多路彩灯控制器课程设计.docx
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多路彩灯控制器课程设计
多路彩灯控制器课程设计
前言........................................第2页课程设计题目................................第4页课程设计目的................................第4页任务和要求..................................第5页总体方案的选择..............................第6页单元电路的设计..............................第7页设计原理....................................第8页芯片介绍....................................第11页彩灯的布置..................................第17页各部分电路..................................第19页总电路......................................第25页信号波形....................................第25页心得体会....................................第29页参考文献....................................第30页
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前言
灯光的闪烁和流动可以用于各种各样的装饰，电子门标，广告装饰等等…流动的灯光总是特别吸引人们的眼球。
在夜晚，城市街头，一旦广告牌上的灯光流动起来，那它马上变得生动起来。
彩灯是大家比较感兴趣的话题，我今天说的这一个，它就利用大学所学到的数电知识制成，只要了解几种集成电路便可轻松明白它的原理。
做好的彩灯可以放在客厅，卧室等地方，你会感到温馨;或是歌舞厅等地方以增加氛围。
循环彩灯的电路很多，循环方式更是多种多样。
有的更是专门的可编程彩灯集成电路。
但大多数的彩灯控制电路是数字电路来实现的，用中等集成电路实现的彩灯控制主要用计数器，译码器,触发器和一些门电路等集成。
本次设计的八彩循环彩灯控制器就是用计数器、定时器、移位寄存器等门电路来实现的，其特点是用发光二极管，能发出其种不同颜色的光。
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设计八路彩灯控制器目的在于进一步熟悉逻辑电路、脉冲发生电路的的设计方法及熟悉相关数字芯片的功能和使用方法。
本设计通过LM555CM定时器、74163N计数器、74194N移位计数器等实现一个装饰四路彩灯控制器，通过这个控制器可以实现灯的不同花色。
通过这个设计可以让我们加深对电子电路的理解，方便以后课时的学习。
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课程设计题目
多路彩灯控制器
课程设计目的
1（通过课程设计，进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。
2（熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用，并掌握其工作
原理，进一步学会使用其进行电路设计。
3（了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解
决问题。
4（培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
5（课程设计是大学课程不可缺少的一部分，通过课程设计使
学生理论知识与实际相结合，同时还能增强动手实践的能
力。
6.掌握Multisim10.01进行仿真电路，并能找出电路中出现的错误，更正错误。
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任务和要求
实现彩灯控制的方法很多，如EPROM编程、RAM编程、单板机、单片机等，都可以组成大型彩灯控制系统。
因为本次实习要求设计的彩灯路数较少，且花型变换较为简单，故采用移位寄存器型彩灯控制电路。
（1）彩灯控制器设计要求
设计一个8路移存型彩灯控制器，基本要求:
1.8路彩灯能演示至少三种花型（花型自拟）;
2.彩灯用发光二极管LED模拟;
选做:
实现快慢两种节拍的变换。
（2）课程设计的总体要求
1（设计电路实现题目要求;
2（电路在功能相当的情况下设计越简单越好;
3.注意布线，要直角连接，选最短路径，不要相互交叉;
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总体方案的选择
（1）总体方案的设计
针对题目设计要求，经过分析与思考，拟定以下方案:
方案:
总体电路共分三大块。
第一块实现时钟信号的产生;第
二块实现花型控制电路;第三块实现花型演示电路。
主体框图如下:
时钟信号CP花型控制电路花型演示电
产生电路路
根据所提供的实验器材各模块总体思路如下:
时钟信号CP电路
花型控制电路:
由两片1634位二进制同步计数器和一些与非门共同完成;
花型演示电路:
由两片194双向移位寄存器完成（可左移右移完成花型变化）;
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（2）总体方案的选择
将整个设计电路的功能模块化，设计思想比较简单。
元件种类使用少，且都较熟悉易于组装电路。
这么设计的出发点是:
电路设计模块化，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试都很方便。
。
花型控制电路简单，花型也比较简单。
设计确定将电路模块化，通过仿真软件也实现了设计要求。
单元电路的设计
1.设计所使用的元件:
74LS16,N（四位二进制同步计数器）----------------2个;74LS194N（移位寄存器）-----------------------2个;7400N（与非门）-------------------------------,个;7404N（非门）---------------------------------,个;发光二极管---------------------------------------10个;LM555CM-------------------------------------1个;电容:
10uF------------------------------------1个;
10nF-------------------------------------1个;电阻:
10kΩ--------------------------------------------------1个;
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100Ω---------------------------------3个;
51kΩ-----------------------------------1个;
