八路彩灯控制器的设计

论文提要彩灯，又名花灯，是我国普遍流行的传统的民间的综合性的工艺品。彩灯艺术也就是灯的综合性的装饰艺术。彩灯的产生，是从人类运用火、发明灯、制造灯具等发展而来的。随着我国科学技术的发展，彩灯艺术更是花样翻新，奇招频出，传统的制灯工艺和现代科学技术紧密结合，将电子、建筑、机械、遥控、声学、光导纤维等新技术、新工艺用于彩灯的设计制作，把形、色、光、声、动相结合，思想性、知识性、趣味性、艺术性相统一的典范。现今生活中，许多户外商业广告、公益广告、节日彩灯等大多采用循环灯控制形式，它们通过巧妙构思与创作，可以做到广告、彩灯等作品色彩鲜艳，富有创意，变化形式丰富，起着宣传和美化环境的作用，营造文明亮丽氛围。本设计的彩灯能成为现实的一种，但技术上日后将会有更大的改善和提高。本设计以555定时器，模十六计数器74LS161，74LS194双向移位寄存器，发光二极管等器件实现，具有电路简洁、工作可靠，控制形式多样，使用安全方便的特点。2八路彩灯显示电路的设计摘要：本次八路彩灯电路的制作主要采用74LS194芯片接成扭环形结构的移位寄存器来实现，通过555定时电路组成多谢振荡电路。整个电路主要由移位寄存器、控制电路、脉冲发生器构成8个彩灯的循环控制，并且可以组成多种花型。关键词：控制、循环、555定时电路一、设计内容与设计要求1.设计目的⑴学会将一个实际情况抽象为逻辑电路的逻辑状态的方法。⑵掌握计数、译码、显示综合电路的设计与调试方法。⑶掌握实际输出电路不同要求的实现方法。2.设计任务八路彩示系统，该系统实现以下功能：（1）从左向右逐次亮，间隔为0.5秒。（2）从右向左逐次灭，间隔为0.5秒。（3）左四同时亮，然后右四同时亮；左四同时灭，然后右四同时灭，间隔1秒，重复四次（4）八个同时全亮，时间为1秒，然后同时全灭，时间为1秒，重复4次。3.设计要求⑴确定总体设计方案画出总方框图，确定各单元电路的功能，进行单元电路的设计，画出逻辑图。⑵选择元器件型号。⑶画出总逻辑图和装配图，并在面包板上组装电路。⑷进行电路调试，使其达到设计要求。⑸写出总结报告。4.参考器件555定时器、计数器、双向移位寄存器、显示译码管、数码显示管、发光二极管及一些门电路等。二、总体设计思路根据课程设计课题要求，要实现本系统，需要设计时钟脉冲产生电路，循环控制电路和彩灯花样输出电路。时钟脉冲产生电路由74LS161分频实现，循环控制电路由74LS161和7420实现，彩灯花样输出电路由74LS194和相关逻辑电路实现。3三、总体设计原理1.基本原理由设计要求出发可知彩灯的三个节拍可以用移位寄存器74LS194实现，通过控制S0和S1实现右移、左移和送数，通过控制CLR＇控制清零。第一节拍为1右移，第二节拍为0左移，第三节拍全亮为置数1，全灭为清零。由于程序循环一次要20秒，故需要一个20进制的计数器控制循环。第三节拍时要求1秒内全灭全亮各一次，故脉冲信号频率比先前两节拍时脉冲频率要快一倍，而且要以相同频率控制CLR’。可以用一个16进制计数器产生脉冲信号，一路送到控制20进制的计数器，一路经逻辑电路送到移位寄存器。2.设计框图图13.总逻辑电路原理图移位计数器74LS19420进制循环控制器多谐振荡器彩灯显示输出16进制分频计数器4U174163NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U274163NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2U474194NA3B4C5D6SL7QA15QB14QC13QD12SR2~CLR1S09S110CLK11U574LS04N1A1Y2A2Y3A3YGND4Y4A5Y5A6Y6AVCCU674LS09N1A1B1Y2A2B2YGND3Y3A3B4Y4A4BVCCU774LS32N1A1B1Y2A2B2YGND3Y3A3B4Y4A4BVCCVCC5VVCC5VGNDGND2X12.5VX22.5VX32.5VX42.5V12131416175GNDGNDU1074194NA3B4C5D6SL7QA15QB14QC13QD12SR2~CLR1S09S110CLK11X52.5VX62.5VX72.5VX82.5VGND11102324X92.5VX102.5V2021U374163NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK243VCC15GND25229U8A74S10D19678VCCU9LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2C110uFC210nFR11kΩR217.4kΩVCC5VGND2627GNDVCC181图2四、各单元电路设计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,其周期为:T=0.7(R1+2R2)C………………………(5-1)控制74LS161模十六计数器电阻值和电容值可设为：R1=1KΩ，R2=17.4KΩ，C=0.01μF由公式（1-1）计算得：T=0.2506S5图32.