設計框圖如圖2.1所示：</p><p>　　各模塊的組成及功能分析</p><p>　　1.四種碼產(chǎn)生電路:由四位二進制計數(shù)器74LS93產(chǎn)生四種碼輸出。</p

14、><p>　　2.自動轉(zhuǎn)換控制電路：由雙D觸發(fā)器74LS74和四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153組成，雙D的兩輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端，它能產(chǎn)生兩位循環(huán)二進制碼，每改變一種狀態(tài)，數(shù)據(jù)選擇器選擇一種碼輸出，使彩燈花樣自動循環(huán)。</p><p>　　3.數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸入端，使碼在寄存器的八個輸出端自左向右移動，實

15、現(xiàn)彩燈的花樣。</p><p>　　4.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(shù)器和寄存器，另一個周期為14.01秒，控制雙D觸發(fā)器。</p><p><b>　　2.2工作原理分析</b></p><p>　　從多諧振蕩器出來的脈沖信號分為兩路：一路作為計數(shù)脈沖送到模十六計數(shù)器；另一路做為移位

16、時鐘脈沖加到移位寄存器。調(diào)節(jié)多諧振蕩器的滑動變阻器可以改變震蕩頻率，即改變彩燈移動的速度，得到不同的動態(tài)效果。</p><p>　　多諧振蕩器、雙D觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器共同組成一個電子開關。多諧振蕩器輸出的計數(shù)脈沖經(jīng)雙D觸發(fā)器兩位二進制計數(shù)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(shù)據(jù)選擇器的四個數(shù)據(jù)通道選擇信號，對應從模十六計數(shù)器輸送到數(shù)據(jù)選擇器的QA，QB，QC，QD四個分頻信號

17、。其作用相當于一個受控的一刀四位的機械轉(zhuǎn)換開關。當雙D觸發(fā)器輸出為“00”時，數(shù)據(jù)選擇器輸出10000000序列脈沖，為八分頻信號，實現(xiàn)花樣一；為“10” 時，數(shù)據(jù)選擇器輸出11000000序列脈沖，為八分頻信號，實現(xiàn)花樣二；為“01” 時數(shù)據(jù)選擇器輸出11110000序列脈沖，為八分頻信號，實現(xiàn)花樣三；為“11” 時數(shù)據(jù)選擇器輸出1111111100000000序列脈沖，為十六分頻信號，實現(xiàn)花樣四。調(diào)節(jié)開關電路的CP脈沖產(chǎn)生電路的電阻

18、，可以改變開關的切換時間用以選擇每種花樣出現(xiàn)時間的長短。</p><p>　　數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)了八路四花樣自動循環(huán)切換的流水彩燈。</p><p>　　第三章 單元電路設計與計算</p><p>　　3.1 時鐘脈沖產(chǎn)

19、生電路</p><p>　　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：</p><p>　　圖3.1.1 用555定時器構成多諧振蕩電路</p><p><b>　　其震蕩周期為：</b></p><p>　　=0.7*(+2*)*</p><p>　　要用兩個555產(chǎn)生

20、兩個時鐘脈沖,一個控制74LS93組成的模十六計數(shù)器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動,其周期設為1秒左右, 電阻值和電容值可設為：</p><p>　　由公式（3-1）計算得：T=0.721S</p><p>　　電路圖如圖3.1所示:</p><p>　　T=0.7*(+)*+0.7**=200**10*</p><p><b&g

21、t;　　圖3.1 時鐘電路</b></p><p>　　另一個555產(chǎn)生的矩形脈沖控制彩燈的自動轉(zhuǎn)換,其周期設為模十六計數(shù)器的20倍,改變R1、R2的阻值即可，可設為：T=0.7*(+)*+0.7**=200**10*</p><p>　　3.2 四種碼產(chǎn)生電路</p><p>　　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

22、要產(chǎn)生的碼，如表3-1所示：</p><p><b>　　表3-1 四種碼</b></p><p>　　要產(chǎn)生這四種碼，可由十六進制計數(shù)器接組合邏輯門產(chǎn)生，十六進制計數(shù)器的真值表如表3-2所示</p><p>　　表3-2 計數(shù)器真值表</p><p>　　由表3-2分析得：Z1=Q3Q2Q1 Z2=Q3Q2 Z3=

23、Q3 Z4=Q4</p><p>　　所以四種碼產(chǎn)生電路如圖3.2所示</p><p>　　圖 3.2 四種碼產(chǎn)生電路</p><p>　　3.3 彩燈自動轉(zhuǎn)換控制電路</p><p>　　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，也就要使它的地址輸入端輸入四種狀態(tài)并循環(huán)轉(zhuǎn)變，可用雙

24、D觸發(fā)器實現(xiàn)。</p><p>　　雙D觸發(fā)器的兩個輸出端Q1、Q2的狀態(tài)方程為：</p><p>　　Q 1n+1 = Q2n （3—2）</p><p>　　Q2n+1 ＝ Q 1n （3—3）</p><p>　　設雙D觸發(fā)器的初始狀態(tài)Q1Q2 = 00，由Q1、Q2的狀態(tài)方程式（3—2）

