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電子課程設計 四花樣彩燈控制器電子課程設計報告題目名稱：四花樣彩燈控制器姓 名：專 業(yè)： 班級學號： 同 組 人：指導老師： 摘 要彩燈控制器在我門日常生活中有重要的運用，如廣告牌的設計和節(jié)日彩燈的設計都能運用到它的原理。本次設計的四花樣彩燈控制器是其中較簡單的，但這是進行復雜設計的基礎。本次課程設計要設計一個四花樣彩燈控制器。首先要分析設計要求，從要實現(xiàn)四花樣入手推導出要使用的芯片?？赏ㄟ^八位右移寄存器74LS164實現(xiàn)八個彩燈的向右移動，從它的右移輸入端輸入四種碼來實現(xiàn)它的四種花樣。根據四種花樣確定這四種碼，可通過模十六計數器74LS161的輸出端接與門74LS08和非門74LS04產生。要實現(xiàn)彩燈的自動轉換，把四種碼輸入四選一數據選擇器74LS153的四個輸入端，它的地址輸入端接雙D觸發(fā)器74LS74的兩個輸出端，74LS74可產生四種循環(huán)的狀態(tài)，從而實現(xiàn)彩燈的自動轉換。時鐘信號由兩個555產生，一個產生周期為0.721秒的矩形脈沖控制模十六計數器74LS161和八位右移寄存器74LS164,另一個產生周期為14.01秒的脈沖控制雙D觸發(fā)器。當彩燈完成一種花樣時，雙D觸發(fā)器輸出狀態(tài)改變，數據選擇器選擇另一種碼輸出，彩燈變?yōu)橄乱环N花樣，直到完成四種花樣再循環(huán)變化。 經實驗驗證，所設計的四花樣彩器能完成四花樣變換，每一種花樣循環(huán)兩次，四種花樣不斷循環(huán)。關鍵字：時鐘脈沖 分頻 自動轉換 控制器 數據選擇器 目 錄前言 1第一章 設計要求 21.1 設計課題及要求 2第二章 系統(tǒng)組成及工作原理 32.1 系統(tǒng)組成框圖 32.2 工作原理分析 3第三章 電路方案設計 53.1 電路圖設計 53.2 方案比較 5第四章 單元電路設計與計算 84.1 555時鐘脈沖產生電路 84.2 四種碼產生電路 94.3 彩燈自動轉換控制電路 114.4 花樣輸出電路 13 4.5 各芯片管腳圖 14第五章 實驗、調試及測試結果分析 165.1 結果的調試及分析 16結論 17參考文獻 18附錄1 花樣彩燈控制器的原理總圖 19附錄2 元器件清單 20前 言彩燈控制器有著非常廣泛的運用，如：LED彩燈，音樂彩燈控制器，二維彩燈控制器等等，現(xiàn)簡單介紹如下：隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場合可以看到彩色霓虹燈。LED彩燈由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價以及控制簡單等特點而得到了廣泛的應用，用 彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經成為一種時尚。但目前市場上各式樣的LED彩燈控制器大多數用全硬件電路實現(xiàn)，電路結構復雜、功能單一，這樣一旦制作成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據不同場合、不同時間段的需要來調節(jié)亮燈時間、模式、閃爍頻率等動態(tài) 參數。優(yōu)易LED全彩燈光控制系統(tǒng)由Color Edit編輯軟件、主控器、分控器和LED光源組成，廣泛應用于城市景觀、風景名勝、道路橋梁、建筑輪廓、娛樂場所、戶外廣告、室內裝飾等美化、亮化工程。