數(shù)電課程設(shè)計(jì)-四花樣彩燈控制器

1、 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)名稱： 數(shù)字電路課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目： 四花樣彩燈控制器 學(xué) 院 名 稱： 信息工程學(xué)院 專業(yè)： 通信工程 班級(jí)： 110422 學(xué)號(hào)： 11042215 姓名： 陳粵龍 評(píng)分： 教師： 20 13 年 9 月 23 日 數(shù)字電路 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)20 12 20 13 學(xué)年 第 1 學(xué)期第 19 周 20周 題目四花樣彩燈控制內(nèi)容及要求(1) 彩燈一亮一滅,從左向右移動(dòng)(2) 彩燈兩亮兩滅，從左向右移動(dòng)(3) 四亮四滅，從左向右移動(dòng)(4) 從18從左到右逐次點(diǎn)亮，然后逐次熄滅(5) 四種花樣自動(dòng)變換。進(jìn)度安排1. 布置任務(wù)、查閱資料、選擇方案、領(lǐng)儀器設(shè)備：2

2、天2. 仿真、畫(huà)PCB線路圖：2天3. 領(lǐng)元器件、制作、焊接：3天4. 調(diào)試：2天5. 驗(yàn)收：1天6. 提交報(bào)告：2013-2014學(xué)年第一學(xué)期 2-3周 學(xué)生姓名：陳粵龍指導(dǎo)時(shí)間:2周指導(dǎo)地點(diǎn)： E610 任務(wù)下達(dá)2013年 9月 22日任務(wù)完成2013 年 9 月 25日考核方式1.評(píng)閱 2.答辯 3.實(shí)際操作 4.其它指導(dǎo)教師系（部）主任注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長(zhǎng)一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、“學(xué)生成績(jī)單”一并交院教務(wù)存檔。 摘 要彩燈控制器在我門(mén)日常生活中有重要的運(yùn)用，

3、如廣告牌的設(shè)計(jì)和節(jié)日彩燈的設(shè)計(jì)都能運(yùn)用到它的原理。本次設(shè)計(jì)的四花樣彩燈控制器是其中較簡(jiǎn)單的，但這是進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本次課程設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)一個(gè)四花樣彩燈控制器。首先要分析設(shè)計(jì)要求，從要實(shí)現(xiàn)四花樣入手推導(dǎo)出要使用的芯片?？赏ㄟ^(guò)八位右移寄存器74LS164實(shí)現(xiàn)八個(gè)彩燈的向右移動(dòng)，從它的右移輸入端輸入四種碼來(lái)實(shí)現(xiàn)它的四種花樣。根據(jù)四種花樣確定這四種碼，可通過(guò)模十六計(jì)數(shù)器74LS161的輸出端接與門(mén)74LS08和非門(mén)74LS04產(chǎn)生。要實(shí)現(xiàn)彩燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，把四種碼輸入四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153的四個(gè)輸入端，它的地址輸入端接雙D觸發(fā)器74LS74的兩個(gè)輸出端，74LS74可產(chǎn)生四種循環(huán)的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)

4、彩燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。時(shí)鐘信號(hào)由兩個(gè)555產(chǎn)生，一個(gè)產(chǎn)生周期為0.721秒的矩形脈沖控制模十六計(jì)數(shù)器74LS161和八位右移寄存器74LS164,另一個(gè)產(chǎn)生周期為14.01秒的脈沖控制雙D觸發(fā)器。當(dāng)彩燈完成一種花樣時(shí)，雙D觸發(fā)器輸出狀態(tài)改變，數(shù)據(jù)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(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)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(guān)鍵字：時(shí)鐘脈沖 分頻 自動(dòng)轉(zhuǎn)換 控制器 數(shù)據(jù)選擇器 前 言彩燈控制器有著非常廣泛的運(yùn)用，如：LED彩燈，音樂(lè)彩燈控制器，二維彩燈控制器等等，現(xiàn)簡(jiǎn)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(chǎng)

