彩灯控制器·设计

1、目录一系统设计概述21.实践要求：22.原理分析与电路方框图：2二原件选择与电路设计31.脉冲发生电路32.计数控制电路53.译码驱动电路64.储存单元65.计数器显示电路86.显示矩阵8三电路的安装与测试91.电路连接：92.电路调试：10四总结11附表1：原件清单12附表2：图片程序源码13附表3：总电路图15附表4：电路实物16参考文献17一 系统设计概述1. 实践要求：通过对硬件编程，将图形、文字、动画存储在E2PROM中，通过计数器控制图形、文字、动画的地址，在利用显示矩阵显示出来。系统所显示的内容可反复循环，直至手动或加压清零，便可回到初始地址。1）设计脉冲产生电路、图形控制电路和

2、存储电路；2）用发光二极管点阵（8×8）作为显示电路，显示内容的动面感要强。3）图形能连续循环，图形大于64幅，图形显示间隔在20ms2s范围内连续可调；4）能手动和加压清零功能，有自动选画功能；5）完成电路全部设计后，通过实验箱验证设计课题的正确性2. 原理分析与电路方框图：通过对实验要求的解读，可知实践需要通过对EEPROM编程来控制一个8X8LED的矩阵输出存在EEPROM中的各种图形或者文字。因此就需要分别用8个地址线来分别控制点阵的行与列。本次实践中，我们使用74LS138及EEPROM来实现对行列的控制。由于人类视觉暂留实践为20ms，因此将点阵的列设计成高频的刷新电路，

3、行设计成低频的换面切换电路，这样就能够显示出清晰，可变的图形。显然，我们可以用译码器来控制列，刷新点阵。用EEPROM来控制行，来输出图形。点阵中的LED灯是低电压导通，因此应该把阴极定位列，阳极定为行。频率控制电路可以利用基于555振荡器的多谐振荡器加计数器来实现。高频频率应为400500Hz，根据要求所知，图形间隔在20ms到2s之间，因此低频频率应为5Hz50Hz。在列方面，我们使用74LS161的二进制计数器来实现对译码器的控制即可；在行方面，由于要求显示出64幅的画面，实际我们设计了80幅画面，因此我们使用一个16*5进制的计数器，用两片74LS161同步CP端且用置数法来实现，并用

4、显示电路来显示低位、高位计数器的计数情况，地位控制每幅画面，高位控制每组画面。并用通过对高位芯片置数端，清零端的控制来实现要求中的选画与清零。EEPROM我们选用常用的2864，使用计算机固化程序。程序的设计我们采用液晶字库显示程序直接导出16进制代码，分别输入对应行列进行固化。将低位计数器接入EEPROM的低位，高位芯片接入高位；高频计数器输出接入EEPROM的最低三位。通过上述分析，我们将系统分为八个功能模块：高频脉冲发生电路，低频脉冲发生电路，列计数控制电路，行计数控制电路，译码驱动电路，存储单元，图案显示矩阵，数字显示电路。系统原理框图如下所示：显示器电路显示矩阵译码驱动电路计数器控制

5、电路脉冲发生电路（低频）脉冲发生电路（高频）计数器控制电路存储单元有了上述的分析，电路的结构已经比较清晰，接下来就要进行电路的具体设计、原件选择及总体布局的设计。二 原件选择与电路设计1. 脉冲发生电路用555定时器组成多谐振荡器输出方波脉冲。产生脉冲振荡频率的计算公式为：f=取电容C=10F则得：高频电路的频率为400Hz，得出,因此选用=340, =10。低频电路的频率要在0.5Hz到50Hz范围内变化，因此得出要在2857到2.8M范围内变化。因此选用=2K，为1M可调电位器。555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端Qn+1放电管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11Qn

6、不变保持电路使用0.01F的小电容来旁路高频信号，所得电路图如下： 高频振荡电路 低频振荡电路2. 计数控制电路1） 列计数器控制电路：由于列模块使用3-8线译码器来控制点阵的列，因此需要使用一个四位二进制计数器来作为译码器的输入，只用计数器的第三位，选用74LS161，分别从000001111，接入译码器的三个输入端，根据下面功能表，输出端将从低位到高位依次输出低电平，从而达到扫描列的作用。74LS161时钟端接555的3口，因此扫描频率为高频脉冲发生器频率400Hz。电路连接如图所示：74LS161功能表输 入 输 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0