二維彩燈控制器可控制五路彩燈逐行遞增點亮，再逐行遞減熄滅。若將一定數量的彩色燈組合聯(lián)接，就能營造出平面上色彩變化的場景，這比通?？刂埔粭l線上的色彩流動更加豐富絢麗。控制器采用數字集成塊，外圍元器件少、電路結構簡單，只要元器件完好、裝接無誤，裝后無須調試即可一舉成功。音樂彩燈控制器是專用于卡拉ok廳 KTV包房的彩燈控制設備，其最大優(yōu)點是不與電視音響等設備有任何連接，本設備通過檢測包房里的環(huán)境音頻信號強弱來控制通過彩燈的電流大?。戳涟党潭龋﹣砗嫱袏蕵返呐d趣的目的，也就是隨著聲音的大小而使彩燈閃爍，歌聲和彩燈一起跳動，從而讓唱歌人激情高漲，留連忘返。本課題研究的是四花樣彩燈控制器，應用的是數字邏輯電路的有關知識，是進行復雜設計的基礎，對進行復雜彩燈設計具有指導意義。第一章 設計要求1.1 設計課題及要求（一） 題目：四花樣彩燈控制器（二） 基本要求：設計一四花樣自動切換的彩燈控制器，要求實現(xiàn)(1) 彩燈一亮一滅,從左向右移動；(2) 彩燈兩亮兩滅，從左向右移動；(3) 四亮四滅，從左向右移動；(4) 從18從左到右逐次點亮，然后逐次熄滅； (5) 四種花樣自動變換。（三） 主要參考元器：NE555定時器，模十六計數器74LS161，雙D觸發(fā)器74LS74，與門74LS08，非門74LS04，四選一數據選擇器74LS153，八位移位寄存器74LS164。第二章 系統(tǒng)組成及工作原理2.1 系統(tǒng)組成框圖把四花樣彩燈設計分為幾個獨立的功能模塊進行設計,每一個模塊完成特定的功能,再把它們有機的組織起來構成一個系統(tǒng)完成彩燈控制器的設計。系統(tǒng)可由四個模塊組成，它們分別是：四種碼產生電路、開關電路、數據輸出、時鐘電路。設計框圖如圖2.1所示：分頻計數器數據選擇器移位寄存器多諧振蕩器多諧振蕩器多諧振蕩器開關電路輸 出圖2.1 系統(tǒng)組成框圖 各模塊的組成及功能分析1.四種碼產生電路:由模十六計數器74LS161、與門74LS08和非門74LS04組成，計數器的四個輸出端接組合邏輯門從而產生四種碼。2.自動轉換控制電路：由雙D觸發(fā)器74LS74和四選一數據選擇器74LS153組成，雙D的兩輸出端接數據選擇器的地址輸入端，它能產生兩位循環(huán)二進制碼，每改變一種狀態(tài)，數據選擇器選擇一種碼輸出，使彩燈花樣自動循環(huán)。3.數據輸出電路：由八位移位寄存器74LS164和八個彩燈組成，選擇輸出的每一種碼輸入到寄存器的數據輸入端，使碼在寄存器的八個輸出端自左向右移動，實現(xiàn)彩燈的花樣。4.時鐘電路：由兩個555和電阻電容組成，構成兩個多諧振蕩器，一個周期為0721秒，控制計數器和寄存器，另一個周期為14.01秒，控制雙D觸發(fā)器。2.2工作原理分析從多諧振蕩器出來的脈沖信號分為兩路：一路作為計數脈沖送到模十六計數器；另一路做為移位時鐘脈沖加到移位寄存器。調節(jié)多諧振蕩器的電阻可以改變震蕩頻率，即改變彩燈移動的速度，得到不同的動態(tài)效果。多諧振蕩器、雙D觸發(fā)器、數據選擇器共同組成一個電子開關。多諧振蕩器輸出的計數脈沖經雙D觸發(fā)器兩位二進制計數器，在它的兩個輸出端得到00、01、10、11四種邏輯狀態(tài)。這四個狀態(tài)作為數據選擇器的四個數據通道選擇信號，對應從模十六計數器輸送到數據選擇器的QA，QB，QC，QD四個分頻信號。其作用相當于一個受控的一刀四位的機械轉換開關。