基于數(shù)字電路設(shè)計(jì)的彩燈控制器.doc

設(shè)計(jì)題目：彩燈控制器的設(shè)計(jì) 系 別：電子與信息工程學(xué)院班 級(jí)： 1092132 學(xué)生姓名： 崔開地 指導(dǎo)教師： 丁文飛 成 績(jī)： 2013年7月9日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程設(shè)計(jì)題目彩燈控制器的設(shè)計(jì)功能技術(shù)指標(biāo)1. 順序產(chǎn)生：紅、綠、紅+綠=黃、藍(lán)、紅+藍(lán)=紫、綠+藍(lán)=青、紅+綠+藍(lán)=白；2.燈光換時(shí)間可調(diào)，范圍在0.110s。工作量工作計(jì)劃1、分析題目的功能要求，查找和分析參考資料。（1天）2、畫出電路原理圖，分析電路原理圖和列出元器件表。（2天）3、購(gòu)買元器件（1天）4、安裝電路（2天）5、電路調(diào)試（5天）6、撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書（3天）7、準(zhǔn)備答辯（1天）8、答辯（1天）。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) 年 月 日目錄第1章 緒論11.1 選題目的11.2 設(shè)計(jì)要求11.2.1 設(shè)計(jì)題目和技術(shù)指標(biāo)11.2.2 設(shè)計(jì)功能1第2章 電路結(jié)構(gòu)及工作原理22.1電路方框圖22.2時(shí)鐘發(fā)生電路圖22.3彩燈控制電路32.4彩燈顯示電路5第3章 整機(jī)工作原理73.1 整機(jī)原理圖73.2 整機(jī)電路原理7第4章 電路的組裝與調(diào)試94.1 電路的檢查94.2 電路的調(diào)試94.2.1 在調(diào)試中遇到的困難9結(jié)論11收獲和體會(huì)12致謝13參考文獻(xiàn)14附錄115哈爾濱華德學(xué)院課程設(shè)計(jì)用紙第1章 緒論1.1 選題目的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，是電子線路教學(xué)環(huán)節(jié)的繼續(xù)、深化、補(bǔ)充和檢驗(yàn)，是教學(xué)計(jì)劃中綜合性很強(qiáng)的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。 1.了解并掌握數(shù)字電子技術(shù)課程所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。2.通過(guò)對(duì)理論知識(shí)的掌握，學(xué)會(huì)用其進(jìn)行基本的電路設(shè)計(jì)。3.熟悉常用集成數(shù)字芯片，并掌握其結(jié)構(gòu)組成、工作原理及邏輯功能，進(jìn)一步學(xué)會(huì)使用其進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。4.了解并熟悉數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計(jì)的基本思想和方法、原理。5.培養(yǎng)學(xué)生在遇到難題時(shí)，會(huì)用科學(xué)分析和解決問(wèn)題的方法。 6.培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作作風(fēng)和實(shí)事求是的工作態(tài)度。1.2 設(shè)計(jì)要求1.2.1 設(shè)計(jì)題目和技術(shù)指標(biāo)題目名稱：彩燈控制器的控制設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：1.順序產(chǎn)生：紅、綠、紅+綠=黃、藍(lán)、紅+藍(lán)=紫、綠+藍(lán)=青、紅+綠+藍(lán)=白； 2.燈光換時(shí)間可調(diào)，范圍在0.110s。1.2.2 設(shè)計(jì)功能本次的的課程設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)利用CD4011與CD4518實(shí)現(xiàn)使在紅、綠及藍(lán)“三基色”燈情況下，順序產(chǎn)生7種色光。第2章 電路結(jié)構(gòu)及工作原理2.1電路方框圖通過(guò)查閱大量資料，最終確定方案，其方案電路方框圖如圖2-1所示。圖2-1電路方框圖該方案主要由時(shí)鐘信號(hào)CP發(fā)生電路、彩燈花樣控制電路以及彩燈演示電路組成具體工作方式如下。 2.2時(shí)鐘發(fā)生電路圖時(shí)鐘發(fā)生電路主要由555及外圍電阻、電容構(gòu)成。其時(shí)鐘發(fā)生電路如圖2-2所示。圖2-2時(shí)鐘發(fā)生電路 555集成電路在這里除了作定時(shí)延時(shí)控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計(jì)量檢測(cè)。