数电课程设计-四花样彩灯控制器

课程设计说明书课程设计名称：数字电路课程设计课程设计题目：四花样彩灯控制器学院名称：信息工程学院专业：通信工程班级：110422学号：11042215姓名：陈粤龙评分：教师：2013年9月23日数字电路课程设计任务书2012－2013学年第1学期第19周－20周注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。题目四花样彩灯控制内容及要求(1)彩灯一亮一灭,从左向右移动(2)彩灯两亮两灭，从左向右移动(3)四亮四灭，从左向右移动(4)从1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭(5)四种花样自动变换。进度安排1.布置任务、查阅资料、选择方案、领仪器设备：2天2.仿真、画PCB线路图：2天3.领元器件、制作、焊接：3天4.调试：2天5.验收：1天6.提交报告：2013-2014学年第一学期2-3周学生姓名：陈粤龙指导时间:2周指导地点：E610任务下达2013年9月22日任务完成2013年9月25日考核方式1.评阅□2.答辩□3.实际操作□4.其它□指导教师系（部）主任摘要彩灯控制器在我门日常生活中有重要的运用，如广告牌的设计和节日彩灯的设计都能运用到它的原理。本次设计的四花样彩灯控制器是其中较简单的，但这是进行复杂设计的基础。本次课程设计要设计一个四花样彩灯控制器。首先要分析设计要求，从要实现四花样入手推导出要使用的芯片。可通过八位右移寄存器74LS164实现八个彩灯的向右移动，从它的右移输入端输入四种码来实现它的四种花样。根据四种花样确定这四种码，可通过模十六计数器74LS161的输出端接与门74LS08和非门74LS04产生。要实现彩灯的自动转换，把四种码输入四选一数据选择器74LS153的四个输入端，它的地址输入端接双D触发器74LS74的两个输出端，74LS74可产生四种循环的状态，从而实现彩灯的自动转换。时钟信号由两个555产生，一个产生周期为0.721秒的矩形脉冲控制模十六计数器74LS161和八位右移寄存器74LS164,另一个产生周期为14.01秒的脉冲控制双D触发器。当彩灯完成一种花样时，双D触发器输出状态改变，数据选择器选择另一种码输出，彩灯变为下一种花样，直到完成四种花样再循环变化。经实验验证，所设计的四花样彩器能完成四花样变换，每一种花样循环两次，四种花样不断循环。关键字：时钟脉冲分频自动转换控制器数据选择器前言彩灯控制器有着非常广泛的运用，如：LED彩灯，音乐彩灯控制器，二维彩灯控制器等等，现简单介绍如下：随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。优易LED全彩灯光控制系统由ColorEdit编辑软件、主控器、分控器和LED光源组成，广泛应用于城市景观、风景名胜、道路桥梁、建筑轮廓、娱乐场所、户外广告、室内装饰等美化、亮化工程。二维彩灯控制器可控制五路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭。若将一定数量的彩色灯组合联接，就能营造出平面上色彩变化的场景，这比通常控制一条线上的色彩流动更加丰富绚丽。控制器采用数字集成块，外围元器件少、电路结构简单，只要元器件完好、装接无误，装后无须调试即可一举成功。音乐彩灯控制器是专用于卡拉ok厅KTV包房的彩灯控制设备，其最大优点是不与电视音响等设备有任何连接，本设备通过检测包房里的环境音频信号强弱来控制通过彩灯的电流大小（即亮暗程度）来烘托娱乐的兴趣的目的，也就是随着声音的大小而使彩灯闪烁，歌声和彩灯一起跳动，从而让唱歌人激情高涨，留连忘返。本课题研究的是四花样彩灯控制器，应用的是数字逻辑电路的有关知识，是进行复杂设计的基础，对进行复杂彩灯设计具有指导意义。第一章设计要求1.1设计课题及要求（一）题目：四花样彩灯控制器（二）基本要求：设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现(1)彩灯一亮一灭,从左向右移动；(2)彩灯两亮两灭，从左向右移动；(3)四亮四灭，从左向右移动；(4)从1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭；(5)四种花样自动变换。（三）主要参考元器：NE555定时器，四位二进制计数器74LS93，双D触发器74LS74，四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164。第二章系统组成及工作原理2.1系统组成框图把四花样彩灯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。系统可由四个模块组成，它们分别是：四种码产生电路、开关电路、数据输出、时钟电路。设计框图如图2.1所示：各模块的组成及功能分析1.四种码产生电路:由四位二进制计数器74LS93产生四种码输出。2.自动转换控制电路：由双D触发器74LS74和四选一数据选择器74LS153组成，双D的两输出端接数据选择器的地址输入端，它能产生两位循环二进制码，每改变一种状态，数据选择器选择一种码输出，使彩灯花样自动循环。3.数据输出电路：由八位移位寄存器74LS164和八个彩灯组成，选择输出的每一种码输入到寄存器的数据输入端，使码在寄存器的八个输出端自左向右移动，实现彩灯的花样。4.时钟电路：由两个555和电阻电容组成，构成两个多谐振荡器，一个周期分频计数器数据选择器移位寄存器多谐振荡器多谐振荡器多谐振荡器开关电路输出图2.1系统组成框图为0．721秒，控制计数器和寄存器，另一个周期为14.01秒，控制双D触发器。2.2工作原理分析从多谐振荡器出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送到模十六计数器；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器。调节多谐振荡器的滑动变阻器可以改变震荡频率，即改变彩灯移动的速度，得到不同的动态效果。