基于数字逻辑的四路彩灯Word格式文档下载.docx
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附录2实做实物图26
附录3总体电路仿真设计27
摘要
根据毕业设计任务书和开题报告，本设计要求完成《基于数字逻辑的四路彩灯》实物设计和设计报告。
本文在基于实物设计的基础上介绍了四路彩灯的发展概况以及相关领域国内外应用的现状及发展趋势，详细说明设计思路与原理及框图，各单元电路设计，总电路设计图等内容。
四路彩灯控制电路，主要通过计数器和译码器实现流水功能，利用组合电路实现自控、手控、流速控制等功能。
本设计的四路流水灯控制器，有8只LED灯，按以下要求亮灭：
一亮一灭,从左向右移动；
两亮两灭，从左向右移动；
四亮四灭从左向右移动；
从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭四种方式；
四种花样可自动变换手动变换。
关键词：
四路彩灯；
花样切换；
位移显示；
流速控制
FOURLANTERNROADBASEDONDIGITALLOGIC
Abstract
Accordingtothegraduationdesigntaskbookandthetitleofthereport,thedesignrequirements,completethe"
digitallogicfourlanternroad"
projectdesignanddesignreportbasedon.Basedonthephysicaldesignisintroducedonthecurrentsituationanddevelopmenttrendofdomesticdevelopmentsituationofmultiplelightsandrelatedfieldsofapplication,detaileddescriptionofthedesignideaandprincipleandblockdiagram,eachunitcircuitdesign,circuitdesignetc..Fourroadlightscontrolcircuit,mainlythroughthecounteranddecoder,inversefunctionisreversiblerealizationofwater,usingacombinationofcircuittorealizeautomaticcontrol,handcontrol,flowcontrolandotherfunctions.Thetimingfunction,fourroadlampcontrollerofthisdesign,thereare8LEDlamp,inaccordancewiththefollowingrequirements:
alightonandoff,movingfromlefttoright;
twobrighttwoarc,movingfromlefttoright;
fourbrightfourarcmovesfromlefttoright;
fromlefttorightsuccessivelit,thensuccessiveextinguished;
fourautomaticpatterntransformation;
fourwaymanualcontrol.
Keywords:
fourlanternroad;
synchronizedswitch;
displacement;
flowcontrol
绪论
科技的发展时代的进步，人类对美的诉求是不断提升的，全领域的，人们的衣食住行水准得到了空前的提高及其仍然正在日新月异的变化发展着，关于照明领域由取自最初天然的野火光照明到后来油灯照明，蜡烛照明直到电气时代的道来人们研究出电气照明工具--电灯，材料科学的发展，人们需求的增长，最初照明灯具也开始衍变出他的另一功能--美化。
彩灯是不错的视觉美化灯具，美化灯具彩灯不仅多彩，而且显示花样也非常丰富，这时采用基于数字逻辑的多路彩灯也就应运而生。
就本设计而言对四路彩灯举一反三就是应用广泛的多路彩灯了[1]。
时代的发展，人们审美标准的不断提升，人们对身边熟悉事物美的要求美的标准也不断提高，比如常见的多路彩灯，那些花样繁多颜色各异的彩灯要想好看，不仅要色彩变幻的众多而且要花样新鲜更具美感，人们这些心里默有的诉求也就要求我们设计出更多行之有效的花样方案，来做出更多样化的显示效果，为人们呈上更为诱人的视觉盛宴。
绚丽多彩的显示效果，离不开强大的数字逻辑电路，用数字逻辑电路做出的多路彩灯装饰着城市里的墙壁，广告牌，树木，有的做装饰，有的做警示，有的在室内做小夜灯，有的做指示灯，跑马灯等等。
应用广泛的多路彩灯能符合各种场合，各种光照的功能需求，因而广泛适用于各种使用要求的基于数字逻辑的四路彩灯电路应运而生，因此让四路彩灯有了更广阔的发展空间，小型化、智能化、多功能化也正是现代彩灯的发展方向。
