数字电子技术课程设计表格(四花样彩灯控制器)

1、2012 2013 学年 第 二 学期 数字电子技术 课 程 设 计 报 告题 目： 四花样彩灯控制器专 业： 电子信息工程班 级： 11电信1班姓 名： 孙叶林 陶轮 汪宏俊 汪义涛王安亚 王亮亮 王劲松 王向阳 魏伟指导教师： 周旭胜电气工程学院2013年6月02日1、任务书 四花样彩灯控制器摘要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。优易LED 全彩灯光控制系统由Color Edit编辑软件、主控制器、分控制器和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

2、装饰等美化、亮化工程。路，由双D 触发器和数据选择器构成开关电路，由移位寄存器和八个彩灯构成输出电路，时钟脉冲控制模十六计数器和移位寄存器，分频计数器的Qd 控制双D 触发器。而第二种方案：用两个555来产生时钟脉冲，通过试验可知这回导致数据选择器输出的两种码第一种方案：由一个555构成时钟电路，由模十六计数器构成四种码产生电之间的间隔与彩灯每一种状态持续的时间不成整数倍，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。而且比所采用的设计方案多出了一个555芯片。在工程成本上就相应地增加了经费，工程上不可取，非最佳设计方案。因

3、此选择方案一。关键字LED 555定时器目录第一章概述 . 4 1.1 前言背景 . 4 1.2 设计目的及要求. 4第二章系统组成及工作原理. 错误！未定义书签。2.1 原理框图 . 5 2.2 系统工作原理. 5 2.3 方案比较 . 6第三章单元电路设计与计算. 7 3.1 时钟脉冲产生电路. 7 3.2 四种码产生电路. 7 3.3 彩灯开关电路. 10 3.4 花样输出电路. 11 3.5 整体电路设计. 11 第四章调试及测试结果分析. 12 4.1 结果的调试及分析. 12 第五章总结 . 14 参考文献 . 14 附录1 花样彩灯控制器原理总图. . 15 附录二各芯片管脚图.

4、 16 附录三元器件清单 . 17 答辩记录及评分表 . 18第一章概述1.1 前言背景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，现简单介绍如下：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

5、光控制系统由Color Edit 编辑软件、主控器、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。四花样自动切换的彩灯控制器，其电路简单、取材容易，而且被广泛地应用与现实生活当中。例如用于店面装饰可以增加其美观，吸引更多顾客。在经过了几天紧张的电路焊接和调试，期间还进行了部分方案的修改和改进，现已实现了课程设计的主要任务和具体要求。1.2 设计目的及要求(一 目的:通过设计方案的比较，对比电路的复杂与简单，器件的市场价格等方面因素，来选择一种比较好的可行性设计方案（二）基本要求：设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实

6、现如下(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。（三）主要参考芯片：555,74LS161，74LS74,74LS153,74LS164,74LS86第二章 系统组成及工作原理2.1 原理框图系统可由四个模块组成：四种码产生电路、开关电路、数据输出、时钟电路。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。参考框图如图2-1所示：图2-1参考框图 由一个555构成时钟电路，由模十六计数器构成四种码产生电路，由双D 触发器和数据选择器构

7、成开关电路，由移位寄存器和八个彩灯构成输出电路，时钟脉冲控制模十六计数器和移位寄存器，分频计数器的Qd 控制双D 触发器。2.2 系统工作原理1、从多谐振荡器(555出来的脉冲信号作为计数脉冲送到模十六计数器（74LS161）和移位寄存器（74LS164）；双D 触发器（74LS74）的脉冲信号由74LS161的Qd 提供。2、分频计数器、双D 触发器、数据选择器共同组成一个电子开关，控制四种花色的输出及循环。3、由要求（1）到（4）可选输出状态位为8位(则选择74LS164来实现右移 a 、彩灯一亮一灭, 从左向右移动：实现这一要求需使输出状态为10101010，其周期位为2位。b 、彩灯两

8、亮两灭，从左向右移动：实现这一要求需使输出状态为11001100，其周期位为2位。b 、彩灯两亮两灭，从左向右移动：实现这一要求需使输出状态为11001100，其周期位为4位。c 、四亮四灭，从左向右移动：实现这一要求需使输出状态为11110000，其周期位为8位。2.3 方案比较 方案比较如下图所示： 用两个555来产生时钟脉冲，这就导致数据选择器输出的两种码之间的间隔与彩灯每一种状态持续的时间不成整数倍，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。若要成为倍数关系，提供双D 触发器的脉冲周期至少是提供单脉冲的16倍，即

9、2T =16*1T 。 1T =2*（9R +2*10R ）*3C ；2T =2（11R +2*12R ）*4C 此时需改变双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，正好选择另一组码输出，彩灯花样改变。但此种改法较复杂，在计算电阻和电容的过程中并没用相应的阻值、容值来提供选择。而且比所采用的设计方案多出了一个555芯片。在工程成本上就相应地增加了经费，工程上不可取，非最佳设计方案。第三章 单元电路设计与计算3.1 时钟脉冲产生电路用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=0.7(R1+2R2C

