多花样循环彩灯控制器设计方案

1、引言在当代社会，广告的地位和影响已日渐壮大，特别是现在经济时代，许多商品都需 要广告宣传来引导主流消费，因此，广告作为一种很重要的媒介，已日渐成为社会宣传 的主导方式。然而广告的多样性决定其巨大的开发空间，对其的研究也是一项重要的工 程广告中一个重要元素是灯光，在许多城市，夜景已成为城市一道亮丽的风景线，而 这美景也是由各种灯按照不同的方法设计出来的，可以说灯光是一个广告的灵魂。现在 我们所掌握的数电知识已经可以设计出一些简单的广告图案。于是我们做了关于彩灯控 制的课程设计。本次课程设计是为了把在“模拟电子技术基础”与“数字电子技术基础”课程学习 的书本知识，即通常只介绍单元电路的设计、集成芯

2、片的特性、功能等，而一个实用的 电子系统通常是由多个单元电路组成的。因此，进行电子系统设计时，不但要考虑系统 总体电路的设计，还要考虑系统各部分电路的选择、设计及它们之间的相互连接。由于 各种通用和专用的模拟、数字集成电路的大量涌现，所以在电子系统的方案框图确定 后，除少数电子电路的参数需要设计计算外，大部分只需根据电子系统框图各部分要求 正确选用模拟和数字集成 电路的芯片就可 以了电子系统的设计没有固定不变的步骤，它往往与设计者综合应用所学知识的能力、 经验等有密切关系。常用电子系统设计通常包括：选择总体方案框图、单元电路设计与 选择、电子元器件的选择、单元电路之间的连接、对电子系统进行电路

3、搭试、对方案及 单元电路参数进行修改、绘制总体电路，最后写出设计报告。1 设计意义及要求1.1 设计意义（ 1） 通过课程设计，让同学巩固已学的模拟电子技术基础和数字电子技术基础，同时加深对电子电路的理解。（ 2） 让同学学会使用网络查资料，学会利用图书馆的资源，通过自己的学习解决实际中发生的问题。（ 3） 学会方案比较，以及设计计算等环节，进一步提高分析解决实际问题的能力。（ 4） 真正实现由知识向智能的转化，通过此综合训练，为以后毕业设计打下一定基础。1.2 设计要求现有 16 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 16 只彩灯从右到左逐一循环点亮。即按照1111

4、 1111 1111 1110,11111111 1111 1101,1111 1111 1111 1011 （0代表亮，1代表熄灭） 的方式点亮。（ 2）使16 只彩灯按照1111 1110 1111 1110 左移循环点亮。即按照1111 11101111 1110,1111 1101 1111 1101,1111 1011 1111 1011的方式点亮。（ 3）使 16 只彩灯交替闪烁。即按照 1010 1010 1010 1010,0101 0101 01010101的方式点亮。（ 4）使中间2 个彩灯发亮，然后从两边再增加2 个发亮，一直下去，直到16 个彩灯全亮，然后，闪烁2 次。

5、1 秒。（5） 接着重复以上的动作，这样一直循环下去。时间间隔为（6） 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设计方案2.1. 1设计方案一设计要求彩灯完成四个可以循环的功能，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。时钟脉冲产生电路由74LS161分频实现，循环控制电路由74LS197和74LS139实现，彩灯输出花样电路由74LS139和相关门电路组成。设计框图如图 2.1所示：图2.1多花样循环彩灯控制器设计框图具体设计步骤：先将每个设计的功能要求的单独电路画出来，通过 74L

6、S198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，用一个74LS139译码器直接对四个模块的选择，即 Y0选通第一个功能的电路，Y1选通第二个功能的电路，Y2选通 第三个功能的电路，Y3选通第四个功能的电路，然后此译码器受到74LS197计数器的控制，在该计数器由00变为01,由01变为02,由02变为03的过称中依次影响译码器的 输出，该计数器又受到一个由74LS161计数器构成的分频器的控制，在 74LS161输出全零时，经过相关的门电路后会有一个低电平输出，在 74LS161输出不为全零时，经过相 关的门电路后会有一个高电平输出，在 74LS161输出又为全零时，经

7、过相关的门电路后 会有一个低电平输出，于是就有了一个下降沿触发给74LS197,就完成了一个功能的要求。2.2.2方案设计二本方案实现的核心 AT89S52单片机，通过IO 口直接驱动LED灯。通过程序的编写以 实现不同的花样，以及不同花样之间的转换LED显示电路AT89S52图 2-2-2方案二系统框图2.3方案比较方案一在实现过程当中电路比较繁琐,需要的器件多，连线复杂，但是模块清晰,功能明确，易于理解调试。方案二由于单片机具有以下优点台匕目匕可靠性高台匕目匕4、低电压、低功耗且不利于锻使得电路简单，器件少，连线简单，但是使用单片机，程序调试复杂, 炼硬件调试能力。鉴于本实验主要在计算机上

