数字电子课程设计-- 彩灯控制器.doc

常熟理工学院电气与自动化工程学院课程设计常熟理工学院电气与自动化工程学院课程设计说明书课程名称： 电子课程设计 设计题目： 彩灯控制器 班级： 测控111 姓名： 学号： 指导老师： 设计时间： 2013-7-82013-7-17 摘要: 近年来，由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。在设计中更多的使用中规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简捷，而且能提高电路的可靠性，降低成本。因此用集成电路来实现更多更复杂的器件功能则成为必然。现代生活中，彩灯越来越成为人们的装饰品，它不仅美化环境，渲染气氛，还可以用于娱乐场所和电子玩具中去，现以该课题为例进行分析与设计可编程的彩灯控制的电路很多，构成方式和采用的集成片种类、数目更是五花八门，而且有专门的可编程彩灯控制电路。绝大多数的彩灯控制电路都是数字电路来实现，例如：用中规模集成电路实现的彩灯控制器主要用计时器、译码器、分配器和移位寄存器等集成。本次设计的可编程彩灯控制电路就是用计数器和译码器等来实现的。关键词： 计数器；555定时器；发光二极管1. AbstractIn recent years, due to the rapid development circuits, make digital logic circuit design undergone a fundamental change.In the design more use scale integrated circuit, not only can reduce the number of circuit components, the circuit, and can improve the simplicity of the circuit reliability, reduce the cost. So with integrated circuit to achieve more complex device function is inevitable. In modern life lantern has become more and more people adornment, it not only can beautify the environment, rendering atmosphere, it can also be used in entertainment and electronic toys, now with this topic for example analysis and design programmable lights control circuit many, the forms and integrated piece type, number, and multifarious has special programmable circular lights control circuit. Most of the lights control circuit realized with the digital circuits, for example, use medium scale integrated circuit realized with the lights controller mainly counter and decoder, distributors and shift register ect integration. The design of the programmable lights control circuit is to use registers, counter and decoder, ect. To realize, its characteristic is using light-emitting diodes display, realize present programming circular function.Key words: LED; Counter; ME555 19共 页 ，第 页目录 1绪论12.设计任务及要求22.1设计目的22.2设计任务22.3设计要求23.总体方案设计33.1总体设计框图33.2 总体设计原理33.3 总体设计元件44. 单元设计4.1脉冲信号源4.2 七进制计数器4.3 译码及逻辑电路5仿真调试及结果5.1脉冲信号源的仿真5.2循环计数器的仿真5.3彩灯的输出仿真5.4调试与结果6.总结语参考文献附录常熟理工学院电气与自动化工程学院课程设计 1绪论节日彩灯使生活中常常用到的装饰物品。它集中地运用了集成电路、LED，自动控制等技术，是典型的基于单片机的电子产品。随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，智能化技术的开发速度越来越快 ,智能度越来越高 ,应用范围也得到了极大的扩展。在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域。