7、 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 16进制计数2） 行计数控制电路：由于需要使用两片74LS161来实现一个80进制的计数器，因此我们采用了同步计数法，将两片161的时钟端（2口）都接到低频脉冲发生电路的输出口（3口），低位的进位位与高位的EP、ET端相连，以此实现计数功能。将高低位芯片的清零端和置数端分别接到开关上，来实现清零和置数功；将高位芯片的各输入端（D0D3）分别接开关，以此来选择画面组，实现选画功能，低位输入端均接地。3. 译码驱动电路需要对点阵的列进行高速逐行的扫描

8、，一共有8行，根据译码器的工作原理可知可以用3-8线译码器来实现，分别从输出低电平扫描各行。连接电路如下图：译码电路连接方法4. 储存单元存储单元模块的作用是通过变换发光二极管阵列的八个阳极管脚的高低电平来控制二极管的工作状态。根据设计思路对存储器的输出进行编程来构造不同的图案。可编程存储器EEPROM具有读写方便的优点，并且使用灵活，因此采用EEPROM作为存储器是个不错的选择。EEPROM的工作原理如下：EEPROM的写入过程,是利用了隧道效应,即能量小于能量势垒的电子能够穿越势垒到达另一边。量子力学认为物理尺寸与电子自由程相当时,电子将呈现波动性,这里就是表明物体要足够的小。就pn结来看

9、,当p和n的杂质浓度达到一定水平时,并且空间电荷极少时,电子就会因隧道效应向导带迁移。电子的能量处于某个级别允许级别的范围称为“带”,较低的能带称为价带,较高的能带称为导带电子到达较高的导带时就可以在原子间自由的运动,这种运动就是电流。 EEPROM写入过程,如图3所示,根据隧道效应,包围浮栅的SiO2,必须极薄以降低势垒。 源漏极接地,处于导通状态。在控制栅上施加高于阈值电压的高压,以减少电场作用,吸引电子穿越。 要达到消去电子的要求,EEPROM也是通过隧道效应达成的。如图4所示,在漏极加高压,控制栅为0V,翻转拉力方向,将电子从浮栅中拉出。这个动作,如果控制不好,会出现过消去的结果。将列

10、控制计数器的输出端三根线分别接EEPROM的第三位（A0A2口），行控制计数器低位的输出端四根线接中间四位（A3A6），高位输出端四根线接高四位(A7A10)。CS、OE、VPP、GND四根管脚接地。编程方法如下：“ 1”表示二极管亮，“0”表示二极管灭。举个例子，如果要显示“中”字，则进行如下编程： 输出（二进制） 输出（十六进制）0000000000H00111000 38H00101000 48H11111111 FFH00101000 48H00111000 38H 00000000 00H00000000 00H 具体程序见附表2。Eeprom连接情况5. 计数器显示电路计数显示电路

11、由一片共阴极数码管和一片显示译码器构成，译码器输入端为对应计数器的输出端，从低到高分别接入到7口、1口、2口、6口。输出abcdefg口与数码管相应管脚相连，连接如图所示：6. 显示矩阵图案显示模块主要由8×8发光二极管阵列构成，阵列为共阴接法，发光二极管点阵有16个管脚，分别与译码器和存储器的输出相连，能根据管脚的高低电平变换图案，各个二极管的发光状态互相独立。总电路图见附表3所示。三 电路的安装与测试1. 电路连接：实验工具：尖嘴钳、镊子、起子、实验箱、导线、万用表、示波器。电子电路要达到设计要求，不仅取决于电路原理图的正确设计，而且还与电路安装的合理性密切相关。安装技术的优劣，

