电子技术课程设计报告-彩灯

1、电子技术课程设计报告 报 告 题 目： 彩灯控制器 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 通信工程 作者所在班级： B07233 作 者 姓 名 ： 唐美杰 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 张增良 完 成 时 间 ： 2009 年 6 月 26 日 北华航天工业学院电子工程系制 课程设计任务书课程设计任务书 课题名称课题名称彩灯控制器完成时间完成时间 6.26 指导教师指导教师张增良职称职称副教授学生姓名学生姓名唐美杰班班 级级 B07233 总体设计要求和技术要点总体设计要求和技术要点 设计一个数字式电容测量仪电路，要求如下： 1.控制器有四种输出，每种驱动四只 LED； 2.16

2、 只 LED 组成彩灯图案，图案的状态变换有三种； 3.图案的状态变换能实现定时自动切换； 4.图案的状态变换速度有快、慢两种； 5.控制器具有清零的功能。 工作内容及时间进度安排工作内容及时间进度安排 第 17 周： 周 1周 4 立题论证方案设计 周 5 检查课程设计进展情况 第 18 周： 周 1周 3 仿真实验 周 4周 5 验收答辩 课程设计成果课程设计成果 1课程设计的仿真结果 2课程设计报告书 摘 要 现在彩灯已经成为社会活动和日常生活必不可少的器件，因此对彩灯控制的研究也 显得尤为重要。而平时我们所看到的各种彩灯图案大部分由左右移动、暗点移动、逐渐 亮再逐渐暗三种状态组合而成。

3、 本课题为彩灯控制器，其最终的仿真效果是产生左右移动、暗点移动、逐渐亮再逐 渐暗三种图案的依次变换，并且在一定时间内，每种图案产生其相应的状态变换。 关键字 分频 移位寄存 负脉冲 清零 置数 目 录 一概述一概述 .1 1 二方案设计与论证二方案设计与论证 .1 1 三单元电路设计与分析三单元电路设计与分析.2.2 1. 彩灯图案及图案变换的设计 .2 2. 状态变换产生电路的设计.2 3初态产生电路的设计.3 4.初态置入控制电路的设计.4 5.环形计数控制电路和速度变换产生电路的设计.4 6. 时钟信号产生电路的设计.5 7. 驱动电路的设计.6 8. 清零电路的设计. .6 四总原理图

4、及元器件清单四总原理图及元器件清单.7.7 1.总原理图.7 2.工作原理.7 3.元器件清单.8 五结论五结论.8.8 六心得体会六心得体会.8.8 参考文献参考文献.9.9 一概述 分频器 4060 产生三种时钟信号 CP2 CP1 和 CP0，其频率分别为 8Hz 4Hz 和 0.25Hz。CP0 去控制产生置数脉冲的 74LS123 和产生初态 74LS161，以使置数脉冲与初 态同步。74LS161 接成三进制计数器，计数循环为 1101111011111101，经过适当 的组合逻辑变换产生三种图案的初态，即 1010111011111010，并将其送至 74LS195 的数据输入端

5、，双四选一数据选择器 74LS153 的 2Y 作为 74LS195 的时钟信号 控制速度变换，1Y 接 74LS195 的 JK 实现环扭控制。当 1Y 输出 Q3，2Y 输出 CP1 且置 数脉冲 置入初态 1010 时，产生“左右摆动”的图案；当 1Y 输出 Q3,2Y 输出 CP2 且置 数脉冲置入初态为 1110 时，产生“暗点移动”的图案；当 1Y 输出 Q3,2Y 输出 CP2 且 置数脉冲置入的初态为 1111 时，产生“逐渐亮再逐渐灭”的图案 。 二方案设计与论证 彩灯图案变换一般有旋转、移位和闪动 3 种形式。每种图案的状态变换常以环形和 扭环形计数器的计数循环状态来实现，

6、而环形和扭环形计数器一般由移位寄存器经适当 的反馈连线构成。通过改变移位脉冲的时钟频率即可改变每种图案状态变换的速度。再 用规则的顺序脉冲去控制图案状态变换的保持时间，就能实现不同图案变换的自动切换。 按照设计思路，可得到如图所示的彩灯控制组成方框图。 三单元电路设计与分析 1.彩灯图案及图案变换的设计 可根据使用场所的不同来设计不同的彩灯图案，本题的图案变幻拟采用以下三种形 式： （1） 左右摆动 这种图案的状态变换有两种状态构成,它们之间关系为 01011010。 高电平时 LED 为亮，低电平时则为暗，所以这两种状态之间的相互转化就形成了“左右 摆动”图案。 （2） 暗点移动 这种图由四

7、种状态构成,其变换过程为 11100111101111011110.低电平(暗 点)逐位循环右移,这四种状态之间的转化就形成了“暗点移动”的图案。 (3 ) 逐渐亮再逐渐暗 这种图案的状态变换由 8 种状态构成，其转换过程为 000010001100111011110111001100010000。从 0000 到 1111 LED 从左到右逐渐点亮，而从 1111 到 0000，LED 从左到右逐渐变暗，形成“逐渐亮再逐渐 暗”的图案。 2. 状态变换产生电路的设计 从彩灯控制器所采用地种图案的设计可以看出：“左右摆动”和“暗点移动”这 2 种图案的各种状态可由移位寄存器的环形计数器获得，而