在娱乐方面，场地的装饰离不开彩灯。在建筑方面也采用彩灯来装饰高楼大厦。彩灯又灵活多变的点亮方式，装饰效果非常好，特别时晚上使得高楼大厦更加漂亮。是彩灯的应用才使得城市的夜景非常迷人。现代生活中，彩灯越来越成为人们的装饰品，它不仅美化环境，渲染气氛，还可以用于娱乐场所和电子玩具中去，现以该课题为例进行分析与设计可编程的彩灯控制的电路很多，构成方式和采用的集成片种类、数目更是五花八门，而且有专门的可编程彩灯控制电路。绝大多数的彩灯控制电路都是数字电路来实现，例如：用中规模集成电路实现的彩灯控制器主要用计时器、译码器、分配器和移位寄存器等集成。本设计通过555产生的脉冲。再用74LS160对其进行分频，控制七种花型之间的切换。把74LS160改成只从“0000”计数到“0110”计数器，用来产生花型初状态。 2.设计任务及要求2.1设计目的根据常用的电子技术知识，以及可获得技术书籍与电子文档，初步形成电子设计过程中收集、阅读及应用技术资料的能力；熟悉电子系统设计的一般流程；掌握分析电路原理、工程计算及对主要技术性能进行测试的常见方法；最终，完成从设计图纸到实物搭建的整个过程，并调试作品。2.2设计任务在文艺及休闲娱乐场所，各种图案的彩灯，若明若暗，相互映照，不仅增加了欢快的气氛，且给人以美的享受。彩灯控制器就是将构成一定图案的彩灯按照人们的要求依照一定的规律周期性的亮暗变化，利用人的视觉特性，形成多姿多彩的光学效果。彩灯控制器的原理框图如图1所示。脉冲信号源产生一定频率的矩形波电压信号，驱动七进制计数器的工作，最后通过组合逻辑电路把七进制计数器的输出信号变换为驱动彩灯按一定的规律周期性或点亮或熄灭或闪烁的信号。2.3设计要求设计一个彩灯控制器，要求如下：（1）由3只彩灯（发光二极管）组成图案。（2）控制红、绿、黄一组彩灯循环闪亮，变化的规律是：红 红绿 绿 黄绿 黄 全亮 全灭 红。（3）可以调整闪亮速度的快慢。3.总体方案设计近年来，由于中，大规模集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。在设计中更多的使用中。大规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简捷，而且能提高电路的可靠性，降低成本。因此，彩灯控制器总体方案设计如下：1.据总的功能和技术要求，把复杂的逻辑系统分解成若干个单元系统，单元的数目不宜太多，每个单元也不能太复杂，以方便检修。2.各个单元电路由标准集成电路来组成，选择合适的集成电路及器件构成单元电路。3.各个单元电路间的连接，所有单元电路在时序上应协调一致，满足工作需求，相互间电气特性应匹配，保证电路能正常，协调工作。3.1总体设计框图设计任务中所要求的7种循环方式并不复杂，用中小规模集成电路就能实现。本控制应由脉冲信号源，七进制计数器，基本逻辑电路和彩灯等组成，其框图如图1所示： 图1彩灯控制器框图 3.2总体设计原理 该设计电路由脉冲信号源提供时间脉冲给七进制计数器，再由七进制计数器的输出经过译码器和基本逻辑电路来实现彩灯的七种循环方式。其实现电路如下图2所示： 图2 3.3总体设计元件3.3.1 555定时器 555定时器是设计电路中脉冲信号源的核心原件。它是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制和检测电路中。本设计电路就运用了它的前一个特点：信号的产生和变换。 定时器有双极型和COMS两种类型的产品，它们的结构及工作原理基本相同，没有本质区别。一般来说，双极型定时器的驱动能力较强，电源电压范围为5V-16V，最大负载电流可达到200MA。而CMOS定时器的电源电压范围为3-18V，最大负载电流在4MA以下，它具有功耗低、输入阻抗高等优点。 1电路结构 555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组成，其外内部结构图如下图3图4所示。 图3 。555定时器内部图 图4. 555定时器外部引脚图2工作原理电压比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过Vcc/3时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于2Vcc/3时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。 Vc是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。 T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。3.电路功能综上所述，可得555定时器功能表，如下表1所示：输入输出阈值输入（Vi1）触发输入（Vi2）复位（) 输出（V0）放电管TX X 00导通 2Vcc/3 2Vcc/3 Vcc/310导通 Vcc/31不变不变4.555定时器的应用（1）.构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路等。（2）.