四路彩灯控制器设计方案

1、四路彩灯控制器设计方案1 前言1.1 序言随着经济的发展，城市之间的灯光系统花样越来越多，用中规模集成电路 设计并制作一个四路彩灯显示系统，可用于节日庆典，医院病房等多处地方， 同用单片机控制相比，它具有准确，不易受外界干扰出错，因而得到了广泛的 应用。小到人们日常生活中的电子贺卡，大到宾馆、医院等公共场所的大型数 显电子钟。1.2 设计要求用中规模集成电路设计并制作一个四路彩灯显示系统，要求如下：1) 开机自动置入初始状态后即能按规定的程序进行循环显示；2) 程序由三个节拍组成：第一节拍时，四路输出 Q1Q4依次为1,使第一路彩灯先点亮，接着第二，第三，第四路彩灯点亮。第二节拍时，Q4Q1依

2、次为 0，使第四路彩灯先灭，然后使第三，第二，第一路彩灯灭。第三节拍时，Q1Q4输出同时为1态0.5秒，然后同时为0态0.5秒，使四路彩灯同时点亮 0.5 秒，然后同时灭 0.5 秒，共进行 4次。每个节拍费时都为 4秒，执行一次 程序共需 12秒；3) 用发光二极管显示彩灯系统的各节拍。1.3 实施计划根据课程设计要求，首先确定总设计方案，然后用EDA软件设计各单元电路并仿真分析，最后完善总体电路写出设计报告。1.4 必备条件编辑说明书： Word 2003绘制框图： SmartDraw 7绘制原理电路： Protel 、A ltium 、 Multisim 、Tina 、Proteus 等

3、 仿真分析： Altium 、 Multisim 、Tina 、Proteus 等PCB： Protel 、A ltium 、 Multisim 、Tina 、Proteus 等 设计所需软件用以上任意即可完成需求。2总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种 技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理 分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。2.1方案比较2.1.1方案1采用单片机控制电路为主实现四路彩灯显示。运用C语言编程，然后编译，通过单片机部实现四路彩灯的显示，编译成 功后通过下载机下载至芯片，然后连

4、接即可实现预先功能。图2.2方案一的原理框图2.1.2方案2采用中规模数字芯片组合实现四路彩灯显示系统。要实现本系统，需要设计时钟脉冲产生电路，循环控制电路和彩灯花样输 出电路。中规模数字芯片的组合方式多种多样，本设计决定时钟脉冲产生电路 由74LS161分频实现，循环控制电路由74LS161实现，彩灯花样输出电路由 74LS194和相关逻辑门电路实现。图2.3方案二的原理框图2.2方案论证1）方案一优点：连接线路较少简单，可以实现的功能更多，扩展性强。缺点：编程较为麻烦，容易出错，不利于理解底层电路的连接和实现其功 能。同时用单片机控制不宜体现数字电子技术基础运用实践的能力2）方案二优点：不

5、用编程，不用编译只要正确连接线路，元器件参数选择合适就能 正常工作。缺点：必须掌握所有芯片的引脚功能及作用，并且连线较为复杂。2.3方案选择本学期我们学习了数字电子技术，一直感觉数电学的不太好，很多概念模 糊不清，尽管在学院创新实验室已经提前学习了单片机编程技术，但是为了打 好基础，学好基础电子技术课程，我决定选择方案二。3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为三个单元模块，它们分别是：秒脉冲电路、模 12计数器 74LS163设计、和移位寄存器74LS194控制显示电路。各单元模块功能及相关电 路的具体说明如下。3.1.1 555定时器构成秒脉冲电路设计用555定时器构

