課程設(shè)計(jì) ---四花樣彩燈控制器

1、<p>　　第一章 設(shè)計(jì)要求</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)一四花樣自動(dòng)切換的彩燈控制器，要求實(shí)現(xiàn)</p><p>　　(1) 彩燈一亮一滅,從左向右移動(dòng)；</p><p>　　(2) 彩

2、燈兩亮兩滅，從左向右移動(dòng)；</p><p>　　(3) 四亮四滅，從左向右移動(dòng)</p><p>　　(4) 從1～8從左到右逐次點(diǎn)亮，然后逐次熄滅； </p><p>　　(5) 四種花樣自動(dòng)變換。</p><p>　?。ㄈ?主要參考元器：</p><p>　　555定時(shí)器，模十六計(jì)數(shù)器74LS161，雙D觸

3、發(fā)器74LS74，與門74LS08，非門74LS04，四選一數(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><p>　　把四花樣彩燈設(shè)計(jì)分為幾個(gè)獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),每一個(gè)模塊完成特定的功能,再把它們有機(jī)的組織起來構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)完成彩燈控制器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可由

4、四個(gè)模塊組成，它們分別是：四種碼產(chǎn)生電路、開關(guān)電路、數(shù)據(jù)輸出、時(shí)鐘電路。設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示：</p><p>　　由兩個(gè)555構(gòu)成兩個(gè)時(shí)鐘電路，由模十六計(jì)數(shù)器和組合邏輯門構(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(gè)彩燈構(gòu)成輸出電路，一個(gè)時(shí)鐘控制模十六計(jì)數(shù)器和移位寄存器，另一個(gè)時(shí)鐘控制雙D觸發(fā)器。</p><p><b>　　2.2工作原理分析&

5、lt;/b></p><p>　　從多諧振蕩器出來的脈沖信號(hào)分為兩路：一路作為計(jì)數(shù)脈沖送到模十六計(jì)數(shù)器；另一路做為移位時(shí)鐘脈沖加到移位寄存器。調(diào)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(dòng)的速度，得到不同的動(dòng)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(gè)電子開關(guān)。多諧振蕩器輸出的計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)雙D觸發(fā)器兩位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在它的兩個(gè)輸出端得到00、01、

6、10、11四種邏輯狀態(tài)。這四個(gè)狀態(tài)作為數(shù)據(jù)選擇器的四個(gè)數(shù)據(jù)通道選擇信號(hào)，對(duì)應(yīng)從模十六計(jì)數(shù)器輸送到數(shù)據(jù)選擇器的QA，QB，QC，QD四個(gè)分頻信號(hào)。其作用相當(dāng)于一個(gè)受控的一刀四位的機(jī)械轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)雙D觸發(fā)器輸出為“00”時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器輸出10000000序列脈沖，為八分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)花樣一；為“10” 時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器輸出11000000序列脈沖，為八分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)花樣二；為“01” 時(shí)數(shù)據(jù)選擇器輸出11110000序列脈沖，為八分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)

7、花樣三；為“11” 時(shí)數(shù)據(jù)選擇器輸出1111111100000000序列脈沖，為十六分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)花樣四。調(diào)節(jié)開關(guān)電路的CP脈沖產(chǎn)生電路的電阻，可以改變開關(guān)的切換時(shí)間用以選擇每種花樣出現(xiàn)時(shí)間的長(zhǎng)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(shí)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(dòng)。移動(dòng)的八位控制信號(hào)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(dòng)循環(huán)切換的流水彩

8、燈。</p><p>　　第三章 電路方案設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 電路圖設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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：</p><p>　　本電路圖設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(shí)鐘電路這四個(gè)模塊。四種碼產(chǎn)生電路由模十六計(jì)數(shù)器和組

9、合邏輯門構(gòu)成，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(shí)鐘電路由兩個(gè)555構(gòu)成。</p><p>　　通過改變多諧振蕩器的電阻可改變彩燈流動(dòng)的速度和各花樣持續(xù)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了彩燈花樣的動(dòng)態(tài)變化，增強(qiáng)了控制器的靈活性。</p><p><b>　　3.2 方案比較</b></p><p><b>　　比較方案

10、1：</b></p><p>　　在原方案的基礎(chǔ)上，用模十六計(jì)數(shù)器74LS161的輸出端的最高位QD作為雙D觸發(fā)器的時(shí)鐘，可以少用一個(gè)555定時(shí)器。計(jì)數(shù)器每計(jì)八個(gè)數(shù)，QD由低電平變?yōu)楦唠娖?，雙D觸發(fā)器的狀態(tài)改變，四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153選擇下一種碼輸出，彩燈變?yōu)榱硪环N花樣，以后四種花樣循環(huán)改變。如圖3.1所示:</p><p>　　圖3.1 比較方案1電路圖</p&

