彩灯课程设计说明书总体方案的设计

1、1 前言 随着社会市场经济的不断繁荣和发展，各种装饰彩灯、广告彩灯越来越多地出现在城市中。彩灯又名花灯，彩灯艺术也是灯的综合性装饰艺术。彩灯的产生，是从人类运用火、发明灯、制造灯具等发明出来的。随着我国科学技术的发展，彩灯艺术更是花样翻新，奇招频出。传统的制灯工艺和现代科学技术紧密结合，将电子、建筑、遥控、机械、声学、光导纤维等新技术、新工艺用于彩灯的设计制作，把形、色、光、声、动相结合，思想性、艺术性、趣味性、知识性相统一的典范。在大型晚会的现场，彩灯更是成为不可缺少的一道景观。小型的彩灯多为采用霓虹灯管做成各种各样和多种色彩的灯管，或是以日光灯、白炽灯作为光源，另配大型广告语、宣传画来达到

2、效果。这些灯的控制设备多为数字电路。本次设计采用的555定时器作为脉冲控制部分，自1972年美国SIGNEILCS公司开发出NE555时基电路以来，至今已有30多年的历史，由于该集成电路成本低，易使用、适用面广、稳定性高，占领了广大市场，经久不衰，受到电子、电气设计与制作人员的欢迎世界各国集成电路生产厂商纷纷竞相仿制。目前该类产品已形成一支庞大的队伍。这次需要解决的问题主要是通过各种元器件，使用数字电路和模拟电路，实现彩灯的忽明忽暗功能，使其更具有观赏性。目的是为了进一步掌握数字电路课程所学的理论知识，并熟悉和掌握一些常用数字芯片的功能和作用，并且了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析

3、和解决问题，培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度，同时增强了我们的动手实践的能力。通过课程设计运用到相关的数字电路基础、模拟电路知识，我们可以从另一方面更加了解这些学科，从而对我们的专业也多了一些认识。要求本次设计的彩灯控制器达到实现左移和右移，并且每移一次时间间隔为1S，然后同时亮0.5S和同时灭0.5S一共4次的功能，并且能够按照此种规律一直循环下去。 本次课程设计采用的指导思想，是利用555定时器构成的多谐振荡器产生周期性的矩形脉冲，控制74LS161模十六计数器，74LS161A输出2倍T的脉冲信号；B输出4倍T的脉冲信号，大约为1S，通过控制S0和S1实现右移、左移和送数，通过

4、控制CLR控制清零。第一节拍为1右移，第二节拍为0左移，第三节拍全亮为置数1，全灭为清零。由于程序循环一次要12秒，故需要一个12进制的计数器控制循环。第三节拍时要求1秒内全灭全亮各一次，故脉冲信号频率比先前两节拍时脉冲频率要快一倍，而且要以相同频率控制CLR。可以用一个16进制计数器产生脉冲信号，一路送到控制12进制的计数器，一路经逻辑电路送到移位寄存器。本次课程设计只是一次初级的对数字电子技术和模拟电子技术的应用，相关问题解决的还不太完善，方案也不是最优化的，随着以后学习到的知识的加深，相信方案可以变得更好。2 总体方案设计2.1 方案比较方案一：根据课程设计课题要求，要实现本系统，需要设

5、计时钟脉冲产生电路，循环控制电路和彩灯花样输出电路。彩灯的三个节拍可以用移位寄存器74LS194实现，通过控制S0和S1实现右移、左移和送数，通过控制CLR控制清零。第一节拍为1右移，第二节拍为0左移，第三节拍全亮为置数1，全灭为清零。 12进制循环控制器多 谐 振 荡 器 16进制分频计数器移位计数器74LS194彩 灯 显 示 输 出图2.1.1总体方案一框图由于程序循环一次要12秒，故需要一个12进制的计数器控制循环。第三节拍时要求1秒内全灭全亮各一次，故脉冲信号频率比先前两节拍时脉冲频率要快一倍，而且要以相同频率控制CLR。可以用一个16进制计数器产生脉冲信号，一路送到控制12进制的计

6、数器，一路经逻辑电路送到移位寄存器。多谐振荡器用于产生连续的脉冲方波周期性信号，并且每个脉冲的上升沿或者下降沿将使彩灯输出信号发生一次改变，周期的改变可以通过此模块实现。16分频计数器是由74LS161构成，本次设计将利用它的计数功能，使输出端的计数分为四路，达到四路彩灯控制的要求。移位计数器的功能是用芯片74LS194实现的，移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。既能左移又能右移的称为双向移位寄存器，只需改变左、右移的控制信号便可实现双向移位的要求。输出接彩灯输出电路，便可以实现其要求。方案二：彩 灯 输 出 电 路脉 冲 控 制

