課程設(shè)計--四花樣彩燈控制器

1、<p>　　2012 ~ 2013 學(xué)年 第 二 學(xué)期</p><p>　　《 數(shù)字電子技術(shù) 》</p><p>　　課 程 設(shè) 計 報 告</p><p>　　題 目： 四花樣彩燈控制器 </p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程 &

2、lt;/p><p>　　班 級： 11 電信一班 </p><p><b>　　電氣工程系</b></p><p>　　2013年5月30日</p><p><b>　　任務(wù)書</b></p><p><b>　　摘

3、 要</b></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(yīng)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(gòu)復(fù)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)節(jié)亮燈時間、

4、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(yīng)用于城市景觀、風(fēng)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>　　四花樣自動切換的彩燈控制器，其電路簡單、取材容易，而且被廣泛地應(yīng)用與現(xiàn)實生活當(dāng)中。例如用于店面裝飾可以增加其美觀，吸引更多顧客。</p><p>　　在經(jīng)過

5、了幾天緊張的電路焊接和調(diào)試，期間還進行了部分方案的修改和改進，現(xiàn)已實現(xiàn)了課程設(shè)計的主要任務(wù)和具體要求。</p><p>　　關(guān)鍵字：LED彩燈 硬件電路 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 設(shè)計要求5</p><p>　　1.1 設(shè)計課題及要求5</p>

6、<p>　　第二章 系統(tǒng)組成及工作原理6</p><p>　　2.1 原理框圖6</p><p>　　2.2工作原理分析6</p><p>　　2.3 方案比較7</p><p>　　第三章 單元電路設(shè)計與計算8</p><p>　　3.1 時鐘脈沖產(chǎn)生電路8</p>&l

7、t;p>　　3.2 四種碼產(chǎn)生電路9</p><p>　　3.3彩燈開關(guān)電路11</p><p>　　3.4 花樣輸出電路12</p><p>　　第四章 電路方案設(shè)計13</p><p>　　第五章 實驗、調(diào)試及測試結(jié)果分析14</p><p>　　5.1結(jié)果的調(diào)試及分析14</p&

8、gt;<p>　　第六章 總結(jié)16</p><p><b>　　參考文獻17</b></p><p>　　附錄1 花樣彩燈控制器原理總圖18</p><p>　　附錄二 各芯片管腳圖19</p><p>　　附錄三 元器件清單20</p><p>　　第一章 設(shè)計

9、要求</p><p>　　1.1 設(shè)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(shè)計一四花樣自動切換的彩燈控制器，要求實現(xiàn)如下</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；<

10、/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) 四種花樣自動變換。</p><p>　?。ㄈ?主要參考芯片：</p><p>　　555,74LS161，74LS74,74LS153,74LS164,74LS8

11、6</p><p>　　第二章 系統(tǒng)組成及工作原理</p><p><b>　　2.1 原理框圖</b></p><p>　　系統(tǒng)可由四個模塊組成：四種碼產(chǎn)生電路、開關(guān)電路、數(shù)據(jù)輸出、時鐘電路。每一個模塊完成特定的功能,再把它們有機的組織起來構(gòu)成一個系統(tǒng)完成彩燈控制器的設(shè)計。參考框圖如圖2.1所示：</p><p>　

12、　由一個555構(gòu)成時鐘電路，由模十六計數(shù)器構(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彩燈構(gòu)成輸出電路，時鐘脈沖控制模十六計數(shù)器和移位寄存器，分頻計數(shù)器的Qd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(555)出來的脈沖信號作為計數(shù)脈沖送到模十六計數(shù)器（74LS161）和移

13、位寄存器（74LS164）；雙D觸發(fā)器（74LS74）的脈沖信號由74LS161的Qd提供。</p><p>　　2、分頻計數(shù)器、雙D觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器共同組成一個電子開關(guān)，控制四種花色的輸出及循環(huán)。</p><p>　　3、由要求（1）到（4）可選輸出狀態(tài)位為8位(則選擇74LS164來實現(xiàn)右移)</p><p>　　a、彩燈一亮一滅,從左向右移動：實現(xiàn)這一要求需

14、使輸出狀態(tài)為‘10101010’，其周期位為2位。</p><p>　　b、彩燈兩亮兩滅，從左向右移動：實現(xiàn)這一要求需使輸出狀態(tài)為‘11001100’，其周期位為4位。</p><p>　　c、四亮四滅，從左向右移動：實現(xiàn)這一要求需使輸出狀態(tài)為‘11110000’，其周期位為8位。</p><p>　　d、從1～8從左到右逐次點亮，然后逐次熄滅：實現(xiàn)這一要求需使輸出