8、“逐渐亮再逐渐暗”的各种状 态则可以通过移位寄存器的扭环形计数器得到。由此可见，状态变换产生电路可由移位 寄存器通过适当的反馈电路构成的环形和扭环形计数器来实现。74LS195 是四位通用移 位寄存器，如下图 D0 4 D1 5 D2 6 D3 7 J 2 K 3 CLK 10 S/L 9 MR 1 Q0 15 Q1 14 Q2 13 Q3 12 Q3 11 U1 74LS195 3. 初态产生电路的设计 用 74LS161 和 74LS00 接成一个三进制计数器,其计数循环为 1101111011111101,在将 74LS161 数据送至 74LS195 的数据输入端时,把 74LS161

9、 的 Q0 与 74LS195 的 D3 相连,Q1 与 D2 和 D0 相连,Q2 与 D1 相连,这样就产 生了三种图案的初态,其变化为:1010111011111010,初态为 1010 时产生“左右摆 动”图案，初态为 1010 时产生“暗点移动”图案，初态为 1111 时产生“逐渐亮再逐渐 暗”图案。 初态产生电路图为 D0 3 Q0 14 D1 4 Q1 13 D2 5 Q2 12 D3 6 Q3 11 RCO 15 ENP 7 ENT 10 CLK 2 LOAD 9 MR 1 U2 74LS161 4 5 6 U7:B 74LS00 10 9 8 U7:C 74LS00 13 1

10、2 11 U7:D 74LS00 U2(ENP) VALUE=5 CX 14 RX/CX 15 A 1 B 2 MR 3 Q 13 Q 4 U3:A 74LS123 R2 80k C1 100u 4. 初态置入控制电路的设计 用单稳态触发器 74LS123 产生的置数脉冲把三种图案的初态送至状态变换产生电路. 74LS123 的时钟信号输入端 B 接与 74LS161 一样的时钟信号，此时置数脉冲与初态同 步,并将初态送至 74LS195 的置数端.来一个脉冲，74LS195 置一个初态,稳态时,产生与 初态相对应的图案。 5. 环扭计数控制电路和速度变换产生电路的设计 在彩灯控制的三种图案中

11、，左右摆动和暗点移动图案的状态变换数由环形 计数器产生的，需将 74LS195 的 Q3 端与 JK 端相连才能得到，而逐渐亮再逐渐暗的 状态变换则由扭环形计数器产生，此时应将 74LS195 的 Q3 端与 JK端相连。JK 与 Q3 或 Q3 之间的连接可以通过数据选择器来实现，由于只有 3 种图案，且左右摆动 和暗点移动这两种图案都是 Q3 与 JK 相连，所以 JK 与 Q3 或 Q3之间的连接可采用 4 选 1 数据选择器来实现，数据选择器的数据输入端接 74LS195 的 Q3 与 Q3 端，输出 端接 JK 端；数据选择器的功能接成三进制的 74LS161 的低二位来实现，即 7

12、4LS153 的 A、B 端分别接 74LS161 的输出端 D0、D1 端。74LS195 时钟输入端 CP 选择的是 不同频率的时钟时钟，因此速度变化产生电路也可由 4 选 1 数据选择器来实现。 综上，环扭形计数控制电路和速度变化产生电路可由一个双 4 选 1 数据选择器 74LS153 和一个 2 位三进制计数器（74LS161 的低二位）来实现。环扭计数控制电路 和速度变换产生电路如下所示。 时钟信号产生电路的设计 该电路的主要功能是产生不同频率的时钟信号，对于整个彩灯控制器的同步控制和 图案状态变换的速度控制。也就是说，该电路产生的时钟信号有两个去向：频率最低的 时钟信号去控制出台

13、产生电路、初态置入控制电路，该时钟信号决定了图案状态变换的 持续时间；其他频率的时钟信号则用于图案状态变换速度的控制。 由于彩灯控制器中要用到多个频率的时钟信号，在此可以考虑 14 位二进制串行计 数器/分频器 4060 来实现。时钟信号产生电路如下图所示 1X0 6 1Y 7 1X1 5 1X2 4 1X3 3 2X0 10 2Y 9 2X1 11 2X2 12 2X3 13 A 14 B 2 1E 1 2E 15 U4 74LS153 1 2 3 U10:A 74LS00 D0 3 Q0 14 D1 4 Q1 13 D2 5 Q2 12 D3 6 Q3 11 RCO 15 ENP 7 EN

14、T 10 CLK 2 LOAD 9 MR 1 U5 74LS161 U5(ENP) RS 11 MR 12 Q3 7 Q4 5 Q5 4 Q6 6 Q7 14 Q8 13 Q9 15 Q11 1 Q12 2 Q13 3 CTC 9 RTC 10 U6 4060 U6(RS) 本课题三种图案的变换采用了相同的持续时间 8s，三种图案的状态变换情况如下： 对于左右摆动图案，状态间变化所需时间为 0.25s，8s 内循环 16 个周期。 对于暗点移动图案，状态间变化所需时间为 0.125s，8s 内循环 16 个周期。 对于逐渐亮再逐渐暗图案，状态间变化所需时间为 0.125s，8s 内循环 8 个