6、成多谐振荡器，电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲，对于彩灯控制器，我们需要1Hz占空比为50%勺方波信号，设计电路图如下:3.1.2 模12计数器74LS163设计模12计数器74LS163起节拍产生和控制作用，每4s 个节拍，3个节拍 共12s后反复循环。设计电路图如下：3.1.3通用移位寄存器74LS194控制四个彩灯通用移位寄存器74LS194控制四个彩灯连接原理图如下:U2IB -QQ4卜GLKSil31MP11 卫IdD1D2LE中*田I1:15ie.SCHicIc74LS： TTCD3-ECtREDD4It+VCCmRI*rNUED-YEI Cj-.Y图3.3 74ls194 构成

7、显示控制电路3.2元器件的选择和参数计算下面就相关电路中的参数计算以及元器件的选择进行说明3.2.1 秒脉冲电路方案一：石英晶体振荡器；此电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率 fs ，而与电路中的 R、 C的值无关。所以此电路能够得到频率稳定性极高的脉冲波形，它的缺点就是 频率不能调节，而且频带窄，不能用于宽带滤波。此电路非常适合秒脉冲发生 器的设计，但由于尽量和课堂知识联系起来，所以没有采用此电路。方案二：由 555定时器构成的多谐振荡器；由 555定时器构成的多谐振荡器。 555定时器的管脚图如图 3.1 所示。由于 555 定时器部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且

8、采用差分电路 形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响很小。所以由 555定时器构成的 多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰。因此采用此方案。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 ,其 周期为:T= TFH+ TFL=0.7 X ( R1+R2+RBX C+ 0.7 X ( R1+0.79X R2) X C (1-1)控制74LS161模12计数器电阻值和电容值可设为：R1=4.2KQ , R2=10KQ , R3=10, C=47卩 F由公式(1-1 )计算得：T - 1.1 S3.2.2 模12计数器74LS163设计由一个74LS163 一个与门和一个与

9、非门组成，这图用的是反馈置数法， 当输出端QD,QC,QB,Q为1011时，LOAD端接收到低电平0,此时74LS163输出 端就重新回到了 0000状态。当然还可以用反馈清零法， 既是将与非门的输出端 接在CLR端口，输出端 QD,QC,QB,Q为1011时，将CLR置零，输出端为0000。 这样一次循环就完成。3.2.3通用移位寄存器74LS194控制四个彩灯在第一节拍中， S1S0=01， 74194实现右移功能，即在时钟脉冲作用下，把 DSR=1逐次移进；在第二节拍中，S1S0=10 74194实现左移功能，即在时钟脉 冲作用下，把DSR=(逐次反方向移进。3.3 特殊器件的介绍本系统

10、中全部使用了如下功能器件： 74LS163 1 个， 74LS194 1 个， 74LS32 2 个， 74LS04 1 个， 74LS00 1 个， 74LS08 1 个， NE555 1 个， 导线若干。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。3.3.1555定时器555定时器电路是一种中规模集成定时器，目前应用十分广泛。通常只需外接 几个阻容元件，就可以构成各种不同用途的脉冲电路，如多谐振荡器、单稳态触 发器以及施密特触发器等。555定时电路有TTL集成定时电路和CMO集成定时 电路，它们的逻辑功能与外引线排列都完TCOUT rTRUZCLTk0寸71C?NE5553图3

11、.4 555 定时器的管脚图图3.5 555 定时器的部结构图它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源VCC双极型时基电路VCC的围是4.5-16V , CMO型时基电 路VCC勺围为3-18V。一般用5V。3脚：输出端Vo2脚：低触发端6脚：TH高触发端4脚：是直接清零端。当此端接低电平，贝叩寸基电路不工作，此时不论 TR TH处于何电平，时基电路输出为“ 0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只 0.01 UF电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电

12、管集电极相连，用做定时器时电容的放电。3.3.2 74LS16374LS163是(模16)四位二进制同步计数器。该计数器能同步并行预置数据，同步清零，具有清零、置数、计数和保持四种功能，且具有进位信号输出, 可串接计数使用。74LS163引脚图如下:IC?P0Q0P1QiP2Q2P3Q3CEPCET CLKPEMRTC-V13574LS165图3.6 74IS163 引脚图管脚图介绍:时钟CP和四个数据输入端为P0-P3清零MR使能CEP CET置数PE数据输出端Q0Q3以及进位输出TC (TC=Q0Q1- Q2- Q3- CET)74LS163可直接用作模2、4、8、16计数器，采用复位法或

