八路彩灯循环控制论文

1、内蒙古大学鄂尔多斯学院2011级自动化专业学年论文 第 22页绪论彩灯控制器有着非常广泛的运用，如：LED彩灯，音乐彩灯控制器，二维彩灯控制器等等。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态 参数。优易LED全彩灯光控制系统由Color Edit编辑软件、主

2、控器、分控器和LED光源组成，广泛应用于城市景观、风景名胜、道路桥梁、建筑轮廓、娱乐场所、户外广告、室内装饰等美化、亮化工程。二维彩灯控制器可控制五路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭。若将一定数量的彩色灯组合联接，就能营造出平面上色彩变化的场景，这比通常控制一条线上的色彩流动更加丰富绚丽。控制器采用数字集成块，外围元器件少、电路结构简单，只要元器件完好、装接无误，装后无须调试即可一举成功。音乐彩灯控制器是专用于卡拉ok厅 KTV包房的彩灯控制设备，其最大优点是不与电视音响等设备有任何连接，本设备通过检测包房里的环境音频信号强弱来控制通过彩灯的电流大小（即亮暗程度）来烘托娱乐的兴趣的目的，也就是

3、随着声音的大小而使彩灯闪烁，歌声和彩灯一起跳动，从而让唱歌人激情高涨，留连忘返。本课题研究的是四花样彩灯控制器，应用的是数字逻辑电路的有关知识，是进行复杂设计的基础，对进行复杂彩灯设计具有指导意义。第1章 设计内容及要求1.1 设计内容 设计一四花样自动切换的彩灯控制器。1.2 设计要求 (1)彩灯一亮一灭,从左向右移动。 (2)彩灯两亮两灭，从左向右移动。 (3)四亮四灭，从左向右移动。 (4)从18从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭。 (5)四种花样自动变换。1.3 主要参考元器件 芯片：晶振，分频器CD4060，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，与门74LS08，非门74L

4、S04，四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164。第2章 系统组成，工作原理及硬件电路设计方案2.1 系统组成图数据输出电路时钟电路四种码产生电路自动转换控制电路时钟电路 图2.1 系统组成图 各模块的组成及功能分析： 1.时钟电路：由晶振、电阻电容、分频器CD4060组成，构成时钟电路，周期为05秒，控制计数器和寄存器，模十六计数器74LS161的QD端输出脉冲控制双D触发器。 2.四种码产生电路:由模十六计数器74LS161、与门74LS08和非门74LS04组成，计数器的四个输出端接组合逻辑门从而产生四种码。 3.自动转换控制电路：由双D触发器74LS74和四选一数据

5、选择器74LS153组成，双D的两输出端接数据选择器的地址输入端，它能产生两位循环二进制码，每改变一种状态，数据选择器选择一种码输出，使彩灯花样自动循环。 4.数据输出电路：由八位移位寄存器74LS164和八个彩灯组成，选择输出的每一种码输入到寄存器的数据输入端，使码在寄存器的八个输出端自左向右移动，实现彩灯的花样。2.2 工作原理分析 从晶振电路出来的脉冲信号作为计数脉冲送到模十六计数器；模十六计数器74LS161的QD端输出脉冲加到移位寄存器。调节晶振电路可以改变震荡频率，即改变彩灯移动的速度，得到不同的动态效果。双D触发器、数据选择器共同组成一个电子开关。模十六计数器74LS161的QD

6、端输出的计数脉冲经双D触发器两位二进制计数器，在它的两个输出端得到00、01、10、11四种逻辑状态。这四个状态作为数据选择器的四个数据通道选择信号，对应从模十六计数器输送到数据选择器的QA，QB，QC，QD四个分频信号。其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。当双D触发器输出为“00”时，数据选择器输出10000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样一；为“10” 时，数据选择器输出11000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样二；为“01” 时数据选择器输出11110000序列脉冲，为八分频信号，实现花样三；为“11” 时数据选择器输出1111111100000000序列脉冲，为十