电源Vcc----------------------------------------3个;
接地Vss-----------------------------------------1个;
设计原理
花型演示电路
由二片移位寄存器194实现。
其八个输出信号端连接八个发光二极管，用其输出信号控制发光二级管的亮灭实现花型演示。
而花型之间的变化通过花型控制电路的输出即161级联的计数器输出和与非门共同的逻辑组合控制（它们由同一个CP脉冲控制）。
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四种花型变换样式
花型1:
8路灯分两半。
从左至右渐亮，全亮后，再分两半从左至右
渐灭。
循环两次;
花型2:
从两边到中间对称地逐次渐亮，全亮后仍由两边到中间逐次
渐灭。
循环两次;
花型3:
从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后仍由中间到两边逐次
渐灭。
循环两次;
花型4:
从右至左顺次渐亮。
全亮后再逐次渐灭。
循环一次。
将两片194分为低位片1和高位片2，再将其输出端从低位到高位记为L1~L8，所以四种花型的L1~L8的状态值变化情况如下表:
移存器输出状态编码表
花型序号花型1花型2花型3花型4
100000000000000000000000000000000
210001000100000010001100000000001
311001100110000110011110000000011
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411101110111001110111111000000111
511111111111111111111111100001111
601110111011111101110011100011111
700110011001111001100001100111111
800010001000110001000000101111111
我的设计是前三种花型完整显示两遍，第四种花型显示一遍，所以花型完全显示一遍需要的总结拍数为64，即1~16显示第一个花型，17~32显示第二个花型，33~48显示第三个花型,49~64显示第四种花型。
要用194实现四个花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR一句节拍的变化进行相应的改变;两片161级联的输出端从Q0~Q7根据变化的花型频率选用高位片的Q5、Q4分别去控制194的S1和S0、SR则由161的另一些输出端经过与非门来进行逻辑控制。
列出各花型和其对应的194的S1、S0、SL、SR的输入信号及节拍控制信号列表
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如下:
（用^A表示A的取非）
花型低位片高位片
S1S0SRSLS1S0SRSL
Q5^Q5^Q2XQ4^Q4^Q2X1
Q5^Q5^Q2XQ4^Q4X^Q22
Q5^Q5X^Q2Q4^Q4^Q2X3
Q5^Q5XQ4^Q4X^Q34Q2+?
Q3
芯片介绍:
时钟信号产生电路:
）555定时器555定时器是8引脚集成器件，其工作原理为:
输出电压
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只有两种状态:
高电平、低电平。
在555定时器的复位端R端为低电平的条件下，无论阀值输入端TH和触发输入端取何值，输出端0UT输出低电平，且放电端口D与地接通。
当复位端R为高电平时，如果阀值电压TH>2Vcc,3，且触发电压，输出端OUT输出低电平，且放电端口D与地接通;如果阀值电压TH<2Vcc,3，且触发电压，输出端0UT和放电端口D保持原状态不变:
只要触发电压时，输出端0UT输出高电平，且放电端口D与地断开。
应用由555定时器的多谐振荡器设计时通过调节R1，R2和C1的大小调节振荡频率以达到1HZ的秒钟连续脉冲。
时钟信号电路由一片555加上适当电容及电阻实现。
电容取:
10nF,10uF电阻取:
51kΩ10kΩ
时钟信号频率为:
f=1/T=1/0.7（R1+R2）c
由555构成的多谐振荡器电路如下图所示:
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图由555定时器构成的多谐振荡器
根据555定时器的功能表可知到由555定时器构成的多谐振荡器，接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，同时发电BJTT导通，此时V0为低电压，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。
当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，V0翻转为高电平。
当C放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容C充电。
而当Vc上升到2/3Vcc时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波。
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由555定时器构成的多谐振荡器及其工作波形如下图所示。
接通电源后，电容C被放电，上升，当上升到时，触发器被复
位，同时放电BJTT导通，此时为低电平，电容C通过和T放电，使下降。
当下降到时，触发器又被置位，翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为
当C放电结束时，T截至，将通过向电容器C充电，由上升到所需的时间为
当上升到时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端
就得到一个周期性的方波，其频率为
由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振
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荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。
（a）电路图（b）工作波形
图由555定时器构成的多谐振荡器
图四所示电路,而且占控比固定不变。
74LS16,N
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4位二进制同步计数器（同步清零）
简要说明
163为可预置的4位二进制同步计数器，163的清除是同步的，当置入控制端为低电平时，在,,,上升沿作用下，输出端与数据输入端相一致。
对于,,LS,,,，当CLK由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端为高电平，则置入控制端应避免由低至高电平的跳
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变。
74LS163功能:
1、同步清零
2、同步并行预置数
3、计数
4、保持
彩灯的布置:
彩灯由10个发光二极管组成，至于发光二极管工作原理有:
发光二极管是由?
