数电课设彩灯控制器的设计报告.doc

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重要环节。是电气信息类专业学生的重要基础实践课，也是工科专业的必修课，可以帮助我们巩固和加强数电课程的理论知识，掌握电子电路的一般设计方法及电子电路安装与调试方法和故障排除方法，同时也可以培养我们的创新思维。本次课程设计的题目十分贴近日常生活。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，还可以用于娱乐场所和电子玩具中，绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的。本次设计的彩灯控制电路就是用计数器、存储器、译码器等来实现。将存储器中的图案用发光二极管点阵显示，同时具备频率调节、手动复位及选画功能。整个电路可分为脉冲发生电路、图形控制电路、数码管显示电路和存储电路。通过课本中的知识及翻阅资料可知，脉冲发生电路需要产生低频和高频脉冲。图形控制电路中需要用74LS160设计一个计数器，用74LS138构成译码器。数码管显示电路需要用两块数码管显示计数，存储电路中需要写入图案的二进制编码。初步设计好各单元电路之后，首先要单独调试，再将各模块连接起来，完成电路的整体功能。第一章 系统概述1、实践要求通过对硬件编程，将图形、文字、动画存储在ROM中，通过计数器控制图形、文字、动画的地址，再利用显示矩阵显示出来。系统所显示的内容可反复循环，直至手动或加压清零，便可回到初始地址。（1）以88的发光二极管点阵作为控制器的显示器件（含单色或三色）；（2）要求显示的图案不少于50幅；（3）每幅图案的显示时间基本相等，这个时间在20ms、1s、2s三档步进预置；（4）具有手动复位及加电自动复位功能。2、原理分析与程序设计框图 通过对实验要求的解读可知，本次实践需要通过对ROM的编程来控制一个8*8的LED点阵输出存在ROM中的各种图形或者文字。因此需要用ROM的八根数据线来控制点阵的行，用74LS138的输出控制点阵的列。由于点亮点阵是一行行或一列列亮的，所以需要74LS138译码器搭配着74LS161使用，接1000HZ以上的高频，再接点阵，不断地刷新点阵，这样人眼才能看到一幅画。而74LS138输出低电平有效，因此，74LS138的输出端接点阵LED灯的共阴的一端，ROM的数据线则接点阵LED灯共阳的一端。因为ROM控制行，且接共阳极的一端，因此，我们在输代码的时候，需要亮的部分用1表示，不亮的灯用0表示，设计好图案后，依次输入8列数据。而在选画方面，则需要两片74LS160接低频来控制ROM高位的地址线，而控制译码电路的74LS161输出的低三位接ROM的低三位来控制选画。因为图形变换间隔时间要求在20ms-2s之间，所以低频频率应为0.5HZ-50HZ。由于要求显示五十幅画，而我们实际设计了70幅画，因此我们使用一个10*7进制的计数器，用两片74LS160同步CP端且用置数法来实现，并且用显示电路来显示低位、高位计数器的计数情况，低位控制每幅画面，高位控制每组画面并通过对高、低位芯片的置数端、清零端的控制来实现选画与清零。不过要特别注意的是，由于我们选用的74LS160芯片是10进制的，在对ROM的地址端控制的时候，会跳过1010-1111这一段的地址，因此，在对ROM输入十行数据之后，要空六行数据再输入下一行数据，否则会出现跳画的情况。通过上述分析，我们将系统分为五个功能模块：脉冲发生电路（又分为高频脉冲发生电路和低频脉冲发生电路）、图形控制电路（列计数和行计数）、存储电路、数码管显示电路和发光点阵显示电路。系统原理框图如下图所示：第二章 单元电路设计与分析1、脉冲发生电路的设计 首先，我们的目标是获得一个1000HZ的高频脉冲，和0.5HZ-50HZ的低频脉冲。通过老师的指导，我们知道，可以通过FPGA中的晶振获得20MHZ的高频脉冲，那么我们需要一个分频器来获得1000HZ的高频脉冲。我们用VHDL语言设计一个分频器得到1000HZ的高频脉冲，代码如下：将20MHz通过20000分频，即可得到1000HZ的目标高频频率。由于我们尝试过用这段代码再输入Quarters想要得到0.5-50HZ的低频频率，结果失败了，所以我们决定使用74LS147和三块74LS161芯片来分频。因为考虑到实用性，20ms一幅图根本看不清，我们将后两块74LS161分别设置为12进制和十进制，连接第一块74LS161，通过74LS147编码器连接开关来片选二进制、五进制、七进制和十进制，来分别构成240分频、600分频、840分频和1200分频，可分别得到4.17HZ、1.67HZ、1.19HZ和0.83HZ，即得到换图时间间隔可选分别为0.24s、0.6s、0.84s和1.20s。