12、不仅影响外观质量，而且影响到电路的调试及性能。因此，电路安装在本次课程设计中占有重要地位。我们领取了原件（见附表1），首先将芯片分类、电阻测值。并了解了二极管点阵的工作原理，找出了其管脚排列的方式并分清了行列。然后进行了整体的布局。根据原理图，我们布置了芯片的摆放位置，避免交叉线，电源线和地线通过横向导通的孔接出。芯片布置方面，我们采取从左往右，从下往上的方法。按此顺序分别为，555定时器计数器译码电路/存储单元计数器显示电路显示矩阵。总电路见附表3。整体布局完成后，再从左到右开始插接分立元件并连线。关于连线的插接要满足工艺性及检测的要求，尽量使用工具操作，做到横平竖直，90度转角。先根据布线

13、要求的连线长度剪好导线，剥去导线两头绝缘皮，然后把导线两头弯曲成直角。把准备好的连线插入相应位置的插孔中。插拔连线时，应用镊子夹住导线后垂直插入或拔出插孔，不要用手插拔，以免把导线插弯。连线时要求贴紧面包板，不要留空隙。为了查线和美观，连线采用不同的颜色（电源线用绿色，地线用蓝色，其余模块间连线用其他颜色用以区分），连线也应尽量做到横平竖直。接线安装的过程是极其繁琐的，由于彩灯实验的线路较多较长，因此为了保证工艺性需要花大量时间排线及修改，因此会耗费不少时间。准确的排线是成功实践的关键。总体上我们顺利完成了安装，工艺性良好。2. 电路调试：1） 电路的检测：安装好电路后，我们首先检测所有芯片的

14、电源端与接地端的电压。采用的方法是用万用表的直流电压端。黑表笔接地，红表笔分别接触各芯片的接电源或者接地的端口。检测发现行控制计数器中的低位的161芯片接地端的电压为0.08V偏高，检查后发现此芯片接地端误接到了电源线上去了。第二步我们检测低高频脉冲发生电路的震荡情况，我们使用示波器来检测。将示波器的黑笔接地，红笔接到555的3口，调节衰减旋钮，观察波形震荡，发现脉冲发生器均正常工作。第三步我们进行了对二极管点阵的16根输入地址线的检测。检测的方法是使用万用表的二极管档。将黑表笔接译码器或者2864的输出端口，将红表笔接点阵的对应的二极管管脚，若万用表鸣叫则说明线路连接良好。若不鸣叫需要逐段检

15、测，查到哪款开始不鸣叫则需排查错误。2） 电路调试中遇到的问题及解决过程发现行控制计数器计数不正常：在脉冲为低电平时不停计数，当脉冲为高电平时则不计数。一开始是怀疑被高频信号所干扰，但采取移动芯片的方法后仍然不起作用。在老师的帮助下，我们发现时我们的实验箱有问题，在多接一根地线后计数增长工作了。显示图形不正常，有跳跃的现象出现。首先我们排除了eeprom的问题：我们一开始编程的时候只拍了前8列，但横向编程时从A0A3，共16列，因此需要横向排满后再换行。但是发现还是有跳跃现象，这是我们就想到了肯能是EEPROM的输入地址线有问题。果然，通过使用万用表的二极管档进行逐一检查后发现行控制计数器的高

16、低位线路接反了。导致无法正常显示。在排除了这个问题后发现有部分图形没有显示，原来我们使用的是160的芯片，这样从10011111的图形没能显示出来，在更换成161后才能够正常显示。图形显示不能自动回复。这个问题一开始一直无法解决，在老师的帮助下深入了解了eeprom的工作原理后，发现只要将A11之后不用的输入管脚接地即可完成自动清零的功能。最后我们得到了理想的图形。调整了部分线路的工艺后给老师验收。效果令人满意。四 总结这次实践最后顺利的完成了要求中的所有项目：显示64幅以上动画、频率可调、能手动选画、加压清零等。工艺良好，精心设计的各种图案如花朵、小狗、字母、数字、爱心甚至是贪吃蛇都顺利的显

