多彩循环彩灯控制器设计.

1、武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书1设计意义及要求1.1设计意义（1）通过此次课程设计，加深同学们对理论知识的理解，培养同学们的动手动脑能力以 及解决实际问题的能力。（2）培养同学们之间相互学习、相互交流合作共同解决问题的能力。（3）培养同学们对电子设计的兴趣，查阅相关资料解决疑难的能力。（4）同学们自学protues仿真软件画电路图并进行仿真操作，培养学生的自学能力。（5）增强同学们的创新能力，鼓励同学们设计出属于自己的方案。1.2设计要求现有8只彩灯，试设计一控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案：（1）使8只彩灯从右到左逐一循环点亮。（2） 使8只彩灯按照1110 1110左移循环点亮。

2、（3）使8只彩灯交替闪烁。（4） 接着重复以上的动作，这样一直循环下去。时间间隔为0.5秒。（5）严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。2方案设计2.1设计思路2.1.1设计方案一设计要求彩灯完成三个可以循环的功能，于是就把设计分为几个独立的功能模块进行 设计，每一个模块完成特定的功能，再把它们有机的组织起来构成一个系统完成彩灯控制 器的设计。由555多谐振荡器产生脉冲，再用74LS161进行分频，为电路提供脉冲信号。 彩灯花样控制电路由74LS198和门电路构成。循环选择控制电路由74LS161和门电路组成图2.1多彩循环彩灯控制器设计方案一系统框图具体设计步骤：先将每个设计的功能要

3、求的单独电路画出来，通过74LS198双向移位寄存器来实现对彩灯的直接控制。在完成单个功能要求之后，通过计数器74LS161配合相应的门从而选择哪一个门电路结构工作，把预先存在相应门电路结构输入端的数据送到移位寄 存器74LS198的数据输入端，并对其进行置数。给移位寄存器加上相应的反馈，配合脉冲 工作，当移位寄存器输出一种彩灯花样结束后，就重新置一次数，切换一种工作状态，从 而实现在三种彩灯花样之间的循环。2.1.2设计方案二（小组方案）此方案运用AT89S52单片机，通过10 口直接驱动LED灯。通过编写相应的程序从而 实现在三种工作状态之间的切换。设计框图如图2.2所示：图2.2多彩循环

4、彩灯控制器设计方案二系统框图2.2方案设计2.2.1设计方案一电路图多彩循环彩灯控制器设计方案一电路原理图如图2.3所示：工作原理：一、接通电源，555多谐振荡器产生周期为0.5秒的脉冲信号，将脉冲信号分别送给计数器74LS161（ 1）和移位寄存器74LS198。计数器74LS161（ 1）按照反馈置数法连接成8进制计数器从而实现对脉冲信号周期的扩展，即将原脉冲进行8分频，得到周期为4秒的脉冲信号。用周期为4秒的脉冲信号触发下一个计数器74LS161（2），把74LS161（2）连接成3进制计数器，Q1Q0就有三种循环状态00,01，10，00二、将8个二输入与门7408作为一组，每个与门的

5、选出一个输入端口连接在一起， 接控制信号，一共放置3组，组成3个与门结构。每组的二输入与门的另一个输 入端分别接上移位寄存器 74LS198所需要的预置数，3组分别为00000001,11101110, 10101010。三组中相应的每三个输出通过三输入或门4075接到移位寄存器74LS198的数据输入端。0、74LS161（2）的数据输出端Q1Q0有三种循环状态00, 01, 10。Q1Q0输出通过一个二输入或非门7402接到第一组与门结构的控制信号输入端；Q0通过反相器4069取反与Q1接到第二组门结构的控制信号输入端；Q1通过反相器4069取反与Q0接到第三组门结构的控制信号输入端。这样

6、当计数器 74LS161（ 2）的输 出Q1Q0在00, 01,10间循环变化时。三组门结构分别循环被选通，预先存在输入 端的预置数被送到移位寄存器的数据输入端。每组门结构工作的周期为4秒，恰好为彩灯一种工作状态的时间。四、给移位寄存器74LS198加上四个反馈，当输出分别为 00000000,1000000Q01110111,01010101时使移位寄存器预置数。开始工作时，对移位寄存器进行清零。 当地一个0.5秒的脉冲到来时，第一组门结构被选通数据 00000001到达移位寄存 器数据输入端，并保持八个周期4秒，与此同时，移位寄存器预置数使输出为00000001。而后进入左移工作状态，依次