其实还可以通过74LS147接开关得到更多不同的播放速度，但由于实验箱上开关不够，我们只选择了四种频率。连接电路图如下：2、图形控制电路的设计（1）列计数控制电路（译码驱动电路）因为需要对点阵的列进行高速的逐列扫描，我们通过74LS161接1000Hz高频来控制74LS138译码器扫描点阵，同时74LS161的低三位接ROM的低三位来控制输出图片。（2）行计数控制电路 我们通过两片74LS160来实现一个70进制的计数器，我们采用同步计数法，将两片74LS160的时钟端都接到低频脉冲电路的输出口，低位的进位端与高位的EP、ET端相连，当低位的计数器在计数到九之前进位端输出为零，则高位保持，当低位的计数器计数到九的时候，进位端输出为一，高位计数器开始计数，即进一个数。将高位的置位端与低位的置位端相连，因为我们需要在播放完七十幅画后回到第一幅画或者是回到我们想要的那一组画，则低位的74LS160的四个输入端接地，高位的四个输入端分别接开关来选组画，并且我们知道，当高位计数器记到七时，输出为0111，因此，将高位的低三位接三输端的与非门，输出与开关一起接同或门，再接到连在一起的置位端，即可实现自动循环或手动选组画。将高位的清零端与低位的清零端相连再接开关，即可实现手动清零复位的功能。低位的EP、ET端均接VCC。此模块电路图如下：3、数码管显示电路 我们需要通过数码管显示来得到这是输出第几幅图的显示，因此我们需要两块数码管与两块4551译码芯片。高位的数码管连接4551再接到高位的74LS160的输出端，低位的数码管连接4551芯片再接到低位的74LS160的输出端，即完成了数码管显示电路的接线。电路图如下：因为我们是使用FPGA，因此我们只需要将的ABCD端分别接板子的输出，并且将DP端接地，测试灯端接5V电压即可。4、存储电路与发光显示电路 我们将连接高频的74LS161的低三位输出端接ROM的低三位地址线a2-a0，来控制一幅图的输出，将低频处低位的74LS160的四位输出接ROM地址线的a6-a3,高位74LS160的低三位接ROM地址线的a9-a7，来控制选画。然后将ROM的数据线接点阵的共阳极，74LS138的输出接点阵的共阴极，存储电路与发光显示电路就接完了。此模块电路图如下：第三章 电路的安装与调试1、电路连接 工具：实验箱、钳子、导线（黄、蓝、红三种颜色）、电阻8个、点阵因为我们使用FPGA，所以接线比较简单。首先，使用Quarters画好每个板块的电路图，再接好总图的线，然后编译文件，设置分配管脚后，再次编译，然后下载到板子，电脑上的接线就完成了。在实验箱上，将对应的管脚用导线接上，导线要注意横平竖直，且都是直角，并且在接点阵时，保护电阻接在共阳极的管脚，接线就全部完成了。2、电路调试（1）点阵管脚测试我们小组在接线之前，进行了点阵管脚的测试，因为点阵的管脚是乱序版的，所以需要我们将其管脚测试好。首先，我们将保护电阻接在第一个管脚，然后接5V电压，再引一条导线接地，分别去接其它的管脚，我们发现有些管脚的灯亮了，有些管脚不亮灯，所以我们认定接5V电压的管脚是共阳极的端子，其余亮灯的端子是共阴极，不亮灯的端子是共阳极，然后将保护电阻都接到共阳极端子的一边。并且我们记录下灯亮的位置，可以判断我们接5V的这个共阳极端子控制的是哪一行，并且知道每个共阴极端子控制的是哪一列，也都记录下来。之后我们再将某一个共阴极端子接地，用5V电压分别接每个共阳极端子，以确定每个端子控制的是哪一行，记录下来，点阵的管脚就测试完毕了。（2）实验中遇到的问题及解决措施等接好全部的电路后，我们便下载程序到芯片中，我们发现，我们的灯在乱变图案，不是我们预期想要的，在经过一步步地查线和询问同学后，我们发现，ROM的时钟端接了低电频，但是它应该接高电平，我们改过来后发现它果然有图案了，但是图案偏移了两格，并且图案是倒过来的。我们便将74LS138分配的管脚也偏移两格，ROM分配的管脚倒置后，再下载，就可以得到我们想要的图了。之后我们又想，静止的图案太单调，于是我们又设计了动态的I LOVEU图案（LOVE用爱心表示）。不过后来又遇到了问题，计数器记到七十之后便没有图案了，会一直记到99才会循环到第一幅。然后我们看到了高位的计数器到七的时候输出的是0111，我便设计了三输端的与非门与高位计数器的低三位输出端连接，与非门的输出端再和开关与同或门连接，再连接到两个置数端，就可以实现自动循环或者手动置位了。第四章 结束语在本次实验中，我们成功地完成了彩灯每组图案的显示与动图的显示，看着漂亮的彩灯与其显示的可爱图案，我们特别有成就感。不过，我们当初是想着让音乐配合着彩灯播放，会更有意思与创意，不过我们不够时间实现了，也非常可惜，打算找个时间自己做一做，玩一玩。在本次