當雙D觸發(fā)器輸出為“00”時，數據選擇器輸出10000000序列脈沖，為八分頻信號，實現(xiàn)花樣一；為“10” 時，數據選擇器輸出11000000序列脈沖，為八分頻信號，實現(xiàn)花樣二；為“01” 時數據選擇器輸出11110000序列脈沖，為八分頻信號，實現(xiàn)花樣三；為“11” 時數據選擇器輸出1111111100000000序列脈沖，為十六分頻信號，實現(xiàn)花樣四。調節(jié)開關電路的CP脈沖產生電路的電阻，可以改變開關的切換時間用以選擇每種花樣出現(xiàn)時間的長短。數據選擇器的輸出端接移位寄存器的輸入端，在時鐘脈沖的作用下，數據在移位寄存器的八位并行輸出端從Q0到Q7順序移動。移動的八位控制信號直接控制發(fā)光二極管的亮滅，就出現(xiàn)了八路四花樣自動循環(huán)切換的流水彩燈。第三章 電路方案設計3.1 電路圖設計將各單元電路組織起來就得到了系統(tǒng)電路圖，如附錄1所示：本電路圖設計簡單、結構清晰，可分為四種碼產生電路、開關電路、輸出電路和時鐘電路這四個模塊。四種碼產生電路由模十六計數器和組合邏輯門構成，開關電路由雙D觸發(fā)器和數據選擇器構成，輸出電路由移位寄存器和彩燈構成，時鐘電路由兩個555構成。通過改變多諧振蕩器的電阻可改變彩燈流動的速度和各花樣持續(xù)的時間，實現(xiàn)了彩燈花樣的動態(tài)變化，增強了控制器的靈活性。3.2 方案比較比較方案1：在原方案的基礎上，用模十六計數器74LS161的輸出端的最高位QD作為雙D觸發(fā)器的時鐘，可以少用一個555定時器。計數器每計八個數，QD由低電平變?yōu)楦唠娖?，雙D觸發(fā)器的狀態(tài)改變，四選一數據選擇器74LS153選擇下一種碼輸出，彩燈變?yōu)榱硪环N花樣，以后四種花樣循環(huán)改變。如圖3.1所示:圖3.1 比較方案1電路圖比較方案的優(yōu)點是省了一個555脈沖產生電路，使電路更清晰，增強了電路的可靠性。比較方案的缺點如果按此方案連接電路，彩燈無法完成第四種花樣（依次點亮，依次熄滅），只能完成一半，依次點亮或依次熄滅，部分實現(xiàn)了設計要求，所以不采用。比較方案2：彩燈控制器電原理圖如圖3.2所示。ICl、IC2由555接成多諧振蕩器。IC3由4位2進制計數器74LS93接成16進制計數器，其4個輸出端可分別輸出對計數脈沖的2、4、8、16分頻信號。IC4是雙D觸發(fā)器74LS74，在這里接成兩位2進制加法計數器。IC5是雙4選l數據選擇器74LSl53，這里只用了它的一組4選1數據通道。IC6是3位單向移位寄存器74LSl64，它是產生移動燈光信號的核心器件。驅動電路用8只三極管組成8路射隨器作緩沖放大，去觸發(fā)作電流開關的8只雙向可控硅，以控制彩燈發(fā)光。電路的十5V電源由220V9V變壓器降壓，經D1一D4橋式整流，7805穩(wěn)壓后給控制電路供電。電路圖如圖3.2： 圖3.2 比較方案2電路圖從ICl腳出來的脈沖信號分為兩路：一路作為計數脈沖送到IC3的腳；另一路作為移位時鐘脈沖加到IC6的腳。調節(jié)RWl改變ICl的振蕩頻率，可以改變燈光的移動速度，以得到不同的動態(tài)效果。IC2、IC4、IC5共同組成了一個電子開關。IC2輸出的計數脈沖經IC4兩位二進制計數，在IC4的兩個輸出端共可得到“00”“11”4個邏輯狀態(tài)。這4個狀態(tài)作為IC5的4個數據通道選擇信號，對應從IC3輸送到IC5的QA、QB、QC、QD4個分頻信號。其作用相當于一個受控的一刀四位的機械轉換開關。當IC4輸出為“00”時，選通IC5的腳；為“01”時，選定IC5的腳。調節(jié)RW2改變IC2的輸出脈沖周期，可以改變開關的切換時間，用以選擇每種花樣出現(xiàn)時間的長短。