7、六分频信号，实现花样四。调节晶振电路，可以改变开关的切换时间用以选择每种花样出现时间的长短。数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端，在时钟脉冲的作用下，数据在移位寄存器的八位并行输出端从Q0到Q7顺序移动。移动的八位控制信号直接控制发光二极管的亮灭，就出现了八路四花样自动循环切换的流水彩灯。2.3 方案2.3.1 方案一： 用多谐振荡器的输出端作为双D触发器的时钟。计数器每计八个数，QD由低电平变为高电平，双D触发器的状态改变，四选一数据选择器74LS153选择下一种码输出，彩灯变为另一种花样，以后四种花样循环改变。如图2.3.1所示。 图2.3.1优点:本电路图设计简单、结构清晰，可分为四种

8、码产生电路、开关电路、输出电路和时钟电路这四个模块。四种码产生电路由模十六计数器和组合逻辑门构成，开关电路由双D触发器和数据选择器构成，输出电路由移位寄存器和彩灯构成，时钟电路由两个555构成。通过改变多谐振荡器的电阻可改变彩灯流动的速度和各花样持续的时间，实现了彩灯花样的动态变化，增强了控制器的灵活性。缺点：原因可能是数据选择器输出的两种码之间的间隔大于彩灯每一种状态持续的时间，使彩灯的一种花样完成后并没有进入另一种状态，当进入另一种状态时上一种状态的多余码进入下一个状态，故出现了混乱的状态，可改变双D触发器的CP脉冲，即改变多谐振荡器的电阻，使得一种花样完成后，数据选择器地址输入端状态改变

9、，正好选择另一组码输出，彩灯花样改变，但是这样实现比较困难。而且由555定时器构成多谐振荡器在产生小频率脉冲时并不稳定，比较难实现最终结果。2.3.2 方案二：用模十六计数器74LS161的QD端作为双D触发器的时钟。计数器每计八个数，QD由低电平变为高电平，双D触发器的状态改变，四选一数据选择器74LS153选择下一种码输出，彩灯变为另一种花样，以后四种花样循环改变。如图3.2所示。图2.3.2优点:本电路图设计简单、结构清晰，可分为四种码产生电路、开关电路、输出电路和时钟电路这四个模块。四种码产生电路由模十六计数器和组合逻辑门构成，开关电路由双D触发器和数据选择器构成，输出电路由移位寄存器

10、和彩灯构成，时钟电路由晶振和分频器CD4060构成，产生的方波稳定。缺点：虽然可以通过改变晶振电路可改变彩灯流动的速度和各花样持续的时间从而实现了彩灯花样的动态变化，但是操作比较复杂。两种方法综合比较后选择了方案二。2.3.3 单元电路设计，参数计算及器件选择(1) 时序脉冲电路时钟脉冲产生电路由晶振、一个电阻、两个电容及分频器CD4060构成。石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上

11、，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。所有的计数器位均为主从触发器。在CP1(和CP0)的下降沿计数器以二进制进行计数。在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。时钟脉冲产生电路主要由分频器CD4060芯片来实现，CD4060芯片管脚图如图2.3.1所示。图2.3.1 CD4060芯片管脚图CD4060芯

12、片特性：1) 电压范围宽，应该可以工作在3V15V，输入阻抗高，驱动能力差外，跟74系列的功能基本没有区别；2) 输入时，1/2工作电压以下为0，1/2工作电压以上为1；3) 输出时，1=工作电压；0=0V4) 驱动能力奇差，在设计时最多只能带1个TTL负载；5) 如果加上拉电阻的话，至少要100K电阻；6) 唯一现在使用的可能就是计数器，CD4060的计数器可以到14级二进制串行计数引脚功能:/CP1：时钟输入端 CP0：时钟输出端 /CP0：反相时钟输出端Q4Q10，Q12Q14：计数器输出端 /Q14：第14级计数器反相输出端VDD：电源正 VSS：电源负 CR： 清零端时钟电路图如图2

13、.3.2所示：图2.3.2时钟电路图(2) 四种码产生电路四种码产生电路的核心器件是74LS161构成十六位计数器，模十六计数器74LS161芯片管脚图如图2.3.3所示。图2.3.3 74LS161管脚图 74LS161具有以下功能： (1)异步清零。当0，不管其他输入端的状态如何，不论有无时钟CP，计数器输出将直接置零(QDQCQBQA)=0000，称为异步清零。 (2)同步并行预置数。当=1，=0时，再输入脉冲CP上升沿的作用下，并行输入端的数据dcba被置入计数器的输出端，即(QDQCQBQA)= dcba。由于这个操作要与CP上升沿同步，所以称为同步预置数。 (3)保持。当=1，且E

