电工电子课程设计-可编程彩灯控制器.docx

电工电子课程设计之可编程彩灯控制器 前 言电子技术课程设计是配合电子技术基础课程与实验教学的一个非常重要的教学环节。它不但能巩固我们已所学的电子技术的理论知识，而且能提高我们的电子电路的设计水平，还能加强我们综合分析问题和解决问题的能力，进一步培养我们的实验技能和动手能力，启发我们的创新意识几创新思维。现代生活中，彩灯越来越成为人们的装饰品，它不仅能美化环境，渲染气氛，还可用于娱乐场所和电子玩具中，现以该课题为例进行分析与设计可编程的彩灯控制电路很多，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循环彩灯控制电路。绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的，例如，用中规模集成电路实现的彩灯控制电路主要用计数器，译码器，分配器和移位寄存器等集成等。 编者：周滨 2009年1月目 录一、课题名称1二、设计目的1三、设计要求1四、设计方案1五、基本原理框图4六、模块设计思想5七、所需元器件8八、实际操作9九、具体电路10十、电路图设计10十一、安装与调试10十二、存在的不足与新设想11十三、心得与体会11十四、参考资料13附件一13附件二14附件三14一、课题名称可编程彩灯控制器二、设计目的电子课程设计是电类专业学生重要基础实践课是工科专业的必修课。经过查资料、选方案、设计电路、撰写设计报告、使学生得到一次较全面的工程实践训练。理论联系实际，提高和培养创新能力，为后续课程的学习，毕业设计，毕业后的工作打下基础。 学习电路的基本设计方法；加深对课堂知识的理解和应用。完成指定的设计任务，理论联系实际，实现书本知识到工程实践的过渡；学会设计报告的撰写方法。三、设计要求1、设计脉冲产生电路、图形控制电路和存储电路；2、用发光二极管行队列（116）作为显示电路，显示内容的动面感要强；3、能用按键切换不同的显示组合，至少有3个按键切换；4、每种组合至少有3种变化，每种组合内图形能连续循环；5、要有数码管显示当前是第几种组合（或是第几个按键）；6、图形显示间隔（显示频率）至少有3种可选；7、控制器可有2种控制方式：（1）规则变化：变化节拍有0.5秒和0.25秒，交替出现，每种节拍可有多种花样各执行1或2个周期后轮换；彩灯变化方向有单向移动和双向移动、跳跃移动等；（2）随机变化。变化花样相同，但节拍和花样的轮换随机出现。四、设计方案（一）设计思路 通过对硬件编程，将各种图形存储在EEPROM中，通过计数器控制各种图形的地址，再利用显示点阵显示出来。系统所显示的内容可反复循环，直至加电清零，便可以回到初始画面。（二）计划要实现的功能 1.动态显示各种图形，并且显示速度是可以调节的；2.在图形显示过程中可以通过手动对电路进行暂停、停止、重新开始、从其中某幅图形开始；3.用LED数码管显示当前显示点阵所显示图形所在的组次；4.能用按键切换不同的显示组合，其中有3个按键切换图形，有四个按键切换组次；5.图形可以闪烁、循环、流动显示。（三）创新之处 在设计脉冲产生电路中，只用到了两个555定时器，通过分频设置了高中低三种频率的电路，其中高频电路控制显示一幅图形，中频电路控制显示组内图形，低频控制组间的变换。五、基本原理框图脉冲发生电路（高频）脉冲发生电路（低频）分频电路1存储单元计数 控制电路计数器 控制电路译码驱动电路显示矩阵计数 控制电路列控制A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9 A7A8译码电路数码显示行控制分频电路2脉冲发生电路（中频）六、模块设计思想 （一）脉冲产生模块方案一 三个555分别产生三种频率可调电路，直接连到控制电路中优点：频率可直接产生，直接进行通过电位器调节；缺点：使用较多555，电路出现重复，芯片使用较多，影响工艺，没有创新。方案二 一个555产生一个高频可调电路，通过二次分频产生中频和低频优点：使用芯片较少；缺点：调节555电位器过程中高低中三个频率均变化，不好控制频率比例，调试过程繁琐，操作性不高。方案三 两个555，一个产生高频脉冲，一个发生中频脉冲，通过分频发生低频脉冲优点：调试过程操作性强，功能强大，调节高频555发生器，可调节画面清晰度，并可通过观察，总结频率与画面清晰度关系；调解中频555发生器，进行粗调，通过计数器的进制调节，可改变动态显画速度以及画面间的显示速度。