中南大学彩灯控制器实验报告讲解Word格式.docx
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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6
1、脉冲发生电路7
2、控制电路和译码电路10
3、存储电路12
4、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21
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：
通过对硬件编程，将图形、文字、动画存储在E2PROM中，通过计数器控制图形、文字、动画的地址，在利用显示矩阵显示出来。
系统所显示的内容可反复循环，直至手动清零，便可回到初始地址。
1、设计脉冲产生电路、图形控制电路和存储电路；
2、用发光二极管点阵（8×
8）作为显示电路，显示内容的动面感要强。
3、图形能连续循环，图形大于64幅，图形显示间隔在20ms～2s范围内连续可调；
4、能手动清零功能，有自动选画功能；
5、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。
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；
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。
3.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
端为高电平时，图形自动连续循环；
当
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，低频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
，当
=0时，计数器实现清零功能。
原理框图如下：
显示矩阵
存储单元
译码驱动电路
计数控制电路
脉冲发生电路（低频）
脉冲发生电路（高频）
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
1、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
Vo’
Vco
TH
V。
GND
Vcc
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
端接低电平，则时基电路不工作，此时不论
、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
高触发端TH
Qn+1
放电管T
功能
导通
直接清零
1
置0
截止
置1
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、
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、
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：
输出高电平时间
输出低电平时间
振荡周期
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’=0~1M
R2=100KR0=R2=1K
C1=C2=0.01UfC1=10UfC2=0.01Uf
f=476Hzf=0.18~0.33Hz
B.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：
2.74LS161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。
ET
⑴74LS161引脚图管脚图
74LS161
EP
CP：
时钟P0~P3：
四个数据输入端
：
EP，ET：
使能端
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、
=0时，Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能；
=1且
=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
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