5、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(jià)以及控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，用 彩燈來(lái)裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時(shí)尚。但目前市場(chǎng)上各式樣的LED彩燈控制器大多數(shù)用全硬件電路實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)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(jù)不同場(chǎng)合、不同時(shí)間段的需要來(lái)調(diào)節(jié)亮燈時(shí)間、模式、閃爍頻率等動(dòng)態(tài) 參數(shù)。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(yīng)用于城市景觀、風(fēng)景名勝、道路橋梁、建筑輪廓、娛樂(lè)場(chǎng)所、戶外廣告、室內(nèi)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(diǎn)亮，再逐行遞減熄滅。若將

6、一定數(shù)量的彩色燈組合聯(lián)接，就能營(yíng)造出平面上色彩變化的場(chǎng)景，這比通?？刂埔粭l線上的色彩流動(dòng)更加豐富絢麗?？刂破鞑捎脭?shù)字集成塊，外圍元器件少、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只要元器件完好、裝接無(wú)誤，裝后無(wú)須調(diào)試即可一舉成功。音樂(lè)彩燈控制器是專用于卡拉ok廳 KTV包房的彩燈控制設(shè)備，其最大優(yōu)點(diǎn)是不與電視音響等設(shè)備有任何連接，本設(shè)備通過(guò)檢測(cè)包房里的環(huán)境音頻信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)控制通過(guò)彩燈的電流大?。戳涟党潭龋﹣?lái)烘托娛樂(lè)的興趣的目的，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(dòng)，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(yīng)用的是數(shù)字邏輯電路的有關(guān)知識(shí)，是進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)行復(fù)雜彩燈設(shè)計(jì)具有

7、指導(dǎo)意義。第一章 設(shè)計(jì)要求1.1 設(shè)計(jì)課題及要求（一） 題目：四花樣彩燈控制器（二） 基本要求：設(shè)計(jì)一四花樣自動(dòng)切換的彩燈控制器，要求實(shí)現(xiàn)(1) 彩燈一亮一滅,從左向右移動(dòng)；(2) 彩燈兩亮兩滅，從左向右移動(dòng)；(3) 四亮四滅，從左向右移動(dòng)；(4) 從18從左到右逐次點(diǎn)亮，然后逐次熄滅； (5) 四種花樣自動(dòng)變換。（三） 主要參考元器：NE555定時(shí)器，四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS93，雙D觸發(fā)器74LS74，四選一數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)分為幾個(gè)獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),每一個(gè)模塊完成特定的功能,再把它們

8、有機(jī)的組織起來(lái)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)完成彩燈控制器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可由四個(gè)模塊組成，它們分別是：四種碼產(chǎn)生電路、開(kāi)關(guān)電路、數(shù)據(jù)輸出、時(shí)鐘電路。設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示：分頻計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)選擇器移位寄存器多諧振蕩器多諧振蕩器多諧振蕩器開(kāi)關(guān)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(chǎn)生電路:由四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS93產(chǎn)生四種碼輸出。2.自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路：由雙D觸發(fā)器74LS74和四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153組成，雙D的兩輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端，它能產(chǎn)生兩位循環(huán)二進(jìn)制碼，每改變一種狀態(tài)，數(shù)據(jù)選擇器選擇一種碼輸出，使彩燈花樣自動(dòng)循環(huán)。3.數(shù)據(jù)輸出電路：由八位移位寄存器74LS164和

9、八個(gè)彩燈組成，選擇輸出的每一種碼輸入到寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，使碼在寄存器的八個(gè)輸出端自左向右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)彩燈的花樣。4.時(shí)鐘電路：由兩個(gè)555和電阻電容組成，構(gòu)成兩個(gè)多諧振蕩器，一個(gè)周期為0721秒，控制計(jì)數(shù)器和寄存器，另一個(gè)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(lái)的脈沖信號(hào)分為兩路：一路作為計(jì)數(shù)脈沖送到模十六計(jì)數(shù)器；另一路做為移位時(shí)鐘脈沖加到移位寄存器。調(diào)節(jié)多諧振蕩器的滑動(dòng)變阻器可以改變震蕩頻率，即改變彩燈移動(dòng)的速度，得到不同的動(dòng)態(tài)效果。多諧振蕩器、雙D觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器共同組成一個(gè)電子開(kāi)關(guān)。多諧振蕩器輸出的計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)雙D觸發(fā)器兩位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在它的兩個(gè)輸出端得到