7、电 路脉 冲 分 配 器固 态 继 电 器图2.1.2 总体方案二框图根据课程设计要求，首先需要脉冲控制电路版块，这一部分由555时基电路组成的多谐振荡功能来实现，产生连续的周期性的方波信号，并且可以调节脉冲周期的长短，从而控制脉冲分配器，使其输出的信号能够驱动固态继电器。固态继电器受触发后依次开通，驱动彩灯按次序发光。固态继电器需要四个，分别与每组灯相连，分开控制每个灯泡，它的通态输出电流可达3A（有效值），由于市电为220V,所以每路彩灯可控最大功率可达600W。本方案属于大功率电路，适用的范围很广，灯光较亮，但是耗能很高，成本较高。方案三： 电 源 电 路 彩灯输出电路彩灯控制电路图2.

8、1.3 总体方案三框图电源电路由整流二极管、限流电阻器、稳压二极管和滤波电容器组成。彩灯控制电路由计数器集成电路IC、电阻器肛-R13、电容器、可变电阻器RP、晶闸管和彩灯组成。交流220V电压经电源组成板块的文式桥二极管整流整流、然后经限流降压、稳压及滤波后，为IC提供6.8V直流工作电源。IC和外部电阻、电容组成多谐振荡器，在接通电源后即开始工作，IC对多谐振荡器产生的振荡信号进行分频计数后，从IC的Q4-QlO端和Q12-Q14端输出变化的控制电平，使灯泡相连的二极管间歇导通，彩灯按不同的频率闪烁发光，调节RP的阻值，可改变彩灯闪烁的频率。本实验设计方案没由采用555定时器来构成多谐振荡

9、器输出脉冲，而是用计数集成电路IC和外部电容、电阻构成，方式较前两种方案有所不同，实现脉冲的过程较复杂，况且对其脉冲的周期性也不好控制。目前对此种实现脉冲的方式还不太了解，集成数字芯片计数器IC的管脚功能也不熟悉，对其产生脉冲的稳定性也不能肯定。方案四：花 型 演 示 电 路花 型 控 制节 拍 控 制 电 路时 钟 信 号 电 路图2.1.4 总体方案四框图总体电路共分三大块。第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制及节拍控第三块实现时钟信号的产生。将花型控制和节拍控制放在一个模块里实现。 方案五：花 型 演 示 电 路花 型 控 制 电 路节 拍 控 制 电 路时 钟 信 号 电 路图2

10、.1.5 总体方案五框图在方案四的基础上将整体电路分为四块。第一块实现时钟信号的产生；第二块实现节拍的控制；第三块实现花型控制；第四块实现花型的演示。并在部分电路的设计上与方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。方案六：C语言编程实现亮灯顺序AT89C51单片机控制LED彩灯显示输出图2.1.6 总体方案六框图第一块的作用是用C语言编程实现课程设计要求。其中会用到C语言中的移位、建立延时函数来实现对灯光的延时、闪烁的功能。第二块作用是用单片机将处于严重实现的功能电路画出来，从而可以继续C语言和单片机的握手连接，经过调试后达到要求。2.2方案论证与方案选择在以上几种方案之中，方案一的条理清晰，

11、所用到的芯片比较常见，并且大部分功能都是在我们的书本知识中可以了解到的，其中典型的555定时器构成的多谐振荡器，能够产生稳定的，周期可调的连续脉冲。其中用到的74LS194移位寄存器很容易的实现了彩灯的移位功能。并且利用了十二进制循环控制器使灯泡的明暗能够循环的进行。方案二中同样也用到了555定时器构成的多谐振荡器，总体框图较简单，但此种方案比较适合大功率的循环彩灯控制，每个灯泡的功率高达600W，耗能很高，成本开支较大，适合大型的舞台灯光，并且现在我们对电磁继电器的功能还不了解，设计中可能会出现一些困难。本次设计仅仅针对小型功率的彩灯控制器，所以此种方案不适用。 方案三的框图都是所有方案中最