11、gt;<p>　　如果按此方案連接電路，彩燈無法完成第四種花樣（依次點(diǎn)亮，依次熄滅），只能完成一半，依次點(diǎn)亮或依次熄滅，部分實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，所以不采用。</p><p><b>　　比較方案2：</b></p><p>　　彩燈控制器電原理圖如圖3.2所示。ICl、IC2由555接成多諧振蕩器。IC3由4位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS93接成16進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其4

12、個(gè)輸出端可分別輸出對(duì)計(jì)數(shù)脈沖的2、4、8、16分頻信號(hào)。IC4是雙D觸發(fā)器74LS74，在這里接成兩位2進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。IC5是雙4選l數(shù)據(jù)選擇器74LSl53，這里只用了它的一組4選1數(shù)據(jù)通道。IC6是3位單向移位寄存器74LSl64，它是產(chǎn)生移動(dòng)燈光信號(hào)的核心器件。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)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(guān)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／

13、9V變壓器降壓，經(jīng)D1一D4橋式整流，7805穩(wěn)壓后給控制電路供電。電路圖如圖3.2：</p><p>　　圖3.2 比較方案2電路圖</p><p>　　從ICl⑧腳出來的脈沖信號(hào)分為兩路：一路作為計(jì)數(shù)脈沖送到IC3的⑩腳；另一路作為移位時(shí)鐘脈沖加到IC6的⑧腳。調(diào)節(jié)RWl改變ICl的振蕩頻率，可以改變燈光的移動(dòng)速度，以得到不同的動(dòng)態(tài)效果。</p><p>　　I

14、C2、IC4、IC5共同組成了一個(gè)電子開關(guān)。IC2輸出的計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)IC4兩位二進(jìn)制計(jì)數(shù)，在IC4的兩個(gè)輸出端共可得到“00”~“11”4個(gè)邏輯狀態(tài)。這4個(gè)狀態(tài)作為IC5的4個(gè)數(shù)據(jù)通道選擇信號(hào)，對(duì)應(yīng)從IC3輸送到IC5的QA、QB、QC、QD4個(gè)分頻信號(hào)。其作用相當(dāng)于一個(gè)受控的一刀四位的機(jī)械轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)IC4輸出為“00”時(shí)，選通IC5的⑧腳；為“01”時(shí)，選定IC5的⑤腳。調(diào)節(jié)RW2改變IC2的輸出脈沖周期，可以改變開關(guān)的切換時(shí)間，用以

15、選擇每種花樣出現(xiàn)時(shí)間的長(zhǎng)短。</p><p>　　從IC5第⑦腳輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)送到IC6的輸入端，在時(shí)鐘脈沖作用下，數(shù)據(jù)在IC6的8位并行輸出端從Q0一Q7順序移動(dòng)。這一移動(dòng)的8位控制信號(hào)經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路去推動(dòng)8路彩燈，就出現(xiàn)了8路4花樣自動(dòng)循環(huán)切換的流水彩燈。</p><p>　　很明顯，這個(gè)方案很煩瑣。會(huì)更多的出現(xiàn)不確定因數(shù)造成的錯(cuò)誤。不選該方案。</p><p>

16、;　　第四章 單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p>　　4.1 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個(gè)周期性的矩形脈沖,其周期為:</p><p>　　T=0.7(R1+2R2)C………………………(4-1)</p><p>　　要用兩個(gè)555產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)鐘脈沖,一個(gè)控制74LS161模十六計(jì)數(shù)器

17、和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動(dòng),其周期設(shè)為1秒左右, 電阻值和電容值可設(shè)為：</p><p>　　R1=1KΩ ， R2=51KΩ ， C=0.01μF</p><p>　　由公式（4-1）計(jì)算得：T=0.721S</p><p>　　電路圖如圖4.1所示:</p><p><b>　　圖4.1 時(shí)鐘電路</b>

18、</p><p>　　另一個(gè)555產(chǎn)生的矩形脈沖控制彩燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,其周期設(shè)為模十六計(jì)數(shù)器的20倍,改變R1、R2的阻值即可，可設(shè)為：</p><p>　　R1=1KΩ ， R2=1MΩ ，C=0.01μF</p><p>　　由公式（4-1）計(jì)算得：T=14.42S</p><p>　　4.2 四種碼產(chǎn)生電路</p><