13、置位法可以用它实现任意模(M)计数器，彩灯控制器中的设计是实现模12计数器3.3.3 74LS194移位寄存器是指所存的代码能在移位脉冲的作用下依次位移的寄存器，它 是一种可以用二进制形式保存数据的双稳器件。即能左移又能右移的寄存器称 为双向移位寄存器。74LS194引脚图如下：U?241110! DSR.P0Q0P1QiP2Q2P3Q3DSL CLKSOS1MR74LS194图3.7 74IS194 引脚图表3.1 74ILS194 其功能表功能输入输出CPCRSiS0SRSLABCDQQBQQD清除XoXXXXXXXX0000送数ii1XXABCDABCD右io1DSrXXXXXDSrQQ

14、QC移左移110XDSlXXXXQQCQDDSl保持100XXXXXXQnQnQCnQn保持J1XXXXXXXXQnQnQCnQn3.3.4 74LS3274LS32是通用数字电路,四2输入或门,其管脚图如下:1AVCC114IB4B213772A2B4A3124Y3B474LS3211102Y3A9GN口78J 1图3.8 74ls32 引脚图表达式为：Y=A+B引脚排列图管脚功能：左下1-1A , 2-1B , 3-1Y ; 4-2A , 5-2B，6-2Y ； 7-GND;右起：右上 8-3Y，9-3A，10-3B ； 11-4Y，12-4A， 13-4B ； 14VCC其中A，B为输入

15、端，丫为输出端，GND为电源负极，VCC为 电源正极。3.3.5 74LS0474LS04是含6组相同的反相器。即1A输入高电平，1Y输出低电平，元器件引脚图如下：3.3.6 74LS0074IS00是常用的四组2输入与非门集成电路，其引脚图如下:3.3.7 74LS0874IS08是四组2输入端与门，其元器件引脚图如下:4系统调试4.1电路实验仿真和测试环境本次设计采用proteus软件作为硬件的仿真平台，Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为风标电子技术）。它不仅具有其它 EDAX具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外

16、围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国推广刚起 步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用 的科技工作者的青睐。4.2电路实验仿真和测试结果4.2.1 555 构成秒脉冲电路示波器显示频率为1Hz占空比为50%勺方波信号，频率计显示1Hz,如下图: i 拓 t aI Os ci 11国nIIIDnufniaLUCli-mtil fPositkirCLK5051MR21?Q10131J5系统功能及参数指标5.1系统指标参数测试结果用四个发光二极管来替代四个彩灯，设依次为 Qd Qc Qb Qa设“ 1 表示灯亮，“ 0”表示灯灭，列出状态结果表。表

17、5.1四路彩灯输出显示说 明输出所用时间Q QcQbQa开机初态0 0 0 0第一节拍 逐次渐亮1 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 11s1s1s1s第二节拍 逆序渐灭1 1 1 01 1 0 01 0 0 00 0 0 01s1s1s1s1111 O.5sOOOOO.5s第三节拍同时1111O.5s亮O.5s，然后同时OOOOO.5s灭O.5s，进行四次1111O.5sOOOOO.5s1111O.5sOOOOO.5s5.2系统指标参数测试分析由上表可知，模12计数器作为分频器，起节拍产生和控制作用，每4s 个节拍，3个节拍共12s后反复循环。要实现模12计数器的话用74LS