12、简单的，但是会涉及到很多未学到的知识，比如集成电路IC、电阻器肛-R13，这些元器件都没有了解过，设计起来困难较大。方案四基于基本要求而设计的，方案五加入了节拍的变化，花型控制电路和花型演示电路的CP都是节拍控制之后的CP。方案四与方案五最大的不同就在，前者将花型控制与节拍控制两种功能融合在一起，是考虑到只要计数器就可以实现其全部功能的原因，且原理相对简单。如此设计，其优点在于：设计思想比较简单。元件种类使用少，且都较熟悉易于组装电路。缺点则是：中间单元电路连线过于繁多，容易出错。且可能出现线与线关系。要避免这些，则势必造成门电路使用过多。导致电路不稳定，抗干扰能力下降。而后者则将以上两种功能

13、分开设计，各单元电路只实现一种功能。其优点在于：电路设计模块化，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试带来方便。缺点则是：节拍控制电路采用可编辑逻辑电路，原理相对复杂，不易理解。花型控制电路简单，花型也比较简单。方案六中涉及到大三课程中即将用到的单片机知识，鉴于目前对单片机只有粗浅的了解，很多功能还不知道如何去实现，且单片机功能强大，涉及到的问题较多，为了简化设计，使设计更容易被我们理解，并且要贴合目前学到的数字电路和模拟电路所用到的知识，故不选择这种方案。综上所述，本次课程设计将采用方案一，它运用到了我们已经学过的数字电路和模拟电路，并且模块部分实现的功能很清晰，易理解。实现的电路图也很能

14、够使我们更加理解平时课本上学到的东西，我们可以从另一方面更加了解这些学科，也用到了很多本专业的相关软件，比如Protel、Tina等，从而对我们的专业也多了一些认识。3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计1 时钟脉冲产生电路本模块将用555定时器构成的多谐振荡器来产生连续的、周期性的、可调的时间脉冲，它的作用是触发16分频计数器74LS161工作，从而输出四路信号。图3.1.1 时钟脉冲产生电路555定时器构成的多谐振荡器，内部的比较灵敏度较高，而且采用差分电路形式，振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。并且如果改变R1与R2的阻值便可以改变多谐振荡器输出脉冲的频率。4管脚是低电平

15、有效的复位端，这里将其与+5V的高电平相连使其一直位于高电平状态而不工作。C2是充放电电容，也可以改变C2的值，从而改变输出脉冲的占空比，可以改变灯光亮与灭的时间。2 循环控制电路本模块的主要功能是实现4路彩灯的多次循环的功能。具体实现方式如下：图3.1.2 十二进制循环控制电路如图2.2所示，将74LS161替换成了74LS163，它们在实现十二进制循环控制的功能上是相同的。要使系统以十二进制的长度循环，可以利用74LS163计数清零的功能。如果模N计数器的计数序列从最小0到最大数N-1，那么N是多余的，可用与非门检测N,当N出现时，与非门输出为低，用它控制清零端CR，将计数器清零。此处工作

16、状态从00001011，检测1100（异步清零）。从74LS163输出的1100送入与非门之前，13、14管脚输出后各接一个非门，然后一起将数据送入与非门，从它的6管脚输出的数据返回74LS163的1管脚实现清零功能，使74LS163能够重新开始计数。3 彩灯花样输出电路此模块将对四路彩灯的输出进行控制，彩灯的亮法规则是第一节拍时四路输出Q1-Q4依次为高电平1，从而使第一路灯先亮，接着第二，第三，第四路灯依次点亮；第二节拍时四路输出Q1-Q4依次为0，从而使第四路灯先灭，接着第三，第二，第一路灯依次熄灭；第三节拍时四路输出Q1-Q4同时为高电平1，并保持0.5秒，然后同时为低电平0，并保持0

17、.5秒，从而使14路灯同时点亮0.5秒，而后同时熄灭0.5秒，共进行4次。电路图如下：图3.1.3 彩灯花样输出电路本模块用到了74LS194移位寄存器的移位功能，从而实现四路彩灯的三种花色的变化。它的输出端状态的变化情况计入表 3.1中。 3.2电路参数的计算及元器件的选择1. 时钟脉冲产生电路本模块将选用555定时器构成的多谐振荡器产生连续的、周期性的、周期可调的矩形脉冲。 图3.2.1 555定时器芯片用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,控制74LS161模十六计数器，74LS161A输出2倍T的脉冲信号；B输出4倍T的脉冲信号，大约为1S。用555定时器构