從IC5第腳輸出的數據信號送到IC6的輸入端，在時鐘脈沖作用下，數據在IC6的8位并行輸出端從Q0一Q7順序移動。這一移動的8位控制信號經功率驅動電路去推動8路彩燈，就出現(xiàn)了8路4花樣自動循環(huán)切換的流水彩燈。很明顯，這個方案很煩瑣。會更多的出現(xiàn)不確定因數造成的錯誤。不選該方案。第四章 單元電路設計與計算4.1 時鐘脈沖產生電路用555定時器構成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個周期性的矩形脈沖,其周期為:T=0.7(R1+2R2)C(4-1)要用兩個555產生兩個時鐘脈沖,一個控制74LS161模十六計數器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動,其周期設為1秒左右, 電阻值和電容值可設為：R1=1K ，R2=51K ，C=0.01F由公式（4-1）計算得：T=0.721S電路圖如圖4.1所示:圖4.1 時鐘電路另一個555產生的矩形脈沖控制彩燈的自動轉換,其周期設為模十六計數器的20倍,改變R1、R2的阻值即可，可設為：R1=1K ，R2=1M ，C=0.01F由公式（4-1）計算得：T=14.42S4.2 四種碼產生電路根據彩燈要實現(xiàn)的四花樣,可確定移位寄存器輸出的二進制碼,即四種碼產生電路要產生的碼，如表4-1所示：表4-1 四種碼花樣狀態(tài)要求周期（位）碼1一亮一滅，從左向右移動8100000002兩亮兩滅，從左向右移動8110000003四亮四滅，從左向右移動8111100004從18從00左到右逐次點亮，然后逐次熄滅 161111111100000000要產生這四種碼，可由十六進制計數器接組合邏輯門產生，十六進制計數器的真值表如表4-2所示序號原狀態(tài)S(t)Q4 Q3 Q2 Q1次態(tài)N(t)Q4 Q3 Q2 Q1輸出Z1Z2Z3Z401234567891011121314150 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 00000000100000001100000011000000111100001111000011111111000000001表4-2 計數器真值表由表4-2分析得：Z1=Q3Q2Q1 Z2=Q3Q2 Z3=Q3 Z4=Q4所以四種碼產生電路如圖4.2所示圖 4.2 四種碼產生電路4.3 彩燈自動轉換控制電路要實現(xiàn)彩燈四花樣的自動轉換，就要使四選一數據選擇器74LS153循環(huán)地輸出Z1、Z2、Z3、Z4，也就要使它的地址輸入端輸入四種狀態(tài)并循環(huán)轉變，可用雙D觸發(fā)器實現(xiàn)。雙D觸發(fā)器的兩個輸出端Q1、Q2的狀態(tài)方程為：Q 1n+1 = Q2n （42）Q2n+1 Q 1n （43）設雙D觸發(fā)器的初始狀態(tài)Q1Q2 = 00，由Q1、Q2的狀態(tài)方程式（42）和式（43）可得，Q1、Q2的狀態(tài)變換順序為0001111000，實現(xiàn)四分頻。用雙D觸發(fā)器的輸出端Q1、Q2控制選擇器的地址輸入端，使數據選擇器自動選擇一種碼輸出，實現(xiàn)彩燈花樣的自動控制。自動轉換控制電路如圖4.3所示：圖4.3 自動控制電路令Q1Q2=AB，74LS153數據選擇器的功能表如表4-3所示：表4-3 數據選擇器功能表B（Q2）A（Q1）1Y0110000110Z1Z3Z4Z2Z1由表4-3可知，數據選擇器的地址輸入端A、B循環(huán)轉變，輸出端1Y循環(huán)選擇四種碼Z1、Z2、Z3、Z4輸出，使彩燈的四花樣自動循環(huán)改變。