因此，通过比较上述三种方案的优缺点，可以知道第三种方案相对其他两种是最优。电路图设计如下：高频发生电路 中、低频产生电路（二）显示模块（1）8*8显示点阵行扫描： 对8*8显示点阵进行显示设置，利用74LS138进行行译码，EEPROM进行列译码。地址扫描： 通过对EPPROM的寻址实现选画以及动态显示。关键之处： 1.单幅图画的显示。需要设计刷新电路，进行行刷新，利用人眼的反应时间有限，通过不断高频刷新，实现显示一幅画面。EPPROM地址位低三位，A0A1A2用来存储一幅画的编码。由于人眼每秒可分辨出24幅图，而高频计数器采用的8进制，则作为刷新频率的脉冲，此高频刷新电路输出脉冲的频率应大于24*8=192Hz。为了使画面更清晰，高频采用的是约500Hz的脉冲，采用两个100K的电阻。2. 动态显画。多幅图画连续循环显示构成动态图画，通过中频脉冲触发，使一系列静态图画动态显示。实现用EPPROM 地址位A3A4A5。3. 组与组之间图画的变换。设置10组图画，采用EPPROM 地址位A5A6A7A8编址。（2）7段LED数码管显示实验中用以个7段LED数码管显示图形的组次，其中74LS48是一个二-十进制译码器，其输出端直接接到数码管即可，设计的电路如下：(三)控制模块（1）一幅图形的控制，图形包括汉字、英文、路标、花案，图形可以循环显示，并且可以通过手动实现图形的暂停、清零、从某一幅图开始；（2）用数码管显示当前演示动画是第几组设计；（3）74LS161、74LS160具有预置数、清零、保持等功能，通过管脚从而相应实现选画、停止、暂停功能；具体电路图如下：七、所需元器件见附件二八、实际操作前期准备：上完实验指导课，我就和搭档一起商量选题，为完成此次课程设计，实现设计题目的所有功能要求，我们进行了一系列的工作。首先，我们进行双线操作-分头去收集一些相关资料：一人从网络出发，利用丰富的网络资源去查找了一些彩灯控制器的实例，争取能在头脑中形成一个彩灯控制器的轮廓；一人从书本出发，利用已有的已学过的书本（主要是数字电子技术基础、电工电子实验教程、电子技术课程设计实用教程）查找相关芯片的详细资料，掌握和进一步明确各芯片的具体用途。然后，我们利用已学过的理论知识结合本次设计的课题得出可编程彩灯控制器的原理，再画出可编程彩灯控制器的原理框图，确定各个功能模块。其次，根据所画的原理框图设计可编程彩灯控制器的电路原理图，同时也就得到了主要元器件的明细表。最后，我们一起去已经完成此次课程设计的其他班级，询问选了相同课题的同学有关在实际操作中需要注意的一些事项，避免少走弯路，吸取其经验和教训。 实际操作：1.开关数量选择。设计之初我们需要的开关数量是16个，但在面包板上只提供了10个开关。假如接入16个开关就显得冗余、占空间、不能更好的布局。因此，我们就决定精简开关。通过理论分析，最后确定开关的数量为10个，恰好充分利用了面包板上提供的开关，也是工艺美观了些许。2.七段LED数码管的选择。设计之初我们需要的数码管数量是2片，但在考虑图形的数量、选择、切换，决定只使用1片数码管，图形的组数由原来的16组每组4幅图精简到10组每组8幅。3.74LS153的选择。设计之初我们需要1片74LS153，通过它来选择中、低频率。但是在实际中，我们并不需要4组不同的频率比，只要固定一组频率比就已足够，并且还能通过调节可调电阻达到频率的变化。所以，我们放弃了74LS153，同时也少了2个开关。这样就进一步达到了工艺的美化。九、具体电路见附件一十、电路图设计设计之前和最终设计的电路图见附件三（其中第一张为设计之前的电路图，第二张为最终设计的电路图）十一、安装与调试 当最终电路图确定下来后，便开始连接线路。我和搭档实行先分工把小模块实现，然后对大的模块进行讨论之后两人一起实现。 首先，我们先检查各元件是否正常，其中也包括导线。在检查的过程中配合使用万用表；之后开始模块的接线。我们以芯片为最小单位，采用不同颜色的导线代表不同功能，比如：用红线代表接电源，用黑线代表接地等；接着就把各小模块连接起来实现整个实验的线路连接；在确保线路没问题的前提下，我们打开开关，初步结果是有了，但出现了很多问题。 第一个问题就是7段LED数码管显示数据不稳定而且没规律。