多谐振荡器用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,控制74LS161模十六计数器，74LS161A输出2倍T的脉冲信号，B输出4倍T的脉冲信号，大约为1S。图43.20进制循环控制电路6图54.具体实现：如果模N计数器的计数序列从最小0到最大数N-1，那么N是多余的，可用与非门检测N,当N出现时，与非门输出为低，用它控制清零端CLR’，将计数器清零。此处工作状态从00000~10011，检测10100（异步清零）。5.彩灯花样输出电路：⑴运用到74LS194功能表输入输出功能/CRS1S0CPSLSRD0D1D2D3Q0Q1Q2Q30×××××××××0000清零111↑××d0d1d2d3d0d1d2d3送数101↑×1××××1Q0nQ1nQ2n右移110↑0×××××Q1nQ2nQ3n0左移表1⑵通过20进制计数器的输出端的E、D信号控制移位寄存器的S0和S1及其ＣＬＲ＇端真值表7CLK时间／Ｓ节拍QEQDS0S1SRSL74LS194动作0１Ｈｚ脉冲B1第一节拍00101*右移112001023001034001045001056001067001078001081HZ脉冲B9第二节拍0101*0左移09100101101101011112010112130101131401011415010115160101表2由上表得：Ｓ０＝ＱD＇Ｓ１＝ＱE＋ＱD16２Ｈｚ脉冲A17第三节拍1011**送１清零171011181810111910112019１０１１21１０１１2220１０１１23１０１１8CLR＇＝（ＱE*A+QE＇）进一步分析可知７４ＬＳ１９４脉冲控制：ＣＬＫ＝（ＱE*A+QE＇）*ＱE+B五、实验、调试及测试结果分析1结果的调试及分析⑴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⑵测试电路的方法和技巧:先检查各芯片的电源和地是否接上，检查线路是否连好；前面的检查无问题后，再根据彩灯的变化情况，确定可能的原因，分析是哪个功能模块出了问题，用数字万用表检查各模块的功能，发现并改正错误，直到符合要求为止。2.调试中出现的故障、原因及排除方法：⑴彩灯只有一种花样变化，没有其它的花样：可能是移位计数器的S0，S1端控制出现问题，应该检查循环控制逻辑电路。还可能是20进制循环控制计数器没正常工作，检查是否正确接线，芯片是否功能完好。特别注意不能把非门的输入与输出接反了。⑵彩灯无规律变化：原因可能是20进制循环控制电路不能产生符合要求的控制码，检查模十六计数器的CP脉冲是否稳定，看74LS161是否能计数，即QA、QB、QC、QD、QE是否周期性的高低电平变化，前面没问题，再检查与非门74LS２０和非门74LS04是否能实现它们逻辑功能。⑶彩灯的四种花样都有，但一次循环结束到另一次循环开始中间有段时间彩灯不亮：原因可能是控制循环的20进制计数器没有正确接线，实际控制循环的进制大于20进制，导致有放空时间。应该检查3输入与非门是否正常工作，确保能实现20进制计数。六、总结在这段时间中自己学会了很多东西，如设计电路最重要的是思路要清晰，一旦有了自己的思路就应该有层次有条理的探索下去，只要坚持自己的观点和判断，就一定能实现，即便最后发现走进了死胡同，但是探索设想与求证的过程却是通往另一条道路必不可少的环节。在完成这次设计的过程中，我也有参考相关的设计课题，甚至还花了很长的时间去弄清楚别人的设计，以至于后来被束缚住，对自己的设计没有了头绪。学习吸收别人的长处是应该的，但是不能完全沉浸进去，要有自己的思路和观点，并且努力去实现。这就是快乐的最大源泉。在完成本次课设的过程中开始的头几天一直在纠结于用74LS194实现移位寄存器，因为9它的原理是很简单的，可是在实际连电路的过程中，一下子遇到了很大的困难，因为外界的干扰因素实在太多了，稍不注意就碰到某个导线了，结果发光二极管就不亮，于是自己得检查到底哪里出现了问题，有得费很长时间去检查管脚是否连错，导线是否松动，或者导线是否坏掉等等情况。经过这次试验，终于感觉到了理论与实际的差别有多大了，当然这个过程也是非常的考验人的，不仅仅是考察你的理论知识，动手能力，以及检查问题并解决问题的能力，更是在考验一个人的耐心，细心。在连接电路的过程中，丝毫不得马虎，必须清楚的了解每个芯片的管脚分布图，功能表。说实话，在实验过程中出现问题并不可怕，可怕的是在反复的受挫中没有革新，不能改进自己的方法和思路。因此自己应该具有创新思维。通过这次课程设计，我对电子技术中的诸多知识有了更深层次的理解，也初步学会了如何将理论知识有机地与实际结合加以运用。这次学习使我获益匪浅。附录：元器件清单：555定时器，模十六计数器74LS161，与门74LS09，与非门74LS20，非门74LS04，或门74LS32，74LS194双向移位寄存器，发光二极管等。参考文献[1]欧阳星明：数字逻辑，华中科技大学出版社，2005年3月第2版。[2]王玉龙：数字电路，高等教育出版社，2004年6月第一版。[3]阎石：数字电子技术基础，高等教育出版社，第五版