25、和式（3—3）可得，Q1、Q2的狀態(tài)變換順序為00—>01—>11—>10—>00，實現(xiàn)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(shù)據(jù)選擇器自動選擇一種碼輸出，實現(xiàn)彩燈花樣的自動控制。</p><p>　　自動轉(zhuǎn)換控制電路如圖3.3所示：</p><p>　　圖3.3 自動控制電路</p><p>　　令Q1Q2=AB，

26、74LS153數(shù)據(jù)選擇器的功能表如表3-3所示：</p><p>　　表3-3 數(shù)據(jù)選擇器功能表</p><p>　　由表3-3可知，數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端A、B循環(huán)轉(zhuǎn)變，輸出端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。</p><p>　　3.4 花樣輸出電路設計</p><p>　　輸出電路由八位移位寄存

27、器74LS164、八個彩燈和八個驅(qū)動電阻構成。寄存器的數(shù)據(jù)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。</p><p>　　當輸入移位寄存器數(shù)據(jù)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(shù)碼移動情況如表4-4所示：</p><p>　　表3-4 寄存器數(shù)碼移動情況表</p><p&g

28、t;　　由表3-4可看出，輸入碼中的那位高電平“1” 從寄存器的輸出端QA經(jīng)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(xiàn)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(shù)碼移動原理相似。</p><p>　　3.5 各芯片管腳圖</p><p>　　3.5.1、由74LS93組成的模十六進制計數(shù)器，芯片管腳圖如圖3.5.1所示：</p><

29、p>　　圖4.5.1 74LS93管腳圖</p><p>　　3.5.2、 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153，芯片管腳圖如圖4.5.2所示：</p><p>　　圖3.5.2 74LS153管腳圖</p><p>　　3.5.3、 8位移位寄存器74LS164，芯片管腳圖如圖3.5.3所示</p><p>　　圖 3.5.3 74

30、LS164管腳圖</p><p>　　3.5.4、NE555定時器</p><p>　　第四章 實驗、調(diào)試及測試結(jié)果分析</p><p>　　4.1結(jié)果的調(diào)試及分析</p><p>　　1.調(diào)試使用的主要儀器: 數(shù)字萬用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器、函數(shù)信號發(fā)生器。</p><p>　　2.測試電路的方法和技巧:<

31、;/p><p>　　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(jù)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(shù)字萬用表檢查各模塊的功能，發(fā)現(xiàn)并改正錯誤，直到符合要求為止。</p><p>　　3.調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法：</p><p>　　（1）彩燈只有一種花樣變化，沒有其它的花樣：</p>&

32、lt;p>　　原因可能是雙D觸發(fā)器74LS74不能產(chǎn)生周期性的兩位二進制碼或是555不能產(chǎn)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(chǎn)生電路，看是否產(chǎn)生周期性的CP脈沖，使雙D觸發(fā)器產(chǎn)生四種循環(huán)的狀態(tài)，彩燈就能四花樣變化。</p><p>　?。?）彩燈無規(guī)律變化：</p><p>　　原因可能是四種碼的產(chǎn)生電路不能產(chǎn)生符

33、合要求的四種碼，檢查模十六計數(shù)器的CP脈沖是否穩(wěn)定，看74LS161是否能計數(shù)，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74LS04是否能實現(xiàn)它們邏輯功能。</p><p>　?。?）彩燈的四種花樣都有，但中間有一些混亂的狀態(tài)：</p><p>　　原因可能是數(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

34、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)。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(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。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本次所設計的是花樣彩燈控制器，該控制器的設計主要結(jié)合了大二所學的低頻電子

35、線路及脈沖與數(shù)字電路課程。</p><p>　　課程設計這門課需要嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和完整的設計思維和方法。設計電路關鍵在于對設計要求的理解分析以及對基本電路相關知識的熟練掌握。設計電路時，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。</p><p>　　通過這次設計，學到了很多東西，如查找資料，設

36、計比較，從各種圖中提取所需。焊接時出學到了好多，如如何在一定大小的板子上正確擺放好芯片，如何布線等等，調(diào)試時也是，知道了用工具如萬用表來檢查、修復故障。</p><p>　　本次課設算是成功的，讓作者學到很多，包括焊接技術。也吸取了很多教訓。真正提高了動手能力，學會獲取資料，活躍了自己的思維，鞏固了所學知識。</p><p>　　花樣彩燈控制器的設計是對數(shù)字電路邏輯設計知識的實踐運用，加深

37、了對知識的理解。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 康華光.數(shù)字電子技術.高等教育出版社，2002</p><p>　　[2]雷勇.電工電子技術實驗.成都：四川大學出版社，2002</p><p>　　[3]王毓銀.數(shù)字電路邏輯設.北京:高等教育出版社,2006</p>

38、<p>　　[4]《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)出版社，1985</p><p>　　[5]陳先龍.電子技術基礎實驗.北京:國防工業(yè)出版社,2006</p><p>　　[6]宋萬年.模擬數(shù)字電路實驗.上海:復旦大學出版社,2004</p><p>　　[7]溫飛兵.電子技術實踐教程.湖南:長沙國防科