因此作为控制多路彩灯的主要集成电路也在发生着翻天覆地的变革。
通过集成电路的自动化系统的不断完善，使得工作人员在工作上的强度和工作量逐渐减少，并且出错率急剧下降，在很大程度上提高的产品的设计和制作质量[2]。
我们的平常工作生活中无处不存在多路灯的使用，可以说是多路彩灯早已随处可见，无论从高端到低端的消费场所，无论是在工作还是日常生活中，都有多路彩灯使用。
这些变化表明，科学和技术也正在慢慢融入我们的现实生活中，这也表明高质量生活有了更多的体现方式，多路彩灯装饰不仅装饰了我们的生活，时常还可以达别样的效果。
比如，我们按照一定的思路设定一些程序来设置彩灯的闪亮时间间隔、闪亮花样方式，这样以来我们不仅使视觉感受有了新的提升，同时也在这些一闪一亮之间花样变换之间达到了节能的环保良好效果。
以此看来，多路灯的使用不仅给我们的生活增添彩，也扮演着照明节能的角色。
多路彩灯的不断研究升级是很有必要的。
随着时代的发展，科技的不断进步人们周围事物也不断发展向前，各领域各行业技术水准不断提高，这也促使了照明行业的升级发展，就多路彩灯而言其发展趋势入下：
高技术化：
突飞猛进的科学技术的正在以前所未有的速度向前发展，众多新技术新工艺融入到灯具研发制造的过程中，尤其是可调节光照亮度的第三代照明灯具逐步出现在我们的视野中，满足我们的各种的照度功能需求。
诸如最近出现的无频闪灯,还有光亮可调式闪灯灯,光亮护眼灯等具有可以保护我们视力功能的灯具被人们逐渐的应用于生活工作中的各个角落[3]。
功能细分：
处在不同的场合的灯具，人们就要求要求该灯具能产生与该环境场合相适应的灯光效果，因此人们对灯具功能的随场合环境适应性要求也越来越高，从而不同功能适应性的灯具在人们的科学研究下也逐渐出现在各个厂商，应急小夜灯、书写灯、信号灯，晚餐灯，指示灯，警示灯，路标等以及不同形状不同配置不同材料的新型产品被一一制造出来。
节能环保：
如今国内外环保意识增强，无论是政府还是民众对节能环保设备的应用越来越重视，所以灯具的节能环保与否逐渐被人们关注和重视，环保节能灯也迅速占据主要灯具市场，一举成为市场的主导性产品。
灯具闪烁，发光平稳的灯具能节省能源50%，这也是逐渐被消费者接受以及慢慢占领市场的主要原因。
世界对生态环境的重视，使得家具环保成为人们现在首要考虑的问题，这也是家居照明、灯具制造未来的发展方向[4]。
集成化：
随着多路彩灯的闪亮频率的变化花样样式的增多，只有多模块的电路才能满足多种效果的产生。
出于更便捷更智能的功能要求，把多模块集成起来构成集成化、体积更小、功能更多的系统电路。
易于装配更多扩展：
如今多路彩灯趋向于类似傻瓜照相机式的简单易操作。
装配起来好操作上手快，可加载更多模块以实现更多功能。
多路彩灯结合声光电模块及传感器进行相应功能扩展能做出更加有趣更加人性化的多路彩灯。
1四路彩灯总体方案设计与选择
1.1设计思路与原理
本课程设计主要为设计一个四路花样流水灯控制器。
要求有8只LED灯，四路内容分别为：
从左向右移动；
一亮一灭,两亮两灭，四亮四灭，整体逐次点亮，然后再整体逐次熄灭，要求这四花样可自动进行变换，也可手动控制四种花样的变换。
通过调节相应滑动电阻器阻值的大小来实现单个状态流水灯流动速度可控和单个状态的持续时间可控[5]。
要想有一个完整合理的设计原理方案，首先要从设计要求分析，从要实现四花样来推导出要使用的芯片。
从右到左分析，要实现8只LED点亮且可以进行位移式显示可以通过位移寄存器74LS164实现八个彩灯的从左向右移动点亮显示，移寄存器74LS164由两组四位移寄存器构成，出于本电路方案设计需要，这里把位移寄存器74LS164的两个输入端A，B并联在一起，就构成了A,B共输入两组位移寄存器共输出的八位点亮显示效果且两组输入输出相同。
要实现四种花样的变换显示就要有一个送入四花样脉冲的相关电路为共输入端A,B端送入四花样脉冲，这里选用四选一电路芯片74LS153，该74LS153芯片为两组四选一芯片，本设计中只使用一组即可，四选一芯片74LS153为74LS164输送四花样位代码，四选一选择器设计好了还需要有可供选择的源脉冲，也就是要有能够发出源源不断脉冲并供给四选一芯片74LS153选择输出的芯片。
这里的脉冲发生源芯片可以用555定时器产生，本设计把555定时器联结成多谢振荡器，该555定时器发出固定周期的一路时钟脉冲信号，然后做74LS161十六分频计数器的时钟信号，74LS161十六分频计数器进行计数功能就输出产生了四路脉冲信号供给四选一芯片74LS153选择。
有了花样脉冲输出源但不能切换花样也是不行的，该设计要求有两种切换方式，分别为自动切换和手动切换，通过改变四选一芯片74LS153的地址端信号输入，四选一芯片74LS153是可以达到花样的切换功能的，本设计中可以改变四选一芯片74LS153地址端信号输入的芯片由双D触发器74LS74担当[6]。