构成多谐振荡器，组成信号产生电路。（3）.构成单稳态触发器，用于定时延时整形等。 555定时器应用电路采用这3种方式中的一种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如：定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、自动控制电路和频率变换电路等。本设计应用的就是555定时器构成多谐振荡器来产生脉冲信号发生器。 3.3.2 计数器芯片74LS160 计数器是最常用的时序电路之一，它们不仅可用于对脉冲进行计数，还可用于分频、定时、产生节拍脉冲以及其他时序信号。计数器的种类不胜枚举，按触发器动作分类，可分为同步计数器和异步计数器；按计数数值增减分类，可分为加计时器、减计数器和可逆计数器；按编码分类，又可分为二进制码计数器、BCD码计数器、循环码计数器。 本设计使用的是计数器74LS160。它是一种典型的高性能、低功耗COMS 4 位同步二进制加计数器，它可在 1.2 3.6 V 电源电压范围内工作，其所有逻辑输入端都可耐受高达5.5 V的电压，因此，在电源电压为 3.3 V 时可直接与5 V 供电的TTL 逻辑电路接口。它的工作速度很高，从输入时钟脉冲CP上升沿到Q n 输出的典型延时时间仅 3.9 ns ，最高时钟工作频率可达200 MHz 。 1.电路结构 下图6所示是74LS160的内部逻辑图，除了同步二进制计数功能外，电路还具有并行数据的同步预置功能。芯片74LS160的外部引脚图也如下图5所示。图5 74LS160引脚图 图6 74LS160内部结构图 2.工作原理 当= 0 时为并行数据预置操作，每个数据选择器左边的与门打开，于是，D3 D0 到达相应的触发器的输入端，当CP 脉冲沿到达时，该组数据进入触发器而实现同步预置；当= 1 时，右边的与门打开，各D 触发器与相应的同或门实现触发器，接受同步计数的控制信号，其工作原理与上内部图电路相同。 3.电路功能 下面对照逻辑图和功能表，说明它工作时各引线端的功能和操作。输入输出清零预置使能时钟预置数据输入Q3Q2Q1Q0进位CEPCETCPD3D2D1D0TCLXXXXXXXXLLLLLHLXXD3*D2*D1*D0*D3D2D1D0#HHLXXXXXX保持#HHXLXXXXX保持LHHHHXXXX计数#时钟脉冲CP 是计数脉冲输入端，也是芯片内4个触发器的公共时钟输入端。异步清零 =1 时各输入信号起作用。并行置数使能 置数控制端。计数和保持操作都要求= 1 。数据输入端Dn 计数使能CEP 主要控制本芯片的计数操作。计数使能端CET 该信号和CEP做与运算后实现对本芯片的控制。进位信号TC 只有当CET = 1 且Q3 Q2 Q1 Q0 = 1111时，TC才为 1，表明下一个时钟脉冲上升沿到来将会有进位发生。综合上述功能可以得到74LS160的典型时序图7，如下图所示。当清零信号= 0时，各触发器置0.当= 1时，若= 0，在下一个时钟脉冲上升沿到来后，各触发器的输出状态 与预置的输入数据相同。在= = 1的条件下，若CET = CEP = 1,则电路处于计数状态。图中从预置的1100 开始计数，直到CET CEP = 0，计数状态结束。此后处于禁止计数的保持状态：Q3 Q2 Q1 Q0 = 0010。图7 74LS160的典型时序图3.3.3 译码器芯片74LS138 译码器可分为两种类型，一种是将一系列代码转换成与之一一对应的有效信号。这种译码器可称为唯一地址译码器，它常用于计算机中对存储器单元地址译码，即将每一个地址代码转换成另一个有效信号，从而选中相应的单元。另一种是将一种代码转换成另一种代码，所以也称为代码转换器。本设计使用的74LS138属于二进制唯一地址译码器。1.电路结构芯片74LS138的外部引脚图和内部原理如下图8所示。图82.电路功能该译码器有3位二进制输入A2、A1、A0，它们共有8种状态组合，即可译出8个输出信号,输出为低电平有效。由功能表如下图，有功能表可得 功能表:输入输出E3A2A1A0XHXXXXHHHHHHHHXXHXXXHHHHHHHHLXXXXXHHHHHHHHHLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLLHHHHHHHHHHL4.74LS138的应用 利用3线 - 8线译码器可以构成4线 - 16线、5线 32线或 6线 64 线译码器。3.3.4 芯片74LS00 、74LS10、74LS20 74LS00 二输入端四与非门 逻辑表达式 74LS10 三输入端三与非门 逻辑表达式 74LS20 四输入端二与非门 逻辑表达式 引脚排列图9如下： 图9 芯片引脚图 4.单元设计4.1脉冲信号源脉冲信号是一种离散信号，形状多种多样，与普通模拟信号（如正弦波）相比，波形之间在时间轴不连续（波形与波形之间有明显的间隔）但具有一定的周期性是它的特点。最常见的脉冲波是矩形波（也就是方波）。脉冲信号可以用来表示信息，也可以用来作为载波，还可以作为各种数字电路、高性能芯片的时钟信号。现实生活中产生脉冲信号有多种方式，比如：脉冲信号发生器，单稳态触发器，多谐振荡器，555定时器等。