17、示出来，吸引不少同学前来观看，最后顺利通过验收，并将作为样品保存，这使我们倍感骄傲。在实践过程中我们发现了不少连接检测电路的诀窍：比如在接直导线时，可以先将线头一段多剥掉一些，然后另外一段在面包板上量取距离后直接剪断，然后再将金属丝从剪断的一段抽出，这样导线长度就比较精确合适；可以将导线的插入段倾斜插入，这样可以使导线更加帖服实验板，使工艺感更佳；检测电路时我们活用万用表的各项功能，正确的找到了各种问题并及时解决。由于时间及实验箱大小的有限，我们没有将本来希望扩展的用EEPROM控制的电子音乐播放器实现出来，有点小小的遗憾，不过我们还是圆满的完成了既定的目标和要求。通过这次为期一周的电子技术课

18、程设计，我们不仅巩固了对电子技术知识，更是学到了很多课本上学不到的东西。在实践的过程中我们充分锻炼了自己的动手能力，在与同组同学交流过程中培养了团队合作的意识，更重要的是我们磨砺了自己发现问题，解决问题的能力。使得本次课程设计更具意义！最后，感谢同组同学夏佳燕的默契配合，感谢各位指导老师耐心细心的指导。附表1：原件清单元器件明细表名称 型号参数数量备注 计数器 74LS161 3片 二进制计数器 译码器 74LS138 1片 译码器 定时器 NE555 2片 定时器8×8的发光二极管点阵 1片 存储器 EEPROM2864 1片可编程存储器 电容 0.01f 10f 2个 2个 固定

19、电阻 10340 3K 1个 1个 1个 无 可变电阻 1M 1个 无八段共阴数码管 LS543 2个 无数码管驱动器 74LS48 2个 无附表2：图片程序源码（一）数字显示0 0x00,0x18,0x24,0x24,0x24,0x24,0x18,0x00,显示1 0x00,0x08,0x18,0x28,0x08,0x08,0x08,0x3E,显示2 0x00,0x18,0x24,0x04,0x08,0x10,0x20,0x7E,显示3 0x00,0x18,0x24,0x04,0x18,0x04,0x24,0x18,显示4 0x00,0x08,0x10,0x28,0x48,0x7C,0x08

20、,0x08,显示5 0x00,0x3C,0x20,0x38,0x04,0x04,0x38,0x00,显示6 0x00,0x18,0x20,0x38,0x24,0x24,0x18,0x00,显示7 0x00,0x3C,0x04,0x08,0x10,0x10,0x10,0x00, 显示8 0x00,0x18,0x24,0x24,0x18,0x24,0x24,0x18,显示9 0x00,0x18,0x24,0x24,0x1C,0x04,0x04,0x18,（二）移动方块0x00,0x00,0x00,0x18,0x18,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x3C,0x24,0x24,0

21、x3C,0x00,0x00,0x00,0x7E,0x42,0x42,0x42,0x42,0x7E,0x00,0xFF,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0xFF,0xFF,0xC3,0xA5,0x99,0x99,0xA5,0xC3,0xFF,（三）0x81,0x42,0x24,0x18,0x18,0x24,0x42,0x81,0xC3,0xC3,0x24,0x18,0x18,0x24,0xC3,0xC3,0x18,0x18,0x24,0xDB,0xDB,0x24,0x18,0x18,0x18,0x5A,0x24,0xDB,0xDB,0x24,0x5A,0x18,0x9

22、9,0x5A,0x24,0xDB,0xDB,0x24,0x5A,0x99,（四）0x18,0x18,0x00,0xDB,0xDB,0x00,0x18,0x18,0xC3,0xC3,0x00,0x18,0x18,0x00,0xC3,0xC3,0x00,0x00,0x18,0x24,0x24,0x18,0x00,0x00,0x00,0x18,0x24,0x42,0x42,0x24,0x18,0x00,0x18,0x24,0x42,0x81,0x81,0x42,0x24,0x18,（五）0x42,0xA5,0x42,0x00,0x00,0x42,0xA5,0x42,0x42,0xA5,0x5A,0x