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn) 和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號(hào)源、電源變換、頻率變換、脈沖 調(diào)制等。555引腳圖如圖2-3示。 圖2-3 555引腳圖555引腳圖介紹如下1地 GND、2觸發(fā)、3輸出、4復(fù)位、5控制電壓、6門限(閾值）、7放電、8電源電壓Vcc。 由于555芯片工作可靠、使用方便、價(jià)格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中，555集成電路內(nèi)部有幾十個(gè)元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等VDD通過(guò)R1和R2對(duì)電容C充電，當(dāng)Uc1/3VDD時(shí)，振蕩器輸出Vo=1，放電管截止。當(dāng)Uc充電到2/3VDD后，振蕩器輸出Vo翻轉(zhuǎn)成0，此時(shí)放電管導(dǎo)通，使放電端(DIS)接地，電容C通過(guò)R2對(duì)地放電，使Uc下降。當(dāng)Uc下降到1/3VDD后，振蕩器輸出Vo又翻轉(zhuǎn)成 1，此時(shí)放電管又截止，使放電端(DIS)不接地，電源VDD通過(guò)R1和R2又對(duì)電容C充電，又使Uc從1/3VDD上升到2/3VDD,觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，從而在輸出端Vo得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。脈沖度TL0.7R2C，由電容C放電時(shí)間決定；TH=0.7(R1+R2)C，由電容C充電時(shí)間決定，脈沖周期TTH+TL2.3彩燈控制電路 彩燈控制電路主要由CD4518芯片組成CD4518是一個(gè)雙BCD同步加計(jì)數(shù)器，由兩個(gè)相同的同步4級(jí)計(jì)數(shù)器組成。其引腳圖如圖2-4所示。圖2-4 CD4518引腳圖CD4518引腳功能管腳功能如下：1CP、2CP：時(shí)鐘輸入端。1CR、2CR：清除端。1EN、2EN：計(jì)數(shù)允許控制端。1Q01Q3：計(jì)數(shù)器輸出端。2Q02Q3：計(jì)數(shù)器輸出端。Vdd：正電源。Vss：地。CD4518引腳圖CD4518是一個(gè)同步加計(jì)數(shù)器，在一個(gè)封裝中含有兩個(gè)可互換二/十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其功能引腳分別為17和915.該CD4518計(jì)數(shù)器是單路系列脈沖輸入（1腳或2腳；9腳或10腳），4路BCD碼信號(hào)輸出（3腳6腳；11腳14腳）。CD4518控制功能：CD4518有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端CP和EN,若用時(shí)鐘上升沿觸發(fā)，信號(hào)由CP輸入,此時(shí)EN端為高電平（1）,若用時(shí)鐘下降沿觸發(fā),信號(hào)由EN輸入,此時(shí)CP端為低噸平（0）,同時(shí)復(fù)位端Cr也保持低電平（0）,只有滿足了這些條件時(shí),電路才會(huì)處于計(jì)數(shù)狀態(tài).否則沒(méi)辦法工作。 將數(shù)片CD4518串行級(jí)聯(lián)時(shí)，盡管每片CD4518屬并行計(jì)數(shù)，但就整體而言已變成串行計(jì)數(shù)了。需要指出，CD4518未設(shè)置進(jìn)位端，但可利用Q4做輸出端。有人誤將第一級(jí)的Q4端接到第二級(jí)的CP端，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)變成“逢八進(jìn)一”了。原因在于Q4是在CP8作用下產(chǎn)生正跳變的，其上升沿不能作進(jìn)位脈沖，只有其下降沿才是“逢十進(jìn)一”的進(jìn)位信號(hào)。正確接法應(yīng)是將低位的Q4端接高位的EN端，高位計(jì)數(shù)器的CP端接USS，其CD4518在本電路中的真值表如表2-1所示。表2-1CD4518真值表 CP Q1 Q2 Q3 Q4 C 0 0 0 0 C 1 0 0 0 C 0 1 0 0 C 1 1 0 0 C 0 0 1 0 C 1 0 1 0 C 0 1 1 0 C 1 1 1 02.4彩燈顯示電路彩燈顯示電路主要由紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色的LED二極管組成。根據(jù)邏輯電路所產(chǎn)生的邏輯功能顯示不同的閃爍效果。發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體組件。初時(shí)多用作為指示燈、顯示發(fā)光二極管板等；隨著白光LED的出現(xiàn)，也被用作照明。具體電路符號(hào)如圖2-5所示。 