10、00、01、10、11四種邏輯狀態(tài)。這四個(gè)狀態(tài)作為數(shù)據(jù)選擇器的四個(gè)數(shù)據(jù)通道選擇信號(hào)，對(duì)應(yīng)從模十六計(jì)數(shù)器輸送到數(shù)據(jù)選擇器的QA，QB，QC，QD四個(gè)分頻信號(hào)。其作用相當(dāng)于一個(gè)受控的一刀四位的機(jī)械轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。當(dāng)雙D觸發(fā)器輸出為“00”時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器輸出10000000序列脈沖，為八分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)花樣一；為“10” 時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器輸出11000000序列脈沖，為八分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)花樣二；為“01” 時(shí)數(shù)據(jù)選擇器輸出11110000序列脈沖，為八分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)花樣三；為“11” 時(shí)數(shù)據(jù)選擇器輸出1111111100000000序列脈沖，為十六分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)花樣四。調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電路的CP脈沖產(chǎn)生電路的電阻，可以

11、改變開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間用以選擇每種花樣出現(xiàn)時(shí)間的長(zhǎng)短。數(shù)據(jù)選擇器的輸出端接移位寄存器的輸入端，在時(shí)鐘脈沖的作用下，數(shù)據(jù)在移位寄存器的八位并行輸出端從Q0到Q7順序移動(dòng)。移動(dòng)的八位控制信號(hào)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(dòng)循環(huán)切換的流水彩燈。第三章 單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個(gè)周期性的矩形脈沖：圖3.1.1 用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩電路其震蕩周期為： =0.7*(+2*)*要用兩個(gè)555產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)鐘脈沖,一個(gè)控制74LS93組成的模十六計(jì)數(shù)器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動(dòng),其周期設(shè)為1秒左右, 電阻值和電容值可設(shè)為：

12、由公式（3-1）計(jì)算得：T=0.721S電路圖如圖3.1所示:T=0.7*(+)*+0.7*=200*10*圖3.1 時(shí)鐘電路另一個(gè)555產(chǎn)生的矩形脈沖控制彩燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,其周期設(shè)為模十六計(jì)數(shù)器的20倍,改變R1、R2的阻值即可，可設(shè)為：T=0.7*(+)*+0.7*=200*10*3.2 四種碼產(chǎn)生電路根據(jù)彩燈要實(shí)現(xiàn)的四花樣,可確定移位寄存器輸出的二進(jìn)制碼,即四種碼產(chǎn)生電路要產(chǎn)生的碼，如表3-1所示：表3-1 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(dòng)8100000002兩亮兩滅，從左向右移動(dòng)8110000003四亮四滅，從左向右移動(dòng)8111100004從18從00左到右逐次點(diǎn)亮

13、，然后逐次熄滅 161111111100000000要產(chǎn)生這四種碼，可由十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器接組合邏輯門(mén)產(chǎn)生，十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的真值表如表3-2所示序號(hào)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 1

14、1 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3-2 計(jì)數(shù)器真值表由表3-2分析得：Z1=Q3Q2Q1 Z2=Q3Q2 Z3=Q3 Z4=Q4所以四種碼產(chǎn)生電路如圖3.2所示圖 3.2 四種碼產(chǎn)生電路3.3 彩燈自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路要實(shí)現(xiàn)彩燈四花樣的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，就要使四選一數(shù)據(jù)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(zhuǎn)變，可用雙D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)