15、狀態(tài)為‘1111111100000000’，其周期位為16位。</p><p><b>　　2.3 方案比較</b></p><p>　　方案比較框架圖如下：</p><p>　　用兩個555來產(chǎn)生時鐘脈沖，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼之間的間隔與彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間不成整數(shù)倍，使彩燈的一種花樣完成后并沒有進入另一種狀態(tài)，當(dāng)進入另一種狀

16、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)。若要成為倍數(shù)關(guān)系，提供雙D觸發(fā)器的脈沖</p><p>　　周期至少是提供單脈沖的16倍，即T2=16*T1。{ T1=2（R9+2*R10）*C3 ； T2=2（R11+2*R12）*C4 } 此時需改變雙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

17、態(tài)改變，正好選擇另一組碼輸出，彩燈花樣改變。但此種改法較復(fù)雜，在計算電阻和電容的過程中并沒用相應(yīng)的阻值、容值來提供選擇。而且比所采用的設(shè)計方案多出了一個555芯片。在工程成本上就相應(yīng)地增加了經(jīng)費，工程上不可取，非最佳設(shè)計方案。</p><p>　　第三章 單元電路設(shè)計與計算</p><p>　　3.1 時鐘脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　用555定時器構(gòu)成多諧振

18、蕩器,電路輸出便得到一個周期性的矩形脈沖,其周期為:</p><p>　　T=0.7(R1+2R2)C………………………(3-1)</p><p>　　其中兩個555產(chǎn)生兩個時鐘脈沖,一個控制74LS161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(shè)為1秒左右, 電阻值和電容值可設(shè)為：</p><p>　　R1=1KΩ ， R2=51KΩ ， C=1

19、0μF</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><b>　　圖3.1 時鐘電路</b></p><p>　　第二個時鐘脈沖是74LS161的QD輸出，這樣就可以完全保證數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼之間的間隔與彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間成整數(shù)倍，彩燈

20、完全按照要求循環(huán)。</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)生電路要產(chǎn)生的碼，如表3-1所示：</p><p>　　表3-1 四花樣彩燈循環(huán)代碼表</p><p>　　要產(chǎn)生這四種碼，可由十六進制計數(shù)器輸出端Qa、Qb、Qc、Qd分別接數(shù)據(jù)選擇器的C0、

21、C1、C2、C3，十六進制計數(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><b>　　由表3-2分析得：</b></p><p>　　Z1=Q1，Z2=Q2 ，Z3=Q3，Z4=Q4</p><p>　　所以四種碼產(chǎn)生電路如圖3.2所示：</p><p>

22、;　　圖 3.2 四種碼產(chǎn)生電路</p><p><b>　　3.3彩燈開關(guān)電路</b></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。使雙D觸發(fā)器的輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的兩個地址輸入端（A、B），雙D觸發(fā)器與一個異或門（74LS86）組合能產(chǎn)生00、01、10、11這四鐘循環(huán)的狀態(tài)，從而使選擇器循

23、環(huán)的選擇一種碼輸出，實現(xiàn)彩燈的四花樣循環(huán)。</p><p><b>　　由上表可知</b></p><p>　　Q1*=Q1Q2 Q2*=!Q2</p><p>　　開關(guān)電路圖如圖3.3所示:</p><p>　　圖 3.3 開關(guān)電路</p><p>　　3.4 花樣輸出電路</

24、p><p>　　輸出電路由八位移位寄存器74LS164、八個彩燈和八個驅(qū)動電阻構(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輸出端從QA向QH移動，輸出四種彩燈花樣，循環(huán)進行。</p><p>　　第四章 電路方案設(shè)計</p><p>　　電路圖設(shè)計，如附錄1所示：</p><p>　　本電路圖設(shè)計簡單、結(jié)

25、構(gòu)清晰，可分為四種碼產(chǎn)生電路、開關(guān)電路、輸出電路和時鐘電路這四個模塊。四種碼由模十六計數(shù)器產(chǎn)生，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，時鐘電路由一個555及74LS161的QD輸出構(gòu)成。</p><p>　　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(xiàn)了彩燈花樣的動態(tài)變化，增強了控制器的靈活性。</p><p>　　第五章 實驗、