圖2-5 LED二極管發(fā)光二極管(LightEmittingDiode,LED)，是一種半導(dǎo)體組件。初時(shí)多用作為指示、顯示板等；隨著白光LED的出現(xiàn)，也被用作照明。它被譽(yù)為21世紀(jì)的新型光源，具有效率高，壽命長(zhǎng)，不易破損等傳統(tǒng)光源無(wú)法與之比較的優(yōu)點(diǎn)。加正向電壓時(shí)，發(fā)光二極管能發(fā)出單色、不連續(xù)的光，這是電致發(fā)光效應(yīng)的一種。改變所采用的半導(dǎo)體材料的化學(xué)組成成分，可使發(fā)光二極管發(fā)出在近紫外線、可見光或紅外線的光。1955年，美國(guó)無(wú)線電公司（RadioCorporationofAmerica）的魯賓布朗石泰（RubinBraunstein）（1922年生）首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵(GaAs)及其它半導(dǎo)體合金的紅外放射作用。1962年，通用電氣公司的尼克何倫亞克（NickHolonyakJr.）（1928年生）開發(fā)出第一種實(shí)際應(yīng)用的可見光發(fā)光二極管。對(duì)于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍(lán)光（p=465nm，Wd=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光射，峰值550nm。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光。對(duì)于InGaN/YAG白色LED，通過(guò)改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。這種通過(guò)藍(lán)光LED得到白光的方法，構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低廉、技術(shù)成熟度高，因此運(yùn)用最多。第3章 整機(jī)工作原理3.1 整機(jī)原理圖彩燈控制電路從電路結(jié)構(gòu)上講主要有三大部分組成：（1）時(shí)鐘發(fā)生電路、（2）彩燈控制電路、（3）彩燈顯示電路，其整體電路原理圖如圖3-1所示。圖3-1 整機(jī)電路原理圖3.2 整機(jī)電路原理電路接通電源后由555電路所產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖去控制同步計(jì)數(shù)器CD4518、使其輸出不同的邏輯功能、555集成電路內(nèi)部有幾十個(gè)元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等VDD通過(guò)R1和R2對(duì)電容C充電，當(dāng)Uc1/3VDD時(shí)，振蕩器輸出Vo=1，放電管截止。當(dāng)Uc充電到2/3VDD后，振蕩器輸出Vo翻轉(zhuǎn)成0，此時(shí)放電管導(dǎo)通，使放電端(DIS)接地，電容C通過(guò)R2對(duì)地放電，使Uc下降。當(dāng)Uc下降到1/3VDD后，振蕩器輸出Vo又翻轉(zhuǎn)成 1，此時(shí)放電管又截止，使放電端(DIS)不接地，電源VDD通過(guò)R1和R2又對(duì)電容C充電，又使Uc從1/3VDD上升到2/3VDD,觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，從而在輸出端Vo得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。脈沖度TL0.7R2C，由電容C放電時(shí)間決定；TH=0.7(R1+R2)C，由電容C充電時(shí)間決定，脈沖周期TTH+TL。每來(lái)一次CP ，CD4518就記一次數(shù)、所以輸出不同的邏輯功能、從(0000/1111)一共16種邏輯功能、而我們只用了其中的八個(gè)邏輯功能、利用這八種邏輯功能去控制三種不同的LED彩燈顯示出來(lái) 第4章 電路的組裝與調(diào)試4.1 電路的檢查將元件擺放在電路板后進(jìn)行焊接、在焊接完畢后、用眼睛觀看各處的焊接情況、是否有漏焊、焊錯(cuò)的引腳。然后用萬(wàn)用表測(cè)試各芯片電源引腳是否連接在電源的引出線處、然后測(cè)試負(fù)極是否也一樣連接在地、用萬(wàn)用表的歐姆檔測(cè)試連接處的導(dǎo)通情況、以及測(cè)試led彩燈的正負(fù)極如果都正常、通電后三個(gè)led彩燈會(huì)亮、證明電路正常、至此電路檢查完畢。4.2 電路的調(diào)試首先用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試各焊接點(diǎn)處的連接情況、都OK后、電路通電、用萬(wàn)用表的電壓檔分別測(cè)試555芯片的8腳、CD4518的16腳、看是否有電壓、如果有證明芯片沒(méi)有損壞、然后用數(shù)字示波器測(cè)試555芯片的3腳、看是否有方波、方波的頻率可以通過(guò)改變555芯片外圍的電容的大小而改變、然后用示波器觀看cd4518的輸出引腳、如果觀看到示波器上有變化的高低電平、那么電路的調(diào)試到此結(jié)束。