多谐振荡器、双D触发器、数据选择器共同组成一个电子开关。多谐振荡器输出的计数脉冲经双D触发器两位二进制计数器，在它的两个输出端得到00、01、10、11四种逻辑状态。这四个状态作为数据选择器的四个数据通道选择信号，对应从模十六计数器输送到数据选择器的QA，QB，QC，QD四个分频信号。其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。当双D触发器输出为“00”时，数据选择器输出10000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样一；为“10”时，数据选择器输出11000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样二；为“01”时数据选择器输出11110000序列脉冲，为八分频信号，实现花样三；为“11”时数据选择器输出1111111100000000序列脉冲，为十六分频信号，实现花样四。调节开关电路的CP脉冲产生电路的电阻，可以改变开关的切换时间用以选择每种花样出现时间的长短。数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端，在时钟脉冲的作用下，数据在移位寄存器的八位并行输出端从Q0到Q7顺序移动。移动的八位控制信号直接控制发光二极管的亮灭，就出现了八路四花样自动循环切换的流水彩灯。第三章单元电路设计与计算3.1时钟脉冲产生电路用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲：图3.1.1用555定时器构成多谐振荡电路其震荡周期为：T=0.7*(1R+2*2R)*1C要用两个555产生两个时钟脉冲,一个控制74LS93组成的模十六计数器和八位移位寄存器,要能看到彩灯的流动,其周期设为1秒左右,电阻值和电容值可设为：由公式（3-1）计算得：T=0.721S电路图如图3.1所示:T=0.7*(11R+滑总R)*8C+0.7*滑R*8C=200*310*10*10图3.1时钟电路另一个555产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换,其周期设为模十六计数器的20倍,改变R1、R2的阻值即可，可设为：T=0.7*(11R+滑总R)*8C+0.7*滑R*8C=200*310*10*103.2四种码产生电路根据彩灯要实现的四花样,可确定移位寄存器输出的二进制码,即四种码产生电路要产生的码，如表3-1所示：表3-1四种码花样状态要求周期（位）码1一亮一灭，从左向右移动8100000002两亮两灭，从左向右移动8110000003四亮四灭，从左向右移动8111100004从1～8从00左到右逐次点亮，然后逐次熄灭161111111100000000要产生这四种码，可由十六进制计数器接组合逻辑门产生，十六进制计数器的真值表如表3-2所示序号原状态[S(t)]Q4Q3Q2Q1次态[N(t)]Q4Q3Q2Q1输出表3-2计数器真值表由表3-2分析得：Z1=Q3Q2Q1Z2=Q3Q2Z3=Q3Z4=Q4所以四种码产生电路如图3.2所示Z1Z2Z3Z40123456789101112131415000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100000000000100000001100000011000000111100001111000011111111000000001图3.2四种码产生电路3.3彩灯自动转换控制电路要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4，也就要使它的地址输入端输入四种状态并循环转变，可用双D触发器实现。双D触发器的两个输出端Q1、Q2的状态方程为：Q1n+1=Q2n（3—2）Q2n+1＝Q1n（3—3）设双D触发器的初始状态Q1Q2=00，由Q1、Q2的状态方程式（3—2）和式（3—3）可得，Q1、Q2的状态变换顺序为00—01—11—10—00，实现四分频。用双D触发器的输出端Q1、Q2控制选择器的地址输入端，使数据选择器自动选择一种码输出，实现彩灯花样的自动控制。自动转换控制电路如图3.3所示：图3.3自动控制电路令Q1Q2=AB，74LS153数据选择器的功能表如表3-3所示：表3-3数据选择器功能表由表3-3可知，数据选择器的地址输入端A、B循环转变，输出端1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四花样自动循环改变。B（Q2）A（Q1）1Y0110000110Z1Z3Z4Z2Z13.4花样输出电路设计输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。当输入移位寄存器数据输入端的码为10000000时，清零后在移位脉冲CP的作用下，寄存器数码移动情况如表4-4所示：表3-4寄存器数码移动情况表CPRiQAQBQCQDQEQFQGQH11100000002001000000300010000040000100005000001000600000010070000000108000000001由表3-4可看出，输入码中的那位高电平“1”从寄存器的输出端QA经八个移位脉冲CP作用后逐渐到了QH，使输出端所连接的彩灯依次点亮，实现了彩灯依次点亮的花样。当输入另外的三种码时，寄存器的数码移动原理相似。3.5各芯片管脚图3.5.1、由74LS93组成的模十六进制计数器，芯片管脚图如图3.5.1所示：图4.5.174LS93管脚图3.5.2、双四选一数据选择器74LS153，芯片管脚图如图4.5.2所示：图3.5.274LS153管脚图3.5.3、8位移位寄存器74LS164，芯片管脚图如图3.5.3所示图3.5.374LS164管脚图3.5.4、NE555定时器第四章实验、调试及测试结果分析4.1结果的调试及分析1.调试使用的主要仪器:数字万用表、直流稳压电源、示波器、函数信号发生器。2.测试