7、显示 00000010,0000010 0,00001000,00010000,00100000,01000000,100000Q0此即为第一种彩灯工作状态。当显示为10000000时，下一个脉冲到来时，移位寄存器重新进行预置数，而此时存在移位寄存器数据端的数据为1110111Q并保持八个周期4秒。置数后寄存器再次进入左移工作状态，依次显示 11011101, 10111011,01110111当2秒 后输出变为01110111时，再次置数1110111Q再工作2秒又变为01110111,重 新置数，此时输入端数据正好改变为第二组门电路传输过来的数据 10101010。这 时，第二种彩灯工作状

8、态，开始彩灯的第三种工作状态。寄存器再次执行左移，输出变为01010101,重新置数10101010,再左移01010101,又置数为10101010, 再左移为01010101，再置数为10101010,再左移为01010101。然后寄存器又该 进行置数，此时第三组门结构关闭，第一组被选通，置数为 00000001。就这样实 现了三种彩灯工作状态之间的循环，每种工作状态时间为 4秒，每个彩灯一次亮 或灭的时间为0.5秒。S39K.5 .LeLJ苦V3 5图2.3多彩循环彩灯控制器设计方案一电路原理图2.2.2设计方案二电路图多彩循环彩灯控制器设计方案二电路原理图如图2.4所示：工作原理：先用

9、keil软件将C代码生成HEX文，件，将HEX文件下载到单片机AT89S52里面运行，就会出现彩灯的三种工作花样变化。单片机电路中晶振用来产生脉冲，开关 用来复位，单片机工作时应先进行复位操作。XTAliXTAL2RST10uF拧旳31士士士pSenALEEAPCI艸曲 n iwn P02/AD2 PD3/AD3PDADS PDWAEMPO 7WD7P2.2JA10P2.3A11 F=2 4JA13P2&/A13P2.&A14API 0P1 1P1.2P1 3PI 4P1百P1fiP1 TPlfljRXD 昭.1JTXD P3.師而 pg.awfTR3 4/T0P3 5JT1P3 ZfRDAT

10、B9C51图2.4多彩循环彩灯控制器设计方案二电路原理图2.2方案比较方案一电路连接比较复杂，连线很多，需要的元器件很多，连接实物时由于导线和元 件较多，某一个出现错误就可能导致得不到正确的结果，所以实物较难实现，连接时一定 要细心、认真，要有一定的排除故障的能力。不过这种方案模块比较清晰，仿真调试比较 容易找出问题所在，易于理解。这种方案也能锻炼自己的画图能力，以及对芯片的功能的 理解能力。方案二由于单片机具有以下优点（1）、具有优异的性价比（2）、集成度高、体积小、可靠性高（3）、控制功能强（4）、低电压、低功耗使得电路简单，器件少，连线简单，但是使用单片机，程序调试复杂，且不利于锻炼 硬

11、件调试能力。由于方案一实物器件不足，实现连线等起来有一定难度，且本实验主要要求仿真出正 确结果，并熟练使用protues进行画图和仿真，因此我们小组方案选择实验二实现实物连接, 同时也锻炼同学们读程序、写程序的能力。3部分电路设计3.1多谐振荡器的设计555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，电源电压范围宽，可在4.5V16V工作，其中7555可在318V工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出 可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。其成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。其 内部原理图如下3.

12、1所示：图3.1555多谐振荡器内部原理图它含有两个电压比较器，一个基本 RS触发器，一个放电开关T,比较器的参考电压由 三只5KQ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器 A1同相比较端和低电平比较器 A2 的反相输入端的参考电平为-：工和*- - 0A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电 管开关状态。当输入信号输入并超越- ：r时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电 平，同时放电，开关管导通；当输入信号自 2脚输入并低于1一上时，触器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止表3.1 555定时器功能表输入输出阈值输入（V11）触发值（V12）复位（RD输出（vo放电管TX