-?
族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
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极限参数的意义:
（1）允许功耗Pm:
允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。
超过此值，LED发热、损坏。
（2）最大正向直流电流IFm:
允许加的最大的正向直流电流。
超过此值可损坏二极管。
（3）最大反向电压VRm:
所允许加的最大反向电压。
超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
（4）工作环境topm:
发光二极管可正常工作的环境温度范围。
低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
电参数的意义
（1）正向工作电流If:
它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。
在实际使用中应根据需要选择IF在0.6?
IFm以下。
（2）正向工作电压VF:
参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。
一般是在IF=20mA时测得的。
发光二极管正向工作电压VF在1.4,3V。
在外界温度升高时，VF将下降。
（3）V-I特性:
发光二极管的电压与电流的关系
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其符号为:
。
其中二极管的具体布置为:
总体为一三角形
各部分电路:
LED显示电路
LED显示电路如下图三所示。
由于输出有四个信号，所以共有10种状态。
我们只去其中的8种状态，要把其中的2种置去，加在其它的状态中，一旦进入我们所设置的状态中，信号将在中间自动循环。
由于发光二极管的极限电流一般为20~30mA，发光二极管的压降约为2V，通过发光二极管的电流可取为10~15mA，以保证发光二极管有足够的亮度，而且这样又不易损坏发光二极管。
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信号产生电路
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花型控制信号电路:
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花型显示电路:
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彩灯电路部分
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总体电路图
信号波形
电路组装完成后，实际测量各个单元电路的输入、输出信号波形1（基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图
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2.测试波形:
（列依次为CP脉冲,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D即L1---L8）
花型一:
花形二:
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花型三:
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花型四:
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心得体会
这几个星期周的课程设计实习，使我认识到具备扎实的理论知识是非常重要的，这一点在设计电路图时得到了充分的证明。
如果没有扎实的理论基础，就不知道该选用什么芯片，也就不能设计出的电路，就会给以后的连线造成极大的不便。
课程设计刚开始，拿着选定的题目不知如何入手。
在设计过程中，既有用过的芯片，又有没用过的，只能自己查找资料，分析功能，设计出电路图。
设计出电路图刚成功一半，仿真也是不容忽视的活。
由于Multisim10.01我们以前都没接触过，都是现学现用，难免会有生疏感，在Multisim10.01仿真中就会发现各种各样的问题，如快慢节拍不是很明显，花型比较简单，且555产生的时钟信号频率太小等等。
在彩灯控制器设计过程中，出现问题是不可避免的，或者正如别
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人所说没有问题反而还不正常。
产生问题的原因很多，情况也很复杂，有的是一种原因引起的简单问题，有的上多种原因相互作用引起的复杂问题，因此需要掌握问题的一般解决方法，问题解决过程就是以问题所表现出来的情况出发，通过反复推敲，做出分析判断，逐步找出问题的过程。
通过这次课程设计，使我受益颇多。
既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片，Multisim10.01的使用。
在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。
参考文献
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高等教育出版社，1999.[3]路勇.电子电路实践及仿真（第一版）.北京:
清华大学出版社，2004.
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人民邮电出版社2008.
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