15、。雙D觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端Q1、Q2的狀態(tài)方程為：Q 1n+1 = Q2n （32）Q2n+1 Q 1n （33）設(shè)雙D觸發(fā)器的初始狀態(tài)Q1Q2 = 00，由Q1、Q2的狀態(tài)方程式（32）和式（33）可得，Q1、Q2的狀態(tài)變換順序?yàn)?0>01>11>10>00，實(shí)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(shù)據(jù)選擇器自動(dòng)選擇一種碼輸出，實(shí)現(xiàn)彩燈花樣的自動(dòng)控制。自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路如圖3.3所示：圖3.3 自動(dòng)控制電路令Q1Q2=AB，74LS153數(shù)據(jù)選擇器的功能表如表3-3所示：表3-3 數(shù)據(jù)選擇器功能表B（Q2）A（Q1）1Y0110000110Z1

16、Z3Z4Z2Z1由表3-3可知，數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端A、B循環(huán)轉(zhuǎn)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(dòng)循環(huán)改變。3.4 花樣輸出電路設(shè)計(jì)輸出電路由八位移位寄存器74LS164、八個(gè)彩燈和八個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻構(gòu)成。寄存器的數(shù)據(jù)輸入端接收開(kāi)關(guān)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(dòng)，輸出四種彩燈花樣。當(dāng)輸入移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端的碼為10000000時(shí)，清零后在移位脈沖CP的作用下，寄存器數(shù)碼移動(dòng)情況如表4-4所示：表3-4 寄存器數(shù)碼移動(dòng)情況表CPRiQAQBQCQDQEQFQGQH111000000 020010000003000100

17、00 0400 00100005000001000600000010070000000108000000001由表3-4可看出，輸入碼中的那位高電平“1” 從寄存器的輸出端QA經(jīng)八個(gè)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(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)了彩燈依次點(diǎn)亮的花樣。當(dāng)輸入另外的三種碼時(shí)，寄存器的數(shù)碼移動(dòng)原理相似。3.5 各芯片管腳圖3.5.1、由74LS93組成的模十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，芯片管腳圖如圖3.5.1所示：圖4.5.1 74LS93管腳圖3.5.2、 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153，芯片管腳圖如圖4.5.2所示：圖3.5.2 74LS153管腳圖3.5.3、 8位移位寄存器74LS1

18、64，芯片管腳圖如圖3.5.3所示圖 3.5.3 74LS164管腳圖3.5.4、NE555定時(shí)器 第四章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及測(cè)試結(jié)果分析4.1結(jié)果的調(diào)試及分析1.調(diào)試使用的主要儀器: 數(shù)字萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。2.測(cè)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(wú)問(wèn)題后，再根據(jù)彩燈的變化情況，確定可能的原因，分析是哪個(gè)功能模塊出了問(wèn)題，用數(shù)字萬(wàn)用表檢查各模塊的功能，發(fā)現(xiàn)并改正錯(cuò)誤，直到符合要求為止。3.調(diào)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(méi)有其它的花樣：原因可能是雙D觸發(fā)器74LS74不能產(chǎn)生周期性的兩位二進(jìn)制碼或

19、是555不能產(chǎn)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)?？蓳Q一片好的74LS74芯片或檢查555CP脈沖產(chǎn)生電路，看是否產(chǎn)生周期性的CP脈沖，使雙D觸發(fā)器產(chǎn)生四種循環(huán)的狀態(tài)，彩燈就能四花樣變化。（2）彩燈無(wú)規(guī)律變化：原因可能是四種碼的產(chǎn)生電路不能產(chǎn)生符合要求的四種碼，檢查模十六計(jì)數(shù)器的CP脈沖是否穩(wěn)定，看74LS161是否能計(jì)數(shù)，即QA、QB、QC、QD是否周期性的高低電平變化，前面沒(méi)問(wèn)題，再檢查與門(mén)74LS08和非門(mén)74LS04是否能實(shí)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(shù)據(jù)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(shí)間，使彩燈的一種花樣完成后并沒(méi)有進(jìn)入另一種狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入另一種狀態(tài)時(shí)上一種狀態(tài)的多余碼進(jìn)入下一個(gè)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(shù)據(jù)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(jié)論 本次所設(shè)計(jì)的是