23、24,0x24,0x5A,0xA5,0x42,0x44,0xAA,0x44,0x00,0x00,0x22,0x55,0x22,0x88,0x55,0x88,0x00,0x00,0x11,0xAA,0x11,0x11,0xAA,0x11,0x00,0x00,0x88,0x55,0x88,（六）0x00,0x24,0x24,0x3C,0x24,0x24,0x24,0x00,0x00,0x18,0x24,0x3C,0x24,0x24,0x24,0x00,0x00,0x38,0x24,0x24,0x38,0x20,0x20,0x00,0x00,0x38,0x24,0x24,0x38,0x20,0x20

24、,0x00,0x00,0x44,0x28,0x10,0x10,0x10,0x10,0x00,0x00,0x00,0x22,0x55,0x49,0x22,0x14,0x08,0x18,0x24,0x12,0x09,0x12,0x24,0x18,0x00,0x10,0x28,0x44,0x92,0xAA,0x44,0x00,0x00,0x00,0x18,0x24,0x48,0x90,0x48,0x24,0x18,0x00,0x00,0x44,0xAA,0x92,0x44,0x28,0x10,（七）0x00,0x10,0x30,0x11,0x1E,0x0A,0x0A,0x14,0x00,0x20,0

25、x60,0x22,0x3C,0x14,0x14,0x22,0x00,0x08,0x0C,0x88,0x78,0x50,0x50,0x28,0x00,0x04,0x06,0x44,0x3C,0x28,0x28,0x44,0x04,0x0C,0x1F,0x3F,0x1F,0x0C,0x04,0x00,0x38,0x38,0xFE,0x7C,0x38,0x10,0x00,0x00,0x00,0x20,0x30,0xF8,0xFC,0xF8,0x30,0x20,0x20,0x30,0xF8,0xFC,0xF8,0x30,0x20,0x00,0x00,0x00,0x10,0x38,0x7C,0xFE,0

26、x38,0x38,0x00,0x04,0x0C,0x1F,0x3F,0x1F,0x0C,0x04,(八)0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0xC0,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x03,0xE0,0x80,0x81,0x81,0x81,0x81,0x01,0x07,0xE0,0xA0,0x80,0x81,0x81,0x01,0x05,0x07,0xE0,0xA0,0xA0,0x80,0x01,0x05,0x05,0x07,0xE0,0xA0,0xA0,0xBD,0x85,0x05,0x05,0x07,0xE0,0xA

27、0,0xA0,0xBC,0x05,0x05,0x05,0x07,0xE0,0xA0,0xA0,0x3C,0x04,0x05,0x05,0x07,0xE0,0xA0,0x20,0x3C,0x04,0x04,0x05,0x07,0xE0,0x20,0x20,0x3C,0x04,0x04,0x04,0x07,附表3：总电路图附表4：电路实物参考文献陈明义，宋学瑞主编. 电工电子实验教程.中南大学出版社 2002.陈明义主编. 电子技术课程设计实用教程.中南大学出版社 2002.陈明义主编. 数字电子技术基础.中南大学出版社 2005.通信0601    

28、60;  廖娟  9 实现。在本次设计中，我们共设计了100种图案，其中有汉字（两组，20副），英文字母（10幅），数字（10幅），矩形渐变（10副），人在走动（10幅），三角形变换（10副），一箭穿心变化（10副），箭头运动（10副），麻将牌移动（10副）图案可循环变换，或者分组变换，视觉效果不错。  8*8显示点阵最多可显示100幅图，由EEPROM2864中的程序来决定。编程如下表：(部分) 图形  第一列 第二列 第三列 第四列 第五列 第六列&#

29、160;第七列 第八列  数字0   00  00  7C  82  82 7c  00  00  数字1 00 00 00 FE 00 00 00 00  数字2 00 00 F2 92 92 92 8C 00  数字3 00 00 92 92 92 92&

30、#160;6C 00  数字4 20 30 28 24 FE 20 20 00  数字5 00 00 9E 92 92 92 62 00  数字6 00 30 48 4C 4A 31 00 00  数字7 00 02 02 02 02 FE 

31、;00 00 数字8 00 20 54 8A 8A 54 20 00  数字9 00 00 8C 52 32 1C 00 00  字母A 00 F8 14 12 12 14 F8 00  字母B 00 00 7E 4A 4A 34 00 00  字母C 00 3C 42 42