8、仿真实现，连线复杂程度并不是很大的困难，综合分析后, 我们选择了方案一。3.单元电路设计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、CMOSIE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：图3-1-1 555定时器内部原理图它含有两个电压比较器，一个基本 RS触发器，一个放电开关比较器的参考电压 由三只5KQ的电阻器构成分压

9、，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2 J 3% 和1%。A1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 2 砥时,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现 时,触器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。表312 555定时器功能表输入输出弱值输入（V11）触发值（V12）复位（Rd）输出（Vo）放电管TXX00导通<(2/3)V cc<(1/3)V cc11截止>(2/3)V cc>(1/3)V cc10导通<(2/

10、3)V cc>(1/3)V cc1小艾小艾由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:图313由555定时器构成的多谐振荡电路图接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2/3VCC时，触发器被复位，同时发电BJT T导通，止匕时Vo为低电压，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到（1/3） 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：pL=R2Cln2 可近似看成 tPL=0.7R2c当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，VC由（1/3） Vcc 上升到（2/3） Vcc所需的时间为：a

11、=（R1+R2）Cln2 可近似看成 tPH=0.7（R1+R2）C而当Vc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图3-2-2 74LS161引脚图波，其频率为f=l/( t pl +tPH) 可近似看成 f=1.43/(Ri+2R2)C3.2 分频器的设计74LS161的清除端是异步的。当清除端CR为低电平时，不管时钟端 CP状态如何，即可完成清除功能。74LS161的预置是同步的。当置入控制器LOAD为低电平时，在 CP上升沿作用下，输出端QAQD与数据输入端 A-D相一致。对于 74LS161,当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数控制 端ENP、ENT

12、为高电平，则 LOAD 应避免由低至高电平的跳变，而 74LS161无此种限制。74LS161 的计数是同步的，靠 CP同时加在四个触发器上而实现的。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。对于 54/74LS161 ,只有当CP为高电平时，ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变，而 74LS161的ENP、ENT跳变与 CP无关。74LS161有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端( RCO)输出一个高电平脉冲，其宽度为QA的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。对于 74LS161 ,在CP出

13、现前，即使ENP、ENT、CR发生变化，电路的功能也不受影响 其功能表及引脚图如下：表3-2-174LS161功能表输入输出CrCPLdEPETD3D2D1DoQ3Q2Q1Qo0000010dcbadcba1T10Q3Q2Q1Qo1T10Q3Q2Q1Qo1111状态码加1347425219T :145671U174LS1613Q Q Q Q OD DD D N N C O M1U2:A图3-2-3由74LS161和相关门电路构成分频器3.3 节拍控制器的设计74LS197为可预置的二八十六进制计数器。异步清除端（CR）为低电平时，不管时钟端（0CP、1CP）状态如何，即可完成清除功能。计数/置

14、入控制（CT/LD）为低电平时，不管时钟（0CP、1CP状态如何，即可完成预置功能。当 （CT/LD）为高电平时， 在（0CP、1CP）脉冲下降沿作用下进行计数操作：a） 将1 CP与Q0连接，计数脉冲由 0 CP输入，在 QO Q1、Q2 Q3分别得到二、 四、八、十 六 分 频。b）计数脉冲由1 CP输入，在在 Q1、Q2、Q3分别得到二、四、八分频。 Q0可独立使 用。74LS197还可作4位锁存器，此时CT/ LD作为选通端。当CT/ LD为低电平时，Q0-Q3 随DAD3而变化；当CT/ LD为高电平时，只要时钟不作用，Q0Q3将保持不变。图3-3-2 74LS197引脚图图3-4-

15、1 74LS139功能表因为在分频后可以对四个单独功能的控制，而且在每个功能完成的时间内该计数器需要加一，需要使用下降沿触发的计数器，所以选择了74LS197计数，作为节拍控制器。id- rmQ 1D 6 D 口 DI'图 3-3-3由74LS197构成的节拍发生器3.4 译码器的设计74LS139为2-4线译码器，输出为低电平有效，当使能端为高电平时，输出全高。在 该次课程设计中担任着对四种不同功能部分的直接管理，是通过输出电位来控制四个独 立单元的清零端来实现控制的。其功能表和引脚图如下：输入输出使能端选择Y0Y1Y2Y3G 1BAHXXHHHHLLL；LHH:HLLH:HLH:H