由于555定时器内部的比较器灵敏度高、驱动电流大、功能灵活，而且采用差分方式，用555定时器组成多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化影响很小。因此，本设计使用的是555定时器组成多谐振荡器。 4.4.1 工作原理 用555定时器组成多谐振荡器如下图10所示。接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到时，使V0为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T 放电，Vc 下降。当Vc 下降到 时，V0 翻转为高电平。电容器C放电所需时间为： = R2CIn2当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容C充电，Vc由上升到所需时间为：=（R1+ R2）CIn20.7(R1+R2)C 当Vc上升到时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路工作波形如图所示。其振荡频率为;f=1/(+)1.43/(R1+2R2)C 图10 555定时器组成的多谐振荡电路及波形如果要实现占空比可调，最常用的的如图11.由于电路中二极管D1,D2单向导电特性，使电容器的充放电回路分开，调节电位器，就可调节多谐振荡器的占空比。图中，Vcc 通过Ra、D1向C充电，充电时间为： 0.7RaC电容器C通过D2、Rb 及 555中的三极管T放电，放电时间为： 0.7RbC电路输出的波形占空比为：q（%）=Ra*100% /（Ra + Rb）图11 占空比可调的方波发生器4.2 七进制计数器图12 本设计电路中的七进制计数器芯片74LS160的CP端接入由555定时器组成多谐振荡器的输出端，由此来接收脉冲信号。计数器从Q3Q2Q1Q0=0000开始计数，当第6个CP到达后，计到0110，此时=0。并不能立即清零，而是要等第7个脉冲上沿到来后，计数器被置成0000，状态图（图13）如下，0010100111001010000110从而才能实现彩灯七种变化，根据彩灯输出顺序 000到110依次为全灭、红、红绿、绿、黄绿、黄、全亮。图13 七进制状态图 4.3 译码及逻辑电路图14图14为本设计译码及逻辑电路部分。译码器74LS138的输入端A、B、C接上单元的74LS160的输出端，对上单元的输出000110数据进行译码，再由输出端通过简单逻辑电路三输入与非门和四输入与非门来控制彩灯的明暗。根据电路图14，可以得到：A BC 000111100012314576因此可根据以上得出，当给译码器连续输入二进制代码时，对应的红亮暗情况ABC红绿黄000LLL001HLL010HHL011LHL100LHH101LLH110HHH由此可得：红黄绿各灯的逻辑表达式为： 5仿真调试及结果 5.1脉冲信号源的仿真使滑动变阻器的阻值为0，给方波发生电路接通电源，并连接到示波器上。测得平均的频率f25Hz。改变滑动变阻器的阻值时，可观察得，电路的频率发生变化，但是波形形状始终不变，占空比为50%。图15. 脉冲信号发生器波形图 5.2循环计数器的仿真 图15. 循环计数器仿真波形 5.3彩灯的输出仿真 图16.彩灯仿真波形 5.4调试与结果检查电路图无误后，可接通电源以模拟循环过程。由于电源接通瞬间，电容C1，C2，相当与短路，使D触发器直接置零端由效，74LS160的置数端PL有效，74LS160置数“0000”计数器递增计数，。只要红黄绿等全亮，从而使计数器置零，发光二极管灯亮顺序为全灭、红、红绿、绿、黄绿、黄、全亮的规律变化。改变电位器的接入电阻，观察灯变化的速度。接入电阻增大时，灯变化的速度应加快。但由于本设计所给电位器不够大，调节电位器现象不够明显，可以考虑在电位器两端各串联49k的电阻，这样调节电位器，灯变化的速度才明显观察出来。在电路组装过程中，遇到的最大问题是，当时设计时考虑不周全，芯片分布不够合理，出现了许多“特长线”。不但影响布线速度，而且也会给后来的调试带来不必要的麻烦。当时已经布线不少，不可能重新开始，再三权衡，最后只移动了一个芯片，问题就得到了很大改善。其次就是布线，因为要求不准交叉，且横平竖直，所以在保证连通的情况下，在布线上也下了不少工夫。调试过程中，第一轮用万用表欧姆档测试，就遇了实验板上有插孔不通的情况，导致芯片不能正常工作。相对于别的办法，我选择了导线显式连通，因为其更明晰，更易实现。对于高阻导线则只能换掉。第二轮接电后，用万用表的电压档测试单元电路的状态。如：时钟信号电路的信号是否正常产生，控制信号电路中的计数器能否正常计数，最后在整体上测试一遍。在整个调试完成后，却遇到的新问题：彩灯演示时有时正常有时混乱。在排除其它可能的情况下，我仔细检查各端子的连接情况，发现清“0”端在清“0”后悬空了。将其插到电源正极后，发现问题解决了。 总结语课程设计刚开始，拿着选定的题目不知如何入手。毕竟课程设计不同于实验课，电路图都要自己设计。静下心来，仔细分析题目，再加上指导老师的说明与提示，心中才有了谱。将整个系统根据不同的功能化分成模块，再分别进行设计，逐个攻破，最后再将其整合即可。在设计过程中，既有用过的芯片，又有