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 11

2、10左移循环点亮。（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。多谐振荡器分频计数器门电路选择器移位寄存器多谐振荡器输

3、出计数器图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IO口直接驱动LED灯。通过编写相应

4、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：AT89S52单片机LED灯显示电路图2.2 多彩循环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

5、（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。三、 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

6、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00000000,10000000，01110111,01010101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

7、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，依次显示00000010,00000100,00001000,00010000,00100000,01000000,10000000，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11101110，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11101110，再工作2秒又变为01110111，重新置

8、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。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

9、器设计方案二电路原理图如图2.4所示：工作原理：先用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。 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，

10、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

11、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3.1所示：图3.1 555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5K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和。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时，触发器复位，555的输出端3脚输出低

12、电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，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T××00导通<(2/3)VCC<(1/3)VCC11截止>(2/3)VCC>(1/3)VCC10导通<(2/3)VCC>(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：图3.2 多谐振荡器电路接通电源后，电容C1被充电，当V6上升到2/3VCC时，触发器被复位，此时V

13、O为低电压，同时放电BJT T导通，,电容C1通过R2和T放电，使V6下降。当V6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： tPL=R2C1ln2 可近似看成tPL=0.7R2C1当C1放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，V6由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的时间为： tPH=(R1+R2)C1ln2 可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C1而当V6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/(R1+2R2)C1在设

14、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，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QAQD 与数据输入端AD 相一致。当ENP、ENT 均为高电平时，在CP上升沿作用下QAQD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&

15、#160;                入输       出CRCPLDEPETD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00000010dcbadcba110Q3Q2Q1Q0110Q3Q2Q1Q01111状态码加1图3.3 74LS161引脚图图3.4 由74LS161组成的八分频电路3.3 门电路循环选择电路的设计将8个二输入与门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

16、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引脚图当清除端(CR)为低电平时，输出(Q0Q7)均为低电平。当工作方

17、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Q0Q7。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。表3.3 74LS198功能表此设计步骤中用四个8输入或非门和一个4输入或门接到S0进行反馈，当输出为0

18、0000000,10000000,01110111,01010101其中任一种状态时移位寄存器重新置数，所置的数据为当前存在数据输入端的数据。当移位寄存器的数据输出端不为这四种状态时，移位寄存器执行左移功能。因为输出Q0反馈到SL，所以执行的为循环左移功能。有移位寄存器构成的输出电路如下图3.4.3所示：图3.7 由74LS198构成的输出电路3.5 LED显示电路的设计LED显示电路是该次设计的直接输出，该灯的特点是当正极电压高于负极电压时就会发光，试验中所用为红色LED灯。当移位寄存器输出为高电平时，相应接口处的LED灯就发亮。LED灯显示电路如下图3.8所示：图3.8 LED显示电路 通

19、过仿真和实物连接可以看到8只彩灯按照三种工作状态循环工作，呈现出实验所要求的多彩循环彩灯的效果。4 调试与检测4.1 调试中的故障及解决办法 在仿真过程中每种状态工作的时间不一样长，经过检查发现分频器接成了9分频电路，从而打乱了移位寄存器的置数功能。将分频电路改为8进制后，彩灯按照要求正常循环发光，每种状态工作4秒，每个灯亮或灭的时间为0.5秒。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：图4.1 8只彩灯从右到左逐一循环点亮截图图4.2 8只彩灯按照11101110左移循环点亮截图图4.3 8只彩灯交替闪烁截图 5 仿真操作步骤及使用说明一各

20、部件说明：D0D7为八个LED灯显示。二操作说明：点击仿真运行按键后，8个灯将会按照下面的顺序进行亮灭：（其中1为亮）花样一（8只彩灯从右到左逐一循环点亮）:000000010000001000000100.0100000010000000花样二（8只彩灯按照11101110左移循环点亮）:11101110110111011011101101110111重复一遍花样三(8只彩灯交替闪烁):1010101001010101循环4次然后循环到第一个花样，接着重复以上的动作，这样一直循环下去，每个灯时间间隔为0.5秒，每一个花样持续时间为4秒。由仿真结果可知，仿真正确，电路连接正确，可以进行下一步实

21、物的连接与调试。6 结束语体会与总结两个星期的电工电子综合坑设计我感触颇深。两个星期看似时间很长，其实做起来时间还是挺紧的。我们不但要对以前的模电知识和数电知识加以回忆和复习，还要查阅相关的书籍资料，还要学习以前并不熟悉的软件protues。正因为任务艰巨，所以我们才能从中学习到更多的知识，了解到电子技术的魅力，增加对电子技术的兴趣。自我感觉数电理论知识学习的还不错，但是刚选好题目的时候，一时间不知道从何下手。但是静下心来仔细分析一下设计要求，渐渐地也就有思路了。但是只想不做终究只是空的。然后就看老师的课件学习protues的使用，要想熟练掌握protues的应用一俩天显然是不够的。但是掌握了

22、它的一些基本操作，设计仿真此次设计的电路已经足够了。画电路的时候我先把每个工作模块分别画出来，然后再将它们连接起来构成总的电路原理图。调试的过程并不是一帆风顺的，但是皇天不负有心人，在自己的一遍遍努力中，终于仿真出了正确的实验结果。努力之后的快乐，只有努力过的人才能感受到。我也领悟到，遇到问题不能先认为自己不行，而是应积极面对，查阅资料、询问他人，这样才能更好的锻炼自己，更好的掌握知识。此次课程设计既锻炼了自己独立思考解决问题的能力，也给了同学们之间相互学习，共同进步的机会。设计要求每个人设计出一种方案，四个人一个小组再设计出一个小组方案。每个人设计出电路之后，大家之间相互交流，比较自身的电路

23、有哪些优点和缺点，如何改进，争取把自己的方案简化的结构清晰、功能明确。课程设计设计出电路原理图是其中很重要的一部分，写好课程设计报告也是不可或缺的。因为你设计的东西别人想弄清出是怎么工作的，会从设计报告上去看。所以写实验报告时一定要格式规范，思路清晰，易于理解。只有能被别人广泛接受的新事物、新发明，才能得到人们的推广。课程设计也为我们以后搞科技发明打下一定的基础，锻炼我们解决问题的思维及方法。要想学好电工电子技术，不仅要学好理论知识，还要经常实践，并进行一些创新设计。这样才能根深的理解电工电子技术中的相关知识，并熟练的应用所学过的元器件。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。学到的知识就是用来实际应用的，所以以后要乐于做实验、搞设计，这也可以激发自己去学习新的知识，达到新的高度。未来的工作比的是创新，我们现在应该抓住机会锻炼自己，这样才不至于落伍。参考文献1 康华光.电子技术基础-数字部分（第五版），高等教育出版，2006.12 祁存荣，陈伟.电子技术基础实验（数字部分） 武汉理工大学教材中心3 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社,