彩灯控制器实验报告

电工电子课程设计实验报告题目名称：彩灯控制器指导教师：姜霞、曹宏宇姓名：沈泽华学号：1102070220专业班级：交设0702班日期：2010-07-051前言电子技术课程设计是配合电子技术基础课程与实验教学的一个非常重要的教学环节。它是电气信息类专业学生的重要基础实践课，也是工科专业的必修课，能巩固电子技术的理论知识，提高电子电路的设计水平，加强综合分析问题和解决问题的能力，进一步培养学生的实验技能和动手能力，启发学生的创新意识及创新思维。完成本次课程设计，对进行毕业设计及毕业后从事电子技术方面的工作都有很大的帮助。近年来，由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。在设计中更多的使用中规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简捷，而且能提高电路的可靠性，降低成本。因此用集成电路来实现更多更复杂的器件功能则成为必然。现代生活中，彩灯越来越成为人们的装饰品，它不仅能美化环境，渲染气氛，还可用于娱乐场所和电子玩具中，现以该课题为例进行分析与设计可编程的彩灯控制的电路很多，构成方式和采用的集成片种类、数目更是五花八门，而且有专门的可编程循环彩灯控制电路。绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的，例如，用中规模集成电路实现的彩灯控制器主要用计数器，译码器，分配器和移位寄存器等集成。本次设计的可编程彩灯控制电路就是用寄存器、计数器和译码器等来实现，其特点是用发光二极管显示，实现可预置编程循环功能。2目录前言1一、课题设计任务及要求.3二、设计目的3三、优选设计方案4四、整体设计思想及原理框图5五、各模块设计与分析61、脉冲发生电路72、控制电路和译码电路103、存储电路124、数码管显示电路.14六、元器件清单15七、安装及调试中出现的问题和解决方法15八、设计感想17附录一、实验电路图20二、实验电路连接图.21三、参考文献213一、课题设计任务及要求课题名称：可编程彩灯控制器设计任务及要求：1、设计脉冲产生电路、图形控制电路和存储电路；2、用8×8LED点阵作为显示电路，显示内容的动面感要强。3、能用按键切换不同的显示组合，至少有3个按键切换；4、每种组合至少有3种变化，每种组合内图形能连续循环；5、要有数码管显示当前是第几种组合（或是第几个按键）；6、图形显示间隔（显示频率）至少有3种可选。控制器可有2种控制方式：（1）规则变化：变化节拍有0.5秒和0.25秒，交替出现，每种节拍可有多种花样，各执行1或2个周期后轮换；彩灯变化方向有单向移动和双向移动、跳跃移动等。（2）随机变化。变化花样相同，但节拍和花样的轮换随机出现。7、完成电路全部设计后，通过实验箱验证设计课题的正确性。二、设计目的本课程设计主要是为了实现可编程彩灯控制的功能，且通过本次电子课程设计，了解电子产品设计的一般过程，掌握电子线路设计的基础方法和一般过程，能灵活运用已学过或者类似的集成块构成电路实现上述功能，还能灵活掌握555电路的应用方法。能用仿真软件对电子线路进行仿真设计，还能用Portel等软件绘制PCB图，掌握了电子电路调试的方法，且能独立解决设计与调试过程中出现的一般问题，并进一步掌握EEPROM的编程方法和应用。4三、优选设计方案方案A：根据设计要求，本系统由控制电路，编码发生电路和输出驱动电路等组成。其彩灯控制器的总体设计思想如下：1.编码发生器编码发生器根据花形要求，按节拍送出64位状态编码信号，以控制彩灯按规律亮或灭。因为彩灯路数少，花形要求不多，可选用移位寄存器输出64路数字信号，控制彩灯发光。编码发生器采用16片4位通用移位寄存器74LS194来实现。74LS194具有异步清除和同步预置、左移、右移和保持等多种功能，控制方便灵活。64路彩灯采用两片74LS194组成64位移位寄存器，花形设计比较灵活。移位寄存器的64个输出信号通过驱动电路控制电路来控制彩灯，编码器中数据输入端和控制端的接法由花形决定。根据选择的花形，可列出移位寄存器（编码发生器）输出状态。2.控制电路控制电路为编码器提供所需的节拍脉冲和驱动信号，控制整个系统工作。控制电路的功能有两个：一是按需要产生节拍脉冲；二是产生移位寄存器所需要的各种驱动信号。控制电路设计通常按照下述步骤进行：逐一分析单一花形运行，移位寄存器的工作方式和驱动要求，按照工作状态决定74LS194移位寄存器工作的状态顺序，同时是分析移位寄存器工作方式和驱动要求的依据。方案B：采用555定时器输出脉冲，高频通过计数器控制电路和译码电路，不断刷新5显示矩阵的各列；而低频产生脉冲，决定显示哪一幅画面。由于需要产生64幅以上的图形，可以设计一个64进制的计数器，即可显示64幅图，此低频接在EEPROM的高位，而高频计数器控制电路的输出接在EEPROM的低三位。即高位决定显示哪幅画，低位表示每幅图形的每列的显示。显然，方案B比较合理而且能实现课程设计的要求，采用方案B来进行课程设计。四、整体设计思想及原理框图本系统可设计为四个模块：1.脉冲发生电路采用两个555定时器组成振荡器，一个产生高频和一个产生可调低频。高频通过计数器控制电路和译码电路，不断刷新显示矩阵的各列；而低频产生脉冲，决定显示哪一幅画面。2.图形控制电路用74LS161芯片设计一个64进制的计数器，以显示64幅图，其中低片计数器构成16进制，高片计数器构成4进制，并且将低频通过计数控制电路接在EEPROM的高位，从而选择显示哪一幅画。而高频通过计数器控制电路接在EEPROM的低三位，不断刷新显示矩阵的各列，用以控制图形的显示。由于显示矩阵是由64个发光二极管组成，把译码器输出接在显示矩阵的阴级进行行控制，EEPROM接在显示矩阵的阳极进行列控制，只有同时导通时，二极管才亮。译码电路是低电平有效，每次只有一个输出有效，所以需要快速进新刷新，故将高频通过计数器控制电路接在译码电路的输入端。63.数码管显示电路当前8X8显示矩阵显示的是哪一幅画，可以通过2个数码管显示出来。其中第一个数码管显示该画面所在的组别，另一个显示该幅画为这个组别的第几幅画。由于上面设计为16X4的64进制计数器控制显示画面。故可以设计四种组合，每一个组合为16副画。4.存储电路显示什么样的图形就决定于EEPROM的编程，而最终显示在显示矩阵上。