18、成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为:T=0.7(R1+2R2)C(3-2-1)控制74LS161模十六计数器电阻值和电容值可设为：R1=1K ， R2=20K ， C=0.01F由公式（1-1）计算得：T=0.287S2 循环控制电路循环控制电路的实现选用的是74LS163计数器，它在实现循环控制的功能上与74LS161相同。要使系统能够实现使二进制的循环，可以使输出端控制在1100状态，立即反馈清零，计数器从新开始计数即可。反馈的过程中选用了一个与非门以及两个非门，是数据在送入与非门之前变为1111，从而驱动与非门输出为低电平，使清零端开始工作，计数器重新置数为000

19、0，然后又重新计数，依次循环下去。 图3.2.2 74LS163计数循环控制芯片如图 3.2.2所示，管脚A、B、C、D是输入端，管脚QA、QB、QC、QD是输出端。 图3.2.3 74LS20与非门反馈清零部分如图3.2.3所示，QA、QB、QC、QD输出后QA、QB接非门，然后四路数据一起送入74LS20的输入端，左后经Y输出后反馈到CLR管脚实现清零功能。3 彩灯花样输出电路 要实现彩灯的移位功能，采用的是74LS194移位寄存器，从而实现送入数据的左移和右移的功能。74LS194的管脚分布如下： 图3.2.3 74LS194移位寄存器它的各管脚功能如下：CLK 时钟输入端CLR 清除端

20、（低电平有效）AD 并行数据输入端SLSER 左移串行数据输入端SRSER右移串行数据输入端S0、S1 工作方式控制端QAQD 输出端其中S0=0/S1=0时，工作方式为保持；S0=0/S1=1时，工作方式为右移；S0=1/S1=0时，工作方式为左移；S0=1/S1=0时，工作方式为预置。需要说明的是输出管脚Q0Q3无高地位之分，只是占位。SLSER、SRSER分别为左移输入和右移输入。（1）清除：当CR= 0时,不管其它输入为何状态,输出为全0状态。（2）保持：CP = 0,CR = 1时,其它输入为任意状态,输出状态保持。或者CR = 1,M1、M0均为0,其它输入为任意状态,输出状态也将

21、保持。（3）置数（送数）：CR= 1,M1 = M0 = 1,在CP脉冲上升沿时,将数据输入端数据D0、D1、D2、D3置入Q0、Q1、Q2、Q3中并寄存。（4）右移：CR= 1,M1 = 0,M0= 1,在CP脉冲上升沿时,实现右移操作,此时若DSR= 0,则0向Q0移位,若DSR= 1,则1向Q0移位。（5）左移：CR= 1,M1= 1,M0= 0,在CP脉冲上升沿时,实现左移功能。此时若DSL= 0,则把0向Q3移位,若DSL= 1,则把1向Q3移位。74LS194的功能表如下表所示：表3.2.1 输 入 输 出功 能/CRS1S0CPSLSRD0D1D2D3Q0Q1Q2Q30 清 零1

22、11 d0d1d2d3d0d1d2d3 送 数101 11Q0nQ1nQ2n 右 移110 0 Q1nQ2nQ3n 0 左 移由图3.2.1所示可知，74LS194的移位功能在CP的上升沿触发状态开始工作。CR清零端的优先级别最高，若CR端为低电平，无论输入什么数据，输出端都为低电平。若要实现各个管脚的功能，必须将CR端置1。下图是12进制计数器的输出端的C、D信号控制移位寄存器的S0和S1及其CLR端的真值表。表3.2.2CLK时间节拍QDQCS0S1SRSL74LS194动作01HZ脉冲1HZ脉冲1第一节拍00101 *右移112001023001034001045第二节拍0101 *0左

23、移156010167010178010182HZ脉冲9第三节拍1011* *送 1清 09101011101110111112101112131011131410111415101115161011由上表可以得出：S0QCS1QD+QCCLR（QD*A+QD）进一步分析可知74LS194脉冲控制：CLK（QD*A+QD）*QD+B3.3特殊器件的介绍1 74LS04 图3.3.1 74LS0474LS04是一个六反相器，每个反相器都是由图3.3.1的非门构成的，1A-6A是输入端，1Y-6Y是输出端，封装是双列直插式的。2 74LS09 图3.3.2 74LS09 74LS09是一个三3输入与