方案一:
结合上述分析选用四大模块来完成本次功能设计；
一脉冲产生模块，二是四种码产生模块，三是状态切换模块，四是显示电路模块。
该设计中，首先用两片555定时器作为脉冲发生器，产生可调的矩形波为后面提供用于四种码产生和开关电路的脉冲；
通过十六进制计数器74LS161可以实现对脉冲计数从而产生四路脉冲码输出；
通过74LS153数据选择器可以实现对74LS161四路输出的单路选择分时输出；
通过八位移位寄存器74LS164可以实现移位；
应用双D触发器74LS74和555定时器，组成一个二进制加法计数器，提供输出脉冲给74LS153的数据选择端作为地址脉冲，来控制四种花样的自动循环控制，通过调节两个相应多谐振荡器中串入的可变电位器阻值的大小,来调节单个状态维持时间的长短和花样的切换时间；
在74LS153的数据选择端串入两个单刀双掷开关实现自动和手动控制的切换[7]。
方案二:
可在原来设计原理方案的基础之上，选用计数芯片74LS161模十六计数器输出端最高位QD的脉冲输出作为双D触发器74LS74的时钟输入信号，从而可以少用一个555定时器。
74LS161模十六计数器每计八个数，74LS161模十六计数器QD端由低电平向高电平转换，双D触发器74LS74的状态改变，从而使74LS153四选一数据选择器选择下一花样代码输出，达到彩灯花样变换的效果，此后即可自动循环改变多种花样。
该方案的优点在于省了一个555定时器联成的脉冲产生电路，使该电路结构更清晰可见，而且还增强了该电路的可靠性。
该方案的缺点为假如按此方案连接好系统电路，该四路彩灯却无法完全完成第四种花样的显示（从左至右依次点亮，再依次熄灭），只能是完成一半，要么依次点亮要么依次熄灭，只能实现部分设计要求，因而不采用该方案。
1.2方案设计整体框图
本系统四大模块电路如图：
一脉冲产生模块电路，二四种码产生电路，三是状态切换模块电路，四是显示电路，这四大模块电路组成本次设计的四路彩灯电路，如图1.1所示：
脉冲产生电路为多谢振荡器1、2，四种码产生电路是分频计数器74LS161构成的电路，状态切换电路由四选一计数器74LS153和双D触发器74LS74构成，显示电路由位移寄存器74LS164和八颗LED灯构成[8]。
分频计数
多谐振荡器1
移位寄存器
数据选择器
LED显示
开关电路
多谐振荡器2
图1.1整体方案设计
2各单元电路设计
2.1脉冲产生电路
本设计成败关键在于系统电路中脉冲信号的合理设置，该系统电路的脉冲产生芯片为555定时器[9]。
555定时器是一种用途广泛的数字模拟可混合的规模集成型电路，利用555定时器可构成施密特型触发器，单稳态型触发器和多谐振荡器，555定时器有着诸多优点如：
使用起来比较灵活、扩展极其方便，所以555定时器在各种电路中扮演着波形的产生、波形变换、波形测量和波形控制、电子小玩具、各种家用电器、工控设备等各种重要角色。
由于555定时器内部比较器的灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活。
而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和外界温度的干扰较小[10]。
即555定时器构成的多谐振荡器频率稳定，不易受干扰，所以选用555定时器构成的多谐振荡器脉冲信号产生电路[10]。
555定时器内部结构图、管脚功能表如下：
图2.1555定时器内部结构
表2.1555定时器管脚功能说明
引脚
NE555
引脚代码
引脚功能
1
GND
接地端
2
TRI
触发输入端:
下比较器
3
OUT
为输出端
4
RST
复位端
5
CON
控制端
6
THR
上比较器
7
DIS
放电端
8
VCC
集成电路工作电压输入端
在此根据555定时器的电路结构图做出详细分析，首先从整体布局分析它主要由三部分组成：
两个电压比较器C1,C2；
锁存器SR以及放电三极管TD，该三极管为集电极开路的三极管[11]。
比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为
和
。
C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过
时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；
当输入信号自2脚输入并低于
时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止[12]。
是复位端，当其为0时，555输出低电平。
平时该端开路或接
Vco是控制电压端（5脚），平时输出
作为比较器C1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路.