4.4 花樣輸出電路設計輸出電路由八位移位寄存器74LS164、八個彩燈和八個驅動電阻構成。寄存器的數據輸入端接收開關電路輸出的四種碼，這四種碼在移位寄存器的八位并行輸出端從QA向QH移動，輸出四種彩燈花樣。當輸入移位寄存器數據輸入端的碼為10000000時，清零后在移位脈沖CP的作用下，寄存器數碼移動情況如表4-4所示：表4-4 寄存器數碼移動情況表CPRiQAQBQCQDQEQFQGQH111000000 02001000000300010000 0400 00100005000001000600000010070000000108000000001由表4-4可看出，輸入碼中的那位高電平“1” 從寄存器的輸出端QA經八個移位脈沖CP作用后逐漸到了QH，使輸出端所連接的彩燈依次點亮，實現(xiàn)了彩燈依次點亮的花樣。當輸入另外的三種碼時，寄存器的數碼移動原理相似，所以就不累贅了。4.5 各芯片管腳圖1. 模十六計數器74LS161，芯片管腳圖如圖4.4（a）所示：2. 雙四選一數據選擇器74LS153，芯片管腳圖如圖4.4（b）所示：圖 4.4 74LS161和74LS153管腳圖3. 8位移位寄存器74LS164，芯片管腳圖如圖4.5所示圖 4.5 74LS164管腳圖4. NE555定時器 第五章 實驗、調試及測試結果分析5.1結果的調試及分析1.調試使用的主要儀器: 數字萬用表 直流穩(wěn)壓電源 示波器 函數信號發(fā)生器2.測試電路的方法和技巧:先檢查各芯片的電源和地是否接上，檢查線路是否連好；前面的檢查無問題后，再根據彩燈的變化情況，確定可能的原因，分析是哪個功能模塊出了問題，用數字萬用表檢查各模塊的功能，發(fā)現(xiàn)并改正錯誤，直到符合要求為止。3.調試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法：（1）彩燈只有一種花樣變化，沒有其它的花樣：原因可能是雙D觸發(fā)器74LS74不能產生周期性的兩位二進制碼或是555不能產生觸發(fā)雙D觸發(fā)器的CP脈沖，使雙D觸發(fā)器維持在一種狀態(tài)。可換一片好的74LS74芯片或檢查555CP脈沖產生電路，看是否產生周期性的CP脈沖，使雙D觸發(fā)器產生四種循環(huán)的狀態(tài)，彩燈就能四花樣變化。（2）彩燈無規(guī)律變化：原因可能是四種碼的產生電路不能產生符合要求的四種碼，檢查模十六計數器的CP脈沖是否穩(wěn)定，看74LS161是否能計數，即QA、QB、QC、QD是否周期性的高低電平變化，前面沒問題，再檢查與門74LS08和非門74LS04是否能實現(xiàn)它們邏輯功能。（3）彩燈的四種花樣都有，但中間有一些混亂的狀態(tài)：原因可能是數據選擇器輸出的兩種碼之間的間隔大于彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間，使彩燈的一種花樣完成后并沒有進入另一種狀態(tài)，當進入另一種狀態(tài)時上一種狀態(tài)的多余碼進入下一個狀態(tài)，故出現(xiàn)了混亂的狀態(tài)?？筛淖冸pD觸發(fā)器的CP脈沖，即改變多諧振蕩器的電阻，使得一種花樣完成后，數據選擇器地址輸入端狀態(tài)改變，正好選擇另一組碼輸出，彩燈花樣改變。結論 本次所設計的是花樣彩燈控制器，該控制器的設計主要結合了大二所學的低頻電子線路及脈沖與數字電路課程。課程設計這門課需要嚴謹的科學態(tài)度和完整的設計思維和方法。設計電路關鍵在于對設計要求的理解分析以