15、周期。 清零电路的设计 清零的电路的功能主要是针对 2 个三进制计数器、单稳态触发电路和状态变换产生 电路进行复位清零，而且对这几部分电路的清零必须同时进行，以保证三种图案能够正 确切换。经过清零过程，可使 74LS195 构成的电路能够产生逐渐亮再逐渐暗图案的状 态变换。另外清零电路还作用于 74LS161 构成的初态产生电路，目的是在清零过程中， 利用 CP0 的上升沿来把 1101 置入其中。 本题目中的清零电路的构成很简单，只用一个接地按键和一个限流电阻即可实现清零复 位的功能。 8. 驱动电路的设计 驱动电路应根据每一组驱动彩灯的总电流来进行选取。实验中可选用一般的门电路 或 OC

16、门电路。设计彩灯控制器时因每组只需 4 个 LED，总电流较小，所以选用 4-2 输 入与门 74LS08 作为驱动电路即可。 四总原理图及元器件清单 1总原理图 D0 4 D1 5 D2 6 D3 7 J 2 K 3 CLK 10 S/L 9 MR 1 Q0 15 Q1 14 Q2 13 Q3 12 Q3 11 U1 74LS195 D0 3 Q0 14 D1 4 Q1 13 D2 5 Q2 12 D3 6 Q3 11 RCO 15 ENP 7 ENT 10 CLK 2 LOAD 9 MR 1 U2 74LS161 CX 14 RX/CX 15 A 1 B 2 MR 3 Q 13 Q 4 U

17、3:A 74LS123 1X0 6 1Y 7 1X1 5 1X2 4 1X3 3 2X0 10 2Y 9 2X1 11 2X2 12 2X3 13 A 14 B 2 1E 1 2E 15 U4 74LS153 RS 11 MR 12 Q3 7 Q4 5 Q5 4 Q6 6 Q7 14 Q8 13 Q9 15 Q11 1 Q12 2 Q13 3 CTC 9 RTC 10 U6 4060 1 2 3 U7:A 74LS00 4 5 6 U7:B 74LS00 10 9 8 U7:C 74LS00 13 12 11 U7:D 74LS00 R2(2) VALUE=5 R1(1) VALUE=5 U2

18、(ENP) VALUE=5 R1 5.1k R2 80k C1 100u D1 LED-BIBY D2 LED-BIBY D3 LED-BIBY D4 LED-BIBY U6(RS) 1 2 3 U9:A 74LS08 1 2 3 U8:A 74LS08 4 5 6 U8:B 74LS08 9 10 8 U8:C 74LS08 1 2 3 U10:A 74LS00 D0 3 Q0 14 D1 4 Q1 13 D2 5 Q2 12 D3 6 Q3 11 RCO 15 ENP 7 ENT 10 CLK 2 LOAD 9 MR 1 U5 74LS161 U5(ENP) 12 U11:A 7404 2

19、工作原理 彩灯图案变换有旋转、移位和闪动 3 种形式。每种图案的状态变换以环形和扭环形 计数器的计数循环状态来实现，而环形和扭环形计数器由移位寄存器经适当的反馈连线 构成。通过改变移位脉冲的时钟频率即可改变每种图案状态变换的速度。再用规则的顺 序脉冲去控制图案状态变换的保持时间，就能实现不同图案变换的自动切换。 分频器 4060 产生三种时钟信号 CP2 CP1 和 CP0。CP0 去控制产生置数脉冲的 74LS123 和产生初态 74LS161，以使置数脉冲与初态同步。74LS161 接成三进制计数 器，产生三种图案的初态,并将其送至 74LS195 的数据输入端，双四选一数据选择器 74L

20、S153 的 2Y 作为 74LS195 的时钟信号控制速度变换，1Y 接 74LS195 的 JK 实现环 扭控制。 3元器件清单 表 1 元器件清单 元件序号 Quantity Description Reference_ID Package = 1 74LS195 U1 ELKO10R5 2 74LS161 U2 U5 DWO20 1 74LS123 U3：A DWO20 1 74LS153 U4 DWO20 1 4060 U6 DWO20 4 74LS00 U7：A、B、C、D DWO20 3 74LS08 U8:A、B、C DWO20 1 74LS08 U9:A DWO20 1 74LS00 U10:A DWO20 1 7404 U11:A DWO20 2 10WATTOR1, R1:5.1K、R2:80K R1 R2 RES0.5 4 LED-BIBY D1 、D2、D3、D4 1 CAP-ELEC, 100u C1 ELKO10R5 1 BUTTON 五结论 经过理论设计和软件仿真，各个节点连接无误，各部分电路均工作正常，符合设计 要求，就具有很强的可行性。 六心得体会 为期两周的课程设计让我对本学期的数电和模电课程有了更深的理解，认识到电子 应用的广泛。如果能熟练掌握数电和模电的基础知识，再通过参考书和上网查一些元