26、調(diào)試及測試結(jié)果分析</p><p>　　5.1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 </p><p>　　2、實驗及調(diào)試：首先按照附錄1 對電路進行布局，再根據(jù)信號的傳輸?shù)木€路來依次進行焊接，采取邊焊接邊調(diào)試的方式，一級一級下來，保證每個電路單元都正常工作（這里電路單元是這一個芯片），最后，布入總線

27、，連通電路。實驗中，為保證電路連接正常，調(diào)試時先是對每個芯片的功能進行檢測，逐級確保電路連接的正確及芯片的正常工作，再來測試彩燈的變化結(jié)果，根據(jù)測試現(xiàn)象的觀察，很顯然達到了課題的設(shè)計要求。</p><p>　　調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法</p><p>　　a、焊完電路之后接通電源，發(fā)現(xiàn)8個發(fā)光二極管中有一個沒有被點亮。被認(rèn)為是發(fā)光二極管一開始就是壞的，然后用一個新的經(jīng)檢查導(dǎo)通后使用

28、，從新焊接上去。但是發(fā)現(xiàn)還是沒有被點亮，然后用萬用表蜂鳴檔測量發(fā)現(xiàn)短路。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)，電路板上兩個本該斷開的兩個焊盤由于在生產(chǎn)過程中一條細(xì)的銅條把兩個焊盤導(dǎo)通了。經(jīng)處理之后8個發(fā)光二極管全部被點亮。</p><p>　　b、在觀察測試結(jié)果時，發(fā)現(xiàn)在彩燈花樣形式由四亮四滅轉(zhuǎn)變?yōu)槿寥珳鐣r會出現(xiàn)一個短暫的停頓，這是因為每種花樣形式都需要有一個特定的初狀態(tài)，而轉(zhuǎn)變時并沒有出現(xiàn)所需的初狀態(tài)，但這都是屬于正常現(xiàn)象，它會自動

29、轉(zhuǎn)換到所需形式。</p><p>　　c、在觀察測試結(jié)果時，發(fā)現(xiàn)彩燈花樣形式轉(zhuǎn)變并非是按題目要求的循環(huán)。彩燈是按照一亮一滅、四亮四滅、全亮全滅、二亮二滅的順序來進行循環(huán)的，其原因是雙D觸發(fā)器是按00、10、11、01的循環(huán)碼輸出的，此時需適當(dāng)調(diào)整觸發(fā)器和異或門的線路結(jié)構(gòu)，使之按00、01、10、11規(guī)律輸出。經(jīng)檢查之后發(fā)現(xiàn)是由于一條線接錯了，經(jīng)改正之后出現(xiàn)了理想狀態(tài)的循環(huán)亮燈。</p><p&

30、gt;　　d、彩燈的四種花樣都有，但中間有一些混亂的狀態(tài)：原因是數(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后并沒有進入另一種狀態(tài)，當(dāng)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>　　在本設(shè)計中用7

31、4ls161D的Q4做雙D觸發(fā)器的CP脈沖，數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼之間的間隔恰好是彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間的整數(shù)倍。</p><p>　　e、剛接上電源的時候彩燈出現(xiàn)短暫無規(guī)律現(xiàn)象，這是由于剛接上電的時候整個電路的電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)亂碼。短暫不穩(wěn)定之后，電路正常工作。屬于正?，F(xiàn)象。</p><p><b>　　第六章 總結(jié)</b></p><p&g

32、t;　　設(shè)計電路關(guān)鍵在于對設(shè)計要求的理解分析以及對基本電路相關(guān)知識的熟練掌握。設(shè)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(shè)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><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】 石建平著. 數(shù)字電子技術(shù). 國防工業(yè)出版社. 2011年<

33、/p><p>　　【2】 電子技術(shù)實踐（三） 脈沖與數(shù)字電路實驗指導(dǎo)書 編輯：趙珂 彭嵩 </p><p>　　【3】《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>　　附錄1 花樣彩燈控制器原理總圖</p><p>　　附錄二 各芯片管腳圖</p><

34、p>　　模十六計數(shù)器74LS161，芯片管腳圖如下圖所示</p><p>　　雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153，芯片管腳圖如下圖所示</p><p>　　移位寄存器74LS164，芯片管腳圖如下圖所示</p><p>　　555芯片管腳圖如下圖所示</p><p><b>　　附錄三 元器件清單</b></p