13、X00导通v(2/3)VCC(2/3)VCC(1/3)VCC10导通(1/3)VCC1不变不变由555定时器通过连接合适的电路变成一个多谐振荡器 （脉冲发生器），如下图所示电路：1 1R5k2 1R5kRo OQDCCVTRQ N 0TH5NE5550147u图3.2多谐振荡器电路接通电源后，电容C1被充电，当 V上升到2/3VCC时，触发器被复位，此时Vo为低 电压，同时放电BJT T导通，电容C1通过R2和T放电，使 V下降。当 V 下降到(1 Vcc时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为：tPL=R2Ciln2 可近似看成 tPL=0.7R2Ci当C1放电结束时，

14、T截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C充电，V 由(1/3) Vcc 上升到(2/3)Vcc所需的时间为：tPH=(Ri+R2)Ciln2可近似看成 tPH=0.7(Ri+R2)Ci而当V上升到(2/3)Vcc时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为f=1/( tPL +tPH)可近似看成 f=1.43/(Ri+2R2)Ci在设计中，我们要得到周期为0.5秒的脉冲信号，令R1=R2=5.1k, C1=47uF。从而得 周期为T=0.503秒，约等于要求的0.5秒的周期。3.2分频器的设计74LS161的清零端是异步的。当清零端 CR为低电平时，不管时钟端 CP状态如何，

15、 即可完成清零功能。74LS161的预置数是同步的。当置入控制器LOAD为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端 QA QD与数据输入端A D相一致。当ENP、ENT均为高 电平时，在CP上升沿作用下QA QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖 峰。利用反馈清零法或者反馈置数法可以实现分频作用。其功能表及引脚图如下：表3.2 74LS161功能表输入输出CRCPLDEPETD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00000010dcbadcba1T10Q3Q2QiQ01T10Q3Q2QiQ01111状态码加1)图3.3 74LS161引脚图U24:A3.3 门电路循环选择电路的设计将8个二输入与

16、门7408作为一组，每个与门的选出一个输入端口连接在一起，接控 制信号，一共放置3组，组成3个与门结构。每组的二输入与门的另一个输入端分别接上 移位寄存器74LS198所需要的预置数，3组分别为00000001,11101110 10101010。三组中 相应的每三个输出通过三输入或门4075接到移位寄存器74LS198的数据输入端。将另一个74LS161设计成3进制计数器，输出的三种状态分别使一组门电路被选通，将三种状态 循环置入移位寄存器中，电路原理图如下所示：图3.5门电路选择结构电路3.4 移位寄存器的设计74LS198为8位双向移位寄存器，其功能引脚图如下:图3.6 74LS198引

17、脚图当清除端（CR）为低电平时，输出（Q0Q7）均为低电平。当工作方式控制端（MO、M1） 均为高电平时，在时钟（CP）上升沿作用下，并行数据（DOD7）被送入相应的输出端 Q0 Q7。此时串行数据（DSR、DSL）被禁止。当M0为高电平、M1为低平时，在CP上升沿作 用下进行右移操作，数据由DSR送入。当M0为低电平、M1为高电平时，在CP上升沿 作用下进行操作，数据由 DSR送入。当M0和M1均为低电平时，CP被禁止。只有当 CP为高电平时M0和M1才可改变。利用反馈法可以实现循环左移置数或循环右移置数， 也可以用反馈法使输出为某一数值时重新置数。INPUTSMRCPSo*SiJLXXXH

18、HHH-TLHH-THLHXLLRESPONSE表3.3 74LS198功能表Asynchronous Rnset; Outputs 二 LOW Parallel Load; Pn OnShift Right; Dsr Qo4 QoF1.0P2&A14P2 TCA1SP3.WRXDPt.1PS 1/TXDP1.2P3 2/INTOpl 3苗 3/INflP1.4P1.5P33H1Pl fiP1.7P17RDCR盟武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书附录三 单片机运行程序#in clude#i nclude#defi ne uint un sig ned int#defi ne uchar un sig ned char/定义IO 口#defi ne IO P2void delayms( uint z)uint i,j;for(i=z; i0;i-) for(j=110;j0;j-);void mai n()while(1)uchar i;IO=0xfe;delayms(250);for(i=0;i7;i+)IO=_crol_(IO,1); delayms(250);IO=0x11;delay