24、非门，每个与非门都是如图3.3.2构成的，实现的功能是：Y=A+B。其中1A-3A是输入端，1B-3B是输入端，1C-3C是输入端，1Y-3Y是输出端。是双列直插式封装。3 74LS20 图3.3.3 74LS2074LS20是双4输入与非门，每个与非门的形式都与图3.3.3相似，得到的Y是A*B*C*D反相后的值。其中1A、2A是输入，1B、2B是输入，1C、2C是输入，1D、2D是输入，1Y/2Y是输出。是双列直插式封装。4 74LS32 图3.3.4 74LS32 74LS32是四2输入或门，实现的功能是Y=A+B，每个或门的形式都如图3.3.4所示，其中1A-4A是输入，1B-4B是输

25、入，1Y-4Y是输出。是双列直插式封装。3.4各单元模块的联接根据以上的各个模块的介绍以及元器件的选择，最后确定的连接方式是：先由一个555定时器构成的多谐振荡器产生连续的、周期性的、可调的、稳定的连续矩形脉冲，然后送入到74LS163的脉冲触发端中，然后把74LS163的循环控制计数定在12位，即从0000到1011，在下一个脉冲到来的时候清零，重新开始计数循环。然后将控制输出的数据送入74LS194的脉冲端，从而使74LS194开始工作，最先开始移位，然后清零闪烁。一次循环完后，又由74LS163送过来的信号而开始下一次的循环。4系统调试 按电路图画好电路后利用PROTUSE软件进行调试，

26、调试中出现的故障、原因及排除方法如下：1. 彩灯只有一种变化，没有其他的花样。解决方法：可能是移位计数器的S0，S1端控制出现问题，应该检查循环控制逻辑电路是否连接正确。还可能是12进制循环控制计数器没正常工作，检查是否正确接线，芯片是否选择正确。特别注意不能把非门的输入与输出接反了。2. 彩灯无规律变化。解决方法：原因可能是12进制循环控制电路不能产生符合要求的控制码，检查模十六计数器的CP脉冲是否稳定，看74LS161是否能计数，即QA、QB、QC、QD是否周期性的高低电平变化，前面没问题，再检查与非门74LS20和非门74LS04是否能实现它们逻辑功能。3彩灯四种花色都有，但一次循环结束

27、后到另一次循环开始中间有段时间灯不亮。解决方法：原因可能是控制循环的12进制计数器没有真确接线，实际控制循环的进制大于12进制，导致有放空时间。应该检查74LS20是否正常工作，确保能实现12进制计数。5系统功能、指标参数5.1系统能实现的功能 这次课程设计的所设计的系统实现的功能主要是使四路彩灯实现不同规律的，有次序的循环闪烁。5.2系统指标参数测试 系统的仿真调试过程如图5.2.1所示。图5.2.1 仿真调试过程图6结论 本次课程设计我选做的题目是：彩灯控制器。在电力资源必不可少的今天，本设计在社会生活中有很广泛的应用，比如城市夜景，舞台灯光，信号灯等等。它不仅美化了我们的生活，也是我们走

28、进一个电子化的新时代。 这次做的设计，仅仅是最基础的设计，只是4个LED灯的变化，而现在生活中用到的LED灯要达到预想的效果，仅仅四个灯是不够的，有的已达到百万个千万个LED灯，我们在广场看到的LED液晶显示大屏幕，也是这样的原理而工作的，只不过涉及到的电路，程序也就复杂了很多。这次的设计利用的芯片大部分是我们在实验教学或者平时的专业知识中所学过的，用到的时候还比较熟悉，最后得到的结果闪烁的时间比所预计的时间要快。对于时间的计算方面掌握的还不太好。元器件的选择还可以更精确。结果出来的时候，我觉得有的地方还应改进。如快慢节拍不是很明显，花型比较简单，且555产生的时钟信号频率太小等等。另外，如果

29、本次设计用单片机来实现，可能电路图与分析过程会更加简单，但是由于我目前还没有学到单片机的相关知识，用到的时候可能会造成一些不必要的错误。这次的设计只是一个基础，为我们以后的学习增加了一些趣味性，使我们对学到的知识更加了解。实际中的问题还会更加的复杂。设计过程中涉及到的问题也会有很多，比如对调试过程中发现了错误应该怎样解决的问题。因为平时我们一直是在做东西，而要我们自己来发现自己的错误的时候就不是那么的简单了。7总结与体会课程设计刚开始，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。并且很多的软件都没有用过，要开始设计，必须先了解相关软件的应用。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