此外，暂停功能：控制低频计数器低位的EP和ET端实现。手动选画功能：当低频计数器的PE端为高电平时，图形自动连续循环；当PE端为低电平时，计数器处于置数功能，可通过选画开关选择需要显示的图画，其中高片计数通过置数选择画面组别，底片计数器通过指数选择此组合内的某一幅画。清零功能：控制低频计数器的清零端R，当R=0时，计数器实现清零功能。原理框图如下：五、各模块设计与分析根据设计要求，本系统由脉冲发生电路、控制电路、译码驱动电路、存储矩阵和显示电路等几部分构成可编程彩灯控制电路。A.脉冲发生电路列控制行控制低位高位脉冲发生电路（高频）计数控制电路译码驱动电路计数控制电路脉冲发生电路（低频）存储单元显示矩阵71、555定时器的组成和功能⑴．内部组成框图：它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5KΩ电阻的分压器而构成。（如下图所示）⑵．引脚图及其功能1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。3脚：输出端Vo2脚：TL低触发端6脚：TH高触发端Vcc123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Jun-2005SheetofFile:E:\指导书\电子技术指导书\数字电路.ddbDrawnBy:5K5K5K+-TQ&&Q+-AASRV1V21DQVTHTLVRCCVSS1284563712CDVo’VcoDRTHTLV。GND84脚：DR是直接清零端。当DR端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TL、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：Vco为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源Vcc，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路Vcc的范围为3~18V。一般用5V。⑶．功能介绍：在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为2/3V，1/3V的情况下，555时基电路的功能表如下表所示。清零端DR高触发端TH低触发端TLQn+1放电管T功能00导通直接清零1CCV32CCV310导通置01CCV32CCV311截止置11CCV32CCV31Qn不变保持⑷．555定时器构成的多谐振荡器工作原理接通电源后，假定V0是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是VCC—R1—R2—C—地，VC按指数规律上升，当VC上升到2/3VCC时（TH、TL端电平大于2/3VCC），输出V0翻转为低电平。V0是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，VC按指数规律下降，当VC下降到1/3VCC时（TH、TL端电平小于1/3VCC），V0输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得：92121PHR2RRRTtD输出高电平时间C)RR(7.0t21PH输出低电平时间CR7.0t2PL振荡周期C)R2R(7.0ttT21PLPH输出方波的占空比2、本模块工作原理介绍脉冲发生电路主要用来产生时间基准信号（脉冲信号）。因为可编程循环彩灯对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。本系统采用两片555定时器分别构成高频脉冲发生器和低频脉冲发生器。高频脉冲发生器是用555构成多谐振荡器。由于人眼每秒可分辨出24幅图，而高频计数器采用8进制，作为刷新频率的脉冲，此高频刷新电路输出脉冲的频率应大于24*8=192Hz，这样便可以显示整幅的画面。低频脉冲发生器用于提供计数电路的脉冲，它能决定画面显示的速率。速率的调节可通过调节滑动电阻（0～1M）来实现。高频脉冲发生低频脉冲发生器R1=100KR1=750KR1’=0~1MR2=100KR0=R2=1KC1=C2=0.01UfC1=10UfC2=0.01Uff=476Hzf=0.18~0.33Hz10B.控制电路和译码电路1.74LS138功能介绍74LS138是一种常见的3线8线译码器，它的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平1，则芯片处于不工作状态；要么只有一个为低电平0，其余7个输出引脚全为高电平1；如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。其功能表如下：当附加控制门的输出为高电平（S＝1）时，可由逻辑图写出由上式可以看出，输出是这三个输入变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小项译码器。74LS138的管脚图如右：112.74LS161功能介绍74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能。⑴74LS161引脚图管脚图CP：时钟P0~P3：四个数据输入端R：清零端EP，ET：使能端PE：同步置数端Q0~Q3：数据输出端TC：进位输出(TC=Q0·Q1·Q2·Q3·ET)⑵74LS161功能表74LS161真值表从74LS161真值表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、当R=0时，Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能；当R=1且PE=0时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端P3，P2，P1，P0的状态一样，为同步置数功能。而只有当R=PE=EP=ET=1、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位ETEP74LS16112输出端TC，其逻辑关系是TC=Q0·Q