4.2.1 在調(diào)試中遇到的困難在調(diào)試過(guò)程中、我們發(fā)現(xiàn)555電路的3腳在示波器上沒(méi)有顯示、以及彩燈只是亮、沒(méi)有按預(yù)先的設(shè)計(jì)而改變、經(jīng)過(guò)大量的修改和不斷的改變電路、終于在示波器看到了方波、但是它的頻率是不可改變的、這也就意味著彩燈的閃爍的情況是固定而不可改變的、所以這可方案仍然不可行、于是我們?nèi)齻€(gè)人又開始上網(wǎng)、翻書籍搜集有關(guān)555電路輸出頻率可調(diào)的電路、最終是上天不負(fù)有心人、我們的555輸出可調(diào)電路終于成功、然而問(wèn)題又來(lái)了、彩燈仍然只是亂閃爍、沒(méi)有按照技術(shù)指標(biāo)執(zhí)行、所以我們又開始查看有關(guān)CD4518芯片的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)、最終發(fā)現(xiàn)了CD4518輸出的變化規(guī)律、問(wèn)題總是接踵而至、彩燈閃爍正常后、在改變頻率時(shí)發(fā)現(xiàn)彩燈的閃爍變化規(guī)律沒(méi)什么大的變化。理論上是可行的、而實(shí)際卻不起作用、我們又陷于了困境經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和向老師請(qǐng)教、我們發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題的所在、滑動(dòng)變阻器在使壞、是它的不穩(wěn)定以及小的改變帶來(lái)了副作用、只要發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題就有解決的辦法、于是我們把滑阻去掉用別元器件代替、這樣就解決了問(wèn)題的所在。結(jié)論本次課程設(shè)計(jì)是按照系統(tǒng)原型，確定實(shí)驗(yàn)要求，然后綜合出系統(tǒng)框圖，我與同組人員經(jīng)過(guò)將近兩周的努力，終于完成的小學(xué)期的彩燈控制課程設(shè)計(jì)，過(guò)程雖是辛苦的，但從中我卻學(xué)到了很多東西。首先鞏固了課上學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，接下來(lái)焊接的過(guò)程中遇到的問(wèn)題有，電解電容正負(fù)接反，開關(guān)使用方法不正確焊接虛焊等等，經(jīng)過(guò)與同組人員討論，向其他人請(qǐng)教和老師的指導(dǎo)才焊接成功。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程最大的收獲就是意識(shí)到理論知識(shí)扎實(shí)的重要性，實(shí)踐是建立在理論之上的，平時(shí)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)的好的同學(xué)做起來(lái)就是嫻熟。每個(gè)人都有他的特長(zhǎng)一個(gè)人難免有疏漏，只有大家共同努力才能順利的完成任務(wù)。我們明白了只要我們努力，沒(méi)有克服不了的困難。 致謝為期三個(gè)星期的電子線路課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束。經(jīng)過(guò)大家不斷的努力以及單老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助下，成功的完成了課設(shè)，在此，謝謝各位幫助我的老師。這次課設(shè)論文設(shè)計(jì)我得到了很多老師和同學(xué)的幫助，其中我的論文指導(dǎo)老師單老師對(duì)我的關(guān)心和支持尤為重要。每次遇到難題，我最先做的就是向單老師尋求幫助，大家聚一起商量解決的辦法。這三個(gè)星期以來(lái)單老師給我以精心指導(dǎo)，在此謹(jǐn)向單老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意!感謝在整個(gè)課程設(shè)計(jì)期間和我密切合作的同學(xué)，和曾經(jīng)在各個(gè)方面給予過(guò)我?guī)椭幕锇閭?，在此，我再一次真誠(chéng)地向幫助過(guò)我的老師和同學(xué)表示感謝！ 感謝培養(yǎng)教育我的學(xué)校，文正的濃厚的學(xué)術(shù)氛圍，舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境我將終生難忘！祝母校蒸蒸日上，永創(chuàng)輝煌！感謝對(duì)我傾囊賜教、鞭策鼓勵(lì)的系諸位師長(zhǎng)，諸位恩師的諄諄訓(xùn)誨我將銘記在心。祝恩師們身體健康，家庭幸福！ 最后，向所有參加評(píng)閱論文的老師們表示誠(chéng)摯的謝意！謝謝！參考文獻(xiàn)1 高仁璟，孫鵬，陳景.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)M.大連：大