14、P*ET=0，则计数器保持原状态不变。这时，如EP0、ET=0，则进位信号Oc(Oc= QDQCQBQAET)保持不变；如ET=0则不管EP状态如何，进位信号Oc=0。 (4)计数。当=EP=ET=1时，在CP端输入计数脉冲作用下，计数器进行二进制加法器计数。74LS08是2输入四正与门集成电路芯片,74LS04是带有4个非门的芯片。四种码产生电路如图2.3.4所示。图2.3.4 四种码产生电路图四种码产生电路根据彩灯要实现的四花样,得到四种码产生电路要产生的码，如下表所示。四花样产生表花样状态要求周期（位）码1一亮一灭，从左向右移动8100000002两亮两灭，从左向右移动811000000

15、3四亮四灭，从左向右移动8111100004从18从00左到右逐次点亮，然后逐次熄灭161111111100000000要产生这四种码，可由十六进制计数器74LS161接组合逻辑门产生，十六进制计器的真值表如表2.3.5所示。表2.3.5 计数器真值表序号原状态S(t)Q4 Q3 Q2 Q1次态N(t)Q4 Q3 Q2 Q1输出Z1Z2Z3Z401234567891011121314150 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 0

16、1 1 1 10 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 00000000100000001100000011000000111100001111000011111111000000001工作原理：四种码产生电路由74LS161构成十六位计数器。74LS08是2输入四正与门集成电路芯片,74LS04是带有4个非门的芯片，用来控制和改变74LS161输出的数据，使计数器迅速复位。最终产生四种不同的码，来实现彩灯的四花样。

17、数据从74LS161十六位计数器的输出端QA，QB，QC，QD输出，经过与门和非门用来控制和改变74LS161输出的数据，最终输入到四选一数据选择器74LS153的数据输入端1C0，1C1，1C2，1C3。(3) 彩灯自动转换电路 彩灯自动转换控制电路由双D触发器和双四选一数据选择器74LS153，双四选一数据选择器74LS153芯片管脚图如图3.2.6所示。图2.3.6 74LS153管脚图 要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4，也就要使它的地址输入端输入四种状态并循环转变，可用双D触发器实现。 设双D触发器的初始状态Q1Q2 =0

18、0可得，Q1、Q2的状态变换顺序为00>01>11>10>00，实现四分频。用双D触发器的输出端Q1、Q2控制选择器的地址输入端，使数据选择器自动选择一种码输出，实现彩灯花样的自动控制。 自动转换控制电路如图2.3.7所示。图2.3.7 自动控制电路 74LS153数据选择器的功能表如表2.3.8所示。表2.3.8 计数器真值表B（Q2）A（Q1）1Y00Z110Z201Z311Z400Z1工作原理：数据从多谐振荡器的输出端输出，输入到双D触发器的时钟信号输入端，然后从双D触发器的输出端，输出到双四选一数据选择器74LS153的地址输入端。由表2.3.9可知，A、B循环

19、转变，输1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四花样自动循环改变。位移位寄存器74LS164芯片管脚图如图2.3.9所示。 74LS164的引脚功能：CLOC：时钟输入端；CELAR：清除端（低电平有效）；A、B：行数据输入端；QAQH：输出端。图2.3.9 74LS164管脚图 当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA-QH）均为低电平，串行数据输出端(A，B)可控制数据。当A,B任意一个为低电平时，则禁止新的数据输入，在时钟端（CLEAR）脉冲作用下为低电平，当A、B有一个为高电平时则另一个就允许输入数据，并在CELAR上升沿作用下决定QA的状态。花样输出电路如下图所

20、示。 花样输出电路图当输入移位寄存器数据输入端的码为10000000时，清零后在移位脉冲CP的作用下，寄存器数码移动情况如下表所示。寄存器数码移动情况表CPQAQBQCQDQEQFQGQH111000000 02001000000300010000 0400 00100005000001000600000010070000000108000000001 工作原理输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。由表3.2.3.5可看出，输入码中的那位高电平“1”