18、161（当 然在实际操作中可以用 74LS163代替161,因为74LS163的引脚排列和74LS161 相同）。一个节拍结束后应产生一个信号到节拍程序执行器，完成彩灯渐亮、 渐灭、同时亮、同时灭等功能。至于控制发光二级管的状态可以用通用移位寄存器74LS194,因为它具有禁止、右移、左移和并行置数四种功能，所以74LS19 4能实现第一、二、三节拍的功能。它具有四个并行输入端 A、B、C、D和与之对应的四个并行输出 QA,QB,QC,QD右移输入端SR左移输入端SL和模式控制输入端S1, SO,以及 一个无条件直接清除端 CLR当S1SO=O1（右移），S1SO=1O（左移），S1SO=11

19、 （并行置数）。脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为1Hz的时钟信号。6 设计总结通过两周的课程设计，我的彩灯控制器终于完成了。在期间，我遇到过很 多困难，它们反映了我的平时学习的基本情况。对于数字电子技术，我对一些 锁存器，计数器，寄存器及各种时序逻辑电路的运用掌握不牢，很多基本概念 都弄不清，于是，我在设计过程中，去图书馆查阅相关书籍，并且在互联网上 查阅了大量的资料，对模糊的问题，我一定会弄明白，一点点的积累让我熟悉 了很多 74系列的数字芯片的用法，学会了设计数，移位， 555 定时器的应用电 路，学会了怎样连接反馈置数法和反馈清零法， 同时用了很多基本数字门电路， 又巩固复习了我的

20、数电基础知识，有助于我理解书上的逻辑公式。当然本次设计仿真时也存在一些问题，比如一开始上电后，时钟脉冲有时 会瞬间很快跳变到2Hz,结果灯总是上电后，很快点亮1,2两个灯，之后，脉 冲源稳定下来，保持1Hz,彩灯运行正常。后来我又再次修改了电路，重新仿 真后，实现功能一切正常。当然对于本次设计用到的逻辑门电路数量也不少， 可以进一步从实现功能的角度，优化电路结构，减少门器件的数量，采用触发 器，锁存器等器件，并且可以实现的方案有很多。7 辞经过两周的课程设计，在卢刚老师的指导下，我终于得以顺利成功的完成 此次课程设计的任务。我要对卢刚老师表示深深的意，因为卢老师给我们讲解 了各种注意事项和各个

21、部分应该注意的问题。直至这个课题的完成，卢老师的 帮助是必不可少的，他用知识和经验教会了我们如何来完成一次课程设计，教 我们如何做课程设计的报告。所以，我对卢老师表示深深的意，感他陪伴我们 的这两周，让我们在这短短的两周中，学到了许许多多的知识。同时，我要感我寝室的同学们，因为有大家的共同努力，相互帮助，一起 探讨，才有今天的成就。虽然我与大家不是一个组，选择了自己想做的题目， 但是大家还是很支持我，在这次课程设计中，我们在一起探讨过如何使用 EDA 软件设计电路和仿真电路，如何用 word 办公软件写课程设计报告，从一开始我 面对各种困难疑惑，到后来我都解决了每一个问题，得到了满意的结果。我

22、通 过互联网，图书馆等途径查阅自己需要的资料，学会了信息的检索与整理。设 计的顺利完成让我感觉到了团队的力量，让我明白大家团结在一起的重要性。最后，再次感那些在这次课程设计中给予我帮助的老师和同学们。8参考文献1 康华光主编电子技术基础模拟部分高等教育，20022 康华光主编.电子技术基础数字部分.高等教育，20023 朱清慧凤蕊翟天嵩王志奎编著.Proteus教程-电子线路设计、制版与仿真，20114 21IC 中国电子网（.21ic.）阎石数字电子技术基础第四版：高等教育，19986 明义主编.电子技术课程设计实用教程中南大学，20107 文涛主编.Proteus仿真软件应用华中科技大学，20108 闫胜利编著.Altium Designer实用宝典一原理图与PCB设计.电子工业，20079 谷树忠文洲航编著.Altium Designer教程一原理图、PCB设计与仿真.电子工业，201210 肖景和编著.555集成电路应用精粹.