16、LHLHHLHLHH:HHH:L图3-4-1 74LS139引脚图3.5 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: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 （M0、M1） 均为高电平时，在时钟（CP）上升沿作用下，并行数据（D0D7）被送入相应的输出端 Qg Q7。此时串行数据（DSR DSL）M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DSRX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

17、才可改变。图3-5-2 74LS198功能表INPUTS- RESPONSEMR CP So* Si*L H H H HX / J / XX*HL H LX - H H L LAsynchronous Raset; Outputs = LOWParallel Load; PnQeShift Right; Dsr *-Qos Qo _etc.Shift Left； Dsl»Q7. QzQe, etc.Hold第一个功能的部分设计图0gg寸eelO 0OS0G0000MIEb 口仁 9 出寸 ecnihQS (rt in o i?5 'tn oo&onnoY m n l

18、l e n i- e图 3-5-3U7741B3VTEXT口 R 9 寸 O C-J T T T T-u?U8：74136TEKTVHlQ THz始的寸me七口甚 tn 济 GK55aSnoeiooSQ I I I I I I I -，蜡图3.6.1 LED与相关门电路构成的显示电路(O CM -r- O g o a o GU16：A-J6：B-cXU、74LS64 " <TEXT> 'dz山 1/ MID oven iU9 74LS2774LS161 . . F 正麻.TECT A a a a a3.6 LED显示电路的设计LED显示电路是该次设计的直接输出，该

19、灯的特点是当两端电压不等时就会发光, 本次设计用的是红光。D12LED-REDU28:血 U28:CU28:B、U28A74LS04 " . 74LS0474LS0474LS04 .U29：BU29：AU27：BU27：1111D11D10D9LED-ReDLED-，LED-REDU24:Ff U24:E、U24fc74LS04; 74LS04 ' 7 74LS04A U26;BU26:A11U24:C74LS04U25 B U25:AAA142542514251425174251 华 4252086420 964208 7466555s5 444443 33如果四输入或非门

20、有一个输入为高，灯就会亮4调试与检测D8LED-RE52U17:F174LS04U24:74LS04U23:lU23:A，：FU22:BD4LED-REU17|E U17:l74LS04 1 74LS04U22A U21:BD3I LED-REU17:(74LS04U21J7425D2LED-RD1LED-REDU17:E74LS04.U20:EU6:A74LS04U20:A3A1AAA3A A42574274257425742574254.1 调试过程中的故障与解决方法在调试过程中，发现灯的花样不是按指定进行的，通过观察各点电平时发现，用总 线时，网络标号有问题，于是就改了过来，经调试成功。

21、4.2 调试与运行结果打开protues仿真电路图，开始仿真部分结果截图如下：分结果截图如下：花样一截图花样二截图花样三截图花样四截图5仿真操作步骤及使用说明一各部件说明：D0D15十六个LED灯为显示。二操作说明：点击仿真运行按键后，16 个灯将会按照下面的顺序进行亮灭：（其中0 为亮）花样一：11111111 1111111011111111 1111110111111111 1111101110111111 1111111101111111 11111111花样二：11111110 1111111011111101 1111110110111111 1011111101111111 01

22、111111重复一遍花样三：10101010 1010101001010101 01010101循环 8 次花样四：11111110 0111111111111100 0011111111111000 0001111111110000 0000111100000000 0000000011111111 1111111100000000 0000000011111111 111111114次最后循环到第一个花样。6 体会与总结通过这次数电课程设计，我有很多感受。在刚拿到这个课题时，感觉很模糊，在和小组其他成员的讨论中，就对它慢慢清楚起来。在着手做这个设计的时候，开始直接从整体着手，设计出来的方案

23、特繁琐，在经过指导老师李老师的点拨后，明白了可以先从单个独立的功能设计开始，最后再进行总体控制。方案简单明了。通过此次设计，将课本上的知识可以应用于实际，使理论与实际很好的结合，加深自己对课本知识的理解。明白了书本知识是基础，实践是对基础的巩固。此次设计也锻练了我个人的自主学习能力。在实验中，我们运用到了新的软件 PROTEUS 仿真软件，对于这种不熟悉的软件，我们能够充分利用图书馆以及计算机网络 去查阅和学习相关资料，提高了自主学习能力。此次设计也改变了我的思维方式。如果方案很复杂时，可以把它分解，最后在进行整体构想，就会柳暗花明。在设计方案时，会有很多芯片满足要求，在选择时，我们会考虑这会不会可以使设计方案用到最少的门电路等