21、从寄存器的输出端QA经八个移位脉冲CP作用后逐渐到了QH，使输出端所连接的彩灯依次点亮，实现了彩灯依次点亮的花样。当输入另外的三种码时，寄存器的数码移动原理相似，所以就不一一列举了。2.4 整机电路分析根据单元电路可得到整机工作原理图，如图2.4。图2.4 四花样彩灯循环的整机电路图整机电路工作原理：时钟信号由晶振电路产生，由32768Hz的晶振通过CD4060分频产生2Hz的矩形脉冲作为计数脉冲控制模十六计数器74LS161和八位右移寄存器74LS164；数据从74LS161十六位计数器的输出端QA，QB，QC，QD输出，经过与门和非门用来控制和改变74LS161输出的数据，最终输入到四选一

22、数据选择器74LS153的数据输入端1C0，1C1，1C2，1C3。同时运用的模十六计数器74LS161的QD端输出脉冲控制双D触发器，由双D触发器实现四分频，用双D触发器的输出端Q1、Q2控制选择器的地址输入端，使数据选择器自动选择一种码输出，实现彩灯花样的自动控制。然后，从输出端输出到四选一选择器的输入端A，B。最终，从四选一选择器的输出端输出到八位寄存器的输入端，寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。第3章 软件设计仿真3.1软件介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的E

23、DA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，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。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsP

24、IC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。3.2 仿真电路本设计采用Proteus仿真软件对硬件部分进行仿真。（1）、当U3A和U3B为低电平时，1个彩灯亮。如图3.1所示。图3.1仿真电路图（2）、当U3A为高电平，U3B为低电平时，2个彩灯亮。如图3.2所示。图3.2仿真电路图(3)、当U3A为低电平，U3B为高电平时，4个彩灯亮。如图3.3所示。图3.3仿真电路图(4)当U3A和U3B为高电平时，8个彩灯全亮。如图3.4所示。图3.4仿真

25、电路图第4章 实验、调试和测试结果与分析4.1结果的调试及分析4.1.1调试使用的主要仪器: 数字万用表 直流稳压电源 示波器 函数信号发生器4.1.2测试电路的方法和技巧:先检查各芯片的电源和地是否接上，检查线路是否连好；前面的检查无问题后，再根据彩灯的变化情况，确定可能的原因，分析是哪个功能模块出了问题，用数字万用表检查各模块的功能，发现并改正错误，直到符合要求为止。4.1.3调试中出现的故障、原因及排除方法：（1）彩灯只有一种花样变化，没有其它的花样：原因可能是双D触发器74LS74不能产生周期性的两位二进制码或是模十六计数器74LS161的QD端输出脉冲不能产生触发双D触发器的CP脉冲

26、，使双D触发器维持在一种状态。可换一片好的74LS74芯片或检查模十六计数器74LS161的QD端输出脉冲产生电路，看是否产生周期性的CP脉冲，使双D触发器产生四种循环的状态，彩灯就能四花样变化。（2）彩灯无规律变化：原因可能是四种码的产生电路不能产生符合要求的四种码，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，再检查与门74LS08和非门74LS04是否能实现它们逻辑功能。（3）彩灯的四种花样都有，但中间有一些混乱的状态：原因可能是数据选择器输出的两种码之间的间隔大于彩灯每一种状态持续的时间，使彩灯的一种花样完

27、成后并没有进入另一种状态，当进入另一种状态时上一种状态的多余码进入下一个状态，故出现了混乱的状态。可改变双D触发器的CP脉冲，使得一种花样完成后，数据选择器地址输入端状态改变，正好选择另一组码输出，彩灯花样改变。结论本次所设计的是四花样循环彩灯电路的设计，本次设计主要结合了大二所学的数字电路课程。本文是在的精心指导和大力支持下完成的。老师们以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他们渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维带给了深深的启迪。还要感谢其他同学给予的无私帮助，使得以顺利完成系统设计。此次课程设计需要严谨的科学态度和完整的设

28、计思维和方法。设计电路关键在于对设计要求的理解分析以及对基本电路相关知识的熟练掌握。设计电路时，将总体的功能分成若干个部分来实现，是简化电路设计思路的很好方法；且搞清各个模块的功能与实现要求操作的具体方法，对电路故障的检查也是很有帮助。通过这次设计，学到了很多东西，如查找资料，设计比较，从各种图中提取所需。也吸取了很多教训。真正提高了动手能力，学会获取资料，活跃了自己的思维，巩固了所学知识。花样彩灯控制器的设计是对数字电路逻辑设计知识的实践运用，加深了对知识的理解。对自己而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！设计报告是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次设计，摆