19、p>　　根據(jù)彩燈要實(shí)現(xiàn)的四花樣,可確定移位寄存器輸出的二進(jìn)制碼,即四種碼產(chǎn)生電路要產(chǎn)生的碼，如表4-1所示：</p><p><b>　　表4-1 四種碼</b></p><p>　　要產(chǎn)生這四種碼，可由十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器接組合邏輯門產(chǎn)生，十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的真值表如表4-2所示</p><p>　　表4-2 計(jì)數(shù)器真值表</p>

20、<p><b>　　由表4-2分析得：</b></p><p>　　Z1=Q3Q2Q1 </p><p><b>　　Z2=Q3Q2 </b></p><p><b>　　Z3=Q3 </b></p><p><b>　　Z4=Q4</b>

21、</p><p>　　所以四種碼產(chǎn)生電路如圖4.2所示：</p><p>　　圖 4.2 四種碼產(chǎn)生電路</p><p><b>　　4.3彩燈開關(guān)電路</b></p><p>　　要實(shí)現(xiàn)彩燈四花樣的自動(dòng)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(gè)地址

22、輸入端，雙D觸發(fā)器能產(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(shí)現(xiàn)彩燈的四花樣循環(huán)。</p><p>　　開關(guān)電路圖如圖4.3所示：</p><p>　　圖 4.3 開關(guān)電路</p><p>　　令Q1Q2=AB，74LS153數(shù)據(jù)選擇器的功能表如表4-3所示：</p><p>　　表4-3 數(shù)據(jù)選擇器

23、功能表</p><p>　　由表4-3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(dòng)循環(huán)改變。</p><p>　　4.4 花樣輸出電路</p><p>　　輸出電路由八位移位寄存器74LS164、八個(gè)彩燈和八個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻構(gòu)成。寄存器的數(shù)據(jù)輸入端接收開關(guān)電路輸出的四種碼，這四種碼在移位寄存器的八位并行

24、輸出端從QA向QH移動(dòng)，輸出四種彩燈花樣。</p><p>　　當(dāng)輸入移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端的碼為10000000時(shí)，清零后在移位脈沖CP的作用下，寄存器數(shù)碼移動(dòng)情況如表4-4所示：</p><p>　　表4-4 寄存器數(shù)碼移動(dòng)情況表</p><p>　　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(jīng)八個(gè)移位脈沖CP作用后逐漸到了QH，使輸出端

25、所連接的彩燈依次點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)了彩燈依次點(diǎn)亮的花樣。當(dāng)輸入另外的三種碼時(shí)，寄存器的數(shù)碼移動(dòng)原理相似，所以就不累贅了。</p><p>　　4.5 各芯片管腳圖</p><p>　　1. 模十六計(jì)數(shù)器74LS161，芯片管腳圖如圖4.4（a）所示：</p><p>　　2. 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153，芯片管腳圖如圖4.4（b）所示：</p><

26、p>　　圖 4.4 74LS161和74LS153管腳圖</p><p>　　3. 8位移位寄存器74LS164，芯片管腳圖如圖4.5所示</p><p>　　圖 4.5 74LS164管腳圖</p><p>　　第五章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及測(cè)試結(jié)果分析</p><p>　　5.1結(jié)果的調(diào)試及分析</p><p>

27、;　　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(hào)發(fā)生器</p><p>　　2.測(cè)試電路的方法和技巧:</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(gè)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(cuò)誤，直到符合要求為止。</p><p

28、>　　3.調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法：</p><p>　?。?）彩燈只有一種花樣變化，沒有其它的花樣：</p><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(jìn)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)。可換一片好的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

29、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)生符合要求的四種碼，檢查模十六計(jì)數(shù)器的CP脈沖是否穩(wěn)定，看74LS161是否能計(jì)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(shí)現(xiàn)它們邏輯功能。</p><p>　?。?）彩燈的四種花樣都

30、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(shí)間，使彩燈的一種花樣完成后并沒有進(jìn)入另一種狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入另一種狀態(tài)時(shí)上一種狀態(tài)的多余碼進(jìn)入下一個(gè)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。</p><p>

31、;<b>　　結(jié)論 </b></p><p>　　設(shè)計(jì)電路關(guān)鍵在于對(duì)設(shè)計(jì)要求的理解分析以及對(duì)基本電路相關(guān)知識(shí)的熟練掌握。設(shè)計(jì)電路時(shí)，將總體的功能分成若干個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)，是簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)思路的很好方法；且搞清各個(gè)模塊的功能與實(shí)現(xiàn)要求操作的具體方法，對(duì)電路故障的檢查也是很有幫助。</p><p>　　通過這次設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多東西，如查找資料，設(shè)計(jì)比較，從各種圖中提取所需。焊接