我们首先假设是数码管已烧坏，但经过检查就排除了这中假设；然后判断线路是否连接稳定，经过排查，效果不明显；最后决定从74LS48开始一级一级往上排查，但是最终效果不明显。因此，只能暂时放弃解决这个问题。第二个问题是8*8显示点阵不能正常显示。首先假如点阵烧坏，但检查后排除了此中假设；然后往上检查，发现74LS138的三个控制端没有接，当正确接入导线后，发现点阵显示效果比之前要好。由此受到启发，返回来解决第一个问题。发现芯片中没用的管脚都处在悬空的状态。因此，按照正确的接线把管脚接入。终于数码管显示正常。 接下来就是存储器的编码。通过互相学习，从其他同学那里了解到8*8显示点阵的正确接法。经过一番改进线路的连接，把显示点阵正确接入。 输入编码到存储器并把它接入电路后，发现图形显示效果不明显。经过前两个问题的排查和解决，推断是脉冲发生这模块发生了问题。经过调节不同频率，发现图形显示效果开始明显。到此实验基本完成。十二、存在的不足与新设想存在的不足：自动控制较少 电路中设计的暂停清零选画等功能均为手动，没有设置自动。如果用热敏及光敏电阻，就可以根据温度调节显示速度改变显示画面，可以通过此原理设计一个温度显示器。显示电路不够强大 所能显示画面不够丰富，由于图画显示受EEPROM空间限制，一次只能显示简单的单幅图画，如果时间足够多及面包板足够大，可以设计两个显示模块。图形不能在小组内实现循环 当老师验收成果时，指出了我们没有能实现图形在小组内循环。检查后细想，觉得要实现也不难，只是当时在设计前讨论时没有想到这个想法。优点：实现功能较多 充分利用了芯片的管脚和面包板上提供的开关。抓住重点，主次分明 本电路关键是脉冲发生与EPPROM的编程。电路连接逻辑性强 模块清晰，容易查错，让人容易理解。新设想：加声光示电路显示更为丰富，更贴近实际。将低频 输出连接到音乐芯片，音乐芯片会根据频率的不同发出不同的声音，但是由于实验室提供的音乐芯片只有门铃，故我与搭档放弃了此项功能的实现。同理，低频输出接到二极管，二极管会有不同效果的闪烁，如此一来可以根据声光判断画面变换速度。十三、心得与体会关于前期准备工作俗话说“万事开头难”。我和搭档在确定彩灯可编程控制这个课题后，便开始着手前期准备工作。当然，我们首先想到的是借鉴已完成这个课题设计的其他班级同学，他们的所思所得都是最宝贵的。但我们并不纯粹的复制，在弄懂基本原理后，就开始我们自己的创新和思路设计。通过图书馆、网络等提供的大量相关资料，我们经过讨论、交换各自的想法，最终敲定了我们的设计思路。虽然说前期的准备做了相当长一段时间，但这是必须的，因为以后的工作都是围绕前期准备进行的。若是准备不够充分，很难在后面展开工作，并且会困难重重。因此，花这么长时间准备是值得的。在实际操作中：我们本着“理论指导实践，用实践来验证理论”。通过实际的连接线路、发现问题、解决问题、扩展课题等等一系列操作和思考，使自己所掌握的理论和实际操作慢慢结合起来，并得到了提高。通过这次实践，我更加熟练的掌握了在面包板上插芯片，连接导线；也了解了各种芯片的功能和管脚；还学会了怎样做一个课程设计，并了解到我们的设计是实践的基础，实践中的电子表，收音机，彩灯等等是我们课程设计的升级。从前期设计到写设计报告、画图、一步一个脚印，也学到了很多很多。设计时一定要仔细认真，不能急于求成。由于在收音机实践中已基本掌握Protel 99SE画图软件，因此这次决定用DXP来实现电路原理图的绘制，学会了这个软件，对于电子电工设计很有益处，节约时间，所设计的电路一目了然。做课程设计，一定要有个好的规划，不能盲目进行，否则很浪费时间，最后有可能功能都是先不了。我们的电路图就是改了又改，直到进实验室的第一天电路才正式成形。无论做什么事都要态度端正，态度决定一切，只要功夫深，铁杵磨成针。这次实践我们热情都很高涨，很投入，差不多到了废寝忘食的境界，但是最终收获也是最大的。做工作还需要思考着做事，这样就事半功倍，更重要的是，做事的心态，也可以得到磨练，可以改变很多不良的习惯。遇到出现的问题，一定不能浮躁，要静下心来解决问题，在这过程中，不要盲目进行，否则费时又费力，要做的是根据出现的问题提出实际的假设，并认真的去验证并最终解决。若是还没有找到问题所在，那也不要紧，要做的仅仅是暂且放下这个问题，从其他得到启发再回过来解决，也可以请教其他同学一起讨论并解决。回想我和搭档在实际操作中，就出现了一个下午仅排查出