10、(3-1其中两个555产生两个时钟脉冲, 一个控制74LS161模十六计数器和八位移位寄存器, 要能看到彩灯的流动, 其周期设为1秒左右, 电阻值和电容值可设为：R 1=1K ， R2=51K ， C=10F 由公式（3-1）计算得：T=0.721S 电路图如图3-1所示: 图3-1 时钟电路第二个时钟脉冲是74LS161的QD 输出，这样就可以完全保证数据选择器输出的两种码之间的间隔与彩灯每一种状态持续的时间成整数倍，彩灯完全按照要求循环。3.2 四种码产生电路IRT UAL根据彩灯要实现的四花样, 可确定移位寄存器输出的二进制码, 即四种码产生电路要产生的码，如表3-1所示：表3-1 四花

11、样彩灯循环代码表 要产生这四种码，可由十六进制计数器输出端Qa 、Qb 、Qc 、Qd 分别接数据选择器的C0、C1、C2、C3，十六进制计数器的真值表如表3-2所示：表3-2 计数器真值表 由表3-2分析得：Z 1=Q1，Z 2=Q2 ，Z 3=Q3，Z 4=Q4所以四种码产生电路如图3-2所示： 图 3-2 四种码产生电路 3.3 彩灯开关电路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Z 1、Z 2、Z 3、Z 4。使双D 触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端（A 、B ），双D 触发器与一个异或门（74LS86）组合能产生00、01、10、11这四钟

12、循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四花样循环。 由上表可知Q1*=Q1 Q2 Q2*=!Q2开关电路图如图3-3所示: 图 3-3 开关电路3.4 花样输出电路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，循环进行。3.5 整体电路设计电路图设计，如附录1所示：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。四种码由模十六计数器产生，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

13、器和彩灯构成，时钟电路由一个555及74LS161的QD 输出构成。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。第四章 调试及测试结果分析4.1 结果的调试及分析1. 调试使用的主要仪器: 数字万用表 直流稳压电源 示波器2实验及调试：首先按照附录1对电路进行布局，再根据信号的传输的线路来依次进行焊接，采取边焊接边调试的方式，一级一级下来，保证每个电路单元都正常工作（这里电路单元是这一个芯片），最后，布入总线，连通电路。实验中，为保证电路连接正常，调试时先是对每个芯片的功能进行检测，逐级确保电路连接的正确及芯片的正常工作，再来

14、测试彩灯的变化结果，根据测试现象的观察，很显然达到了课题的设计要求。3. 调试中出现的故障、原因及排除方法a 、焊完电路之后接通电源，发现8个发光二极管中有一个没有被点亮。被认为是发光二极管一开始就是坏的，然后用一个新的经检查导通后使用，从新焊接上去。但是发现还是没有被点亮，然后用万用表蜂鸣档测量发现短路。经检查后发现，电路板上两个本该断开的两个焊盘由于在生产过程中一条细的铜条把两个焊盘导通了。经处理之后8个发光二极管全部被点亮。b 、在观察测试结果时，发现在彩灯花样形式由四亮四灭转变为全亮全灭时会出现一个短暂的停顿，这是因为每种花样形式都需要有一个特定的初状态，而转变时并没有出现所需的初状态

15、，但这都是属于正常现象，它会自动转换到所需形式。c 、在观察测试结果时，发现彩灯花样形式转变并非是按题目要求的循环。彩灯是按照一亮一灭、四亮四灭、全亮全灭、二亮二灭的顺序来进行循环的，其原因是双D 触发器是按00、10、11、01的循环码输出的，此时需适当调整触发器和异或门的线路结构，使之按00、01、10、11规律输出。经检查之后发现是由于一条线接错了，经改正之后出现了理想状态的循环亮灯。d 、彩灯的四种花样都有，但中间有一些混乱的状态：原因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

16、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，正好选择另一组码输出，彩灯花样改变。在本设计中用74ls161D 的Q4做双D 触发器的CP 脉冲，数据选择器输出的两种码之间的间隔恰好是彩灯每一种状态持续的时间的整数倍。e 、刚接上电源的时候彩灯出现短暂无规律现象，这是由于刚接上电的时候整个电路的电压不稳定，出现乱码。短暂不稳定之后，电路正常工作。属于正常现象。第五章 总结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

17、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。本次试验的内容是四花样彩灯控制器。由于在以前的学习中积累了一些经验，这次设计总的来说是比较顺利的。通过设计，我进一步熟悉了Multisim 软件和万用表的使用方法，巩固和加深对数电所学理论知识的理解和掌握，特别是对74LS161十六位循环计数器、74LS04六反相器、74LS08四2输入正与门、74LS153数据选择器、74LS164八位移位寄存器、CT74LS74正边沿触发双D 触发器、多谐振荡器等原件了有了更深的了解，深感受益匪浅。实验中电路比较复杂，如果动手焊接布线，得非常小心，涉及多个芯片的用法，焊接前一定要分析清楚这些芯片的用法。板子的连通性，给布线带来方便时也使安装元器件时要注意，不能让元器件短路，如果不小心令电路短路了，就很容易烧毁原件，后果不堪设想。参考文献1 石建平著. 数字电子技术. 国防工业出版社. 2011年2 电子技术实践（三） 脉冲与数字电路实