当V11>
VR1、V12>
VR2时，C1比较器的输出Vc1为低电平0、C2比较器的输出Vc2为高电平1，SR锁存器被置0，TD导通，同时输出Vo为低电平0.
当V11<
VR2时，C1比较器的输出Vc1为高电平1、C2比较器的输出Vc2为高电平1，SR锁存器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也维持不变[13]。
VR1、V12<
VR2时,VC1=1、VC2=0，故锁存器被置1，V0为高电平，同时T截至。
VR2时,VC1=0、VC2=0，故锁存器处于Q=Q´
=1状态，V0为高电平，同时TD截至。
以上过程可用以下表格表示[12]：
表2.2555定时器逻辑功能说明
输入
输出
R´
D
V11
V12
V0
TD状态
x
低
导通
>
<
不变
高
截止
由原理组接电路图如下所示：
图2.2由555定时器构成的多谐振荡器
本时钟脉冲产生电路用555定时器构成多谐振荡器如图2.2,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………………………（3.1）
本设计要用两个555定时器产生两个时钟脉冲,一个控制74LS161模十六计数器，另一个控制四分频开关电路[14]。
先计算时钟电路的555定时器配置参数，为了能使肉眼观察的到LED四路彩灯的闪亮情况，设置其闪亮周期设为1秒左右,因此电阻值和电容值可与之匹配设为：
R1=1KΩ，R2=51KΩ，C=0.01μF
由公式（3.1）计算得：
T=0.721S
要能看到彩灯流动的花样变换则令另一个555定时器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74LS161的20倍左右,改变R1、R2的阻值即可，可设为：
R1=1KΩ，R2=1MΩ，C=0.01μF
T=14.42S
按以上理论及参数设置联结电路即可得到两个相应的脉冲产生电路为后续电路提供具体脉冲信号。
2.2四种花样码产生电路
根据彩灯要实现的四种花样,可以确定移位寄存器输出的二进制码,即四种花样码产生电路要产生的码，如表2.3所示：
表2.3四种花样产生码
花样
状态要求
周期
花样码
一亮一灭，从左向右
01010101
两亮两灭，从左向右
00110011
四亮四灭，从左向右
00001111
逐次点亮，逐次熄灭
16
0000000011111111
要产生这四种花样的码，可以用十六进制计数器74LS161联接组合逻辑门产生，在此介绍一下十六进制计数器74LS161。
图2.374LS161芯片引脚分布
74LS161是中规模4位同步二进制集成计数器电路，用于增强电路的部分功能和灵活的实用性。
该74LS161芯片不仅具有常见的二进制加法计数器功能还有另外附加功能如：
预置数、保持和异步置零等[15]。
该加法计数器可以方便灵活的运用在各种数字电路模块以及555定时器系统中实现分频器，计数器等很多重要的功能[6]。
表2.474LS161引脚说明
～CLR
清零端
CLK
时钟输入端
A
A输入端
B
B输入端
C
C输入端
D输入端
ENP
使能端
9
～LOAD
置数端
10
ENT
11
QD
数据输出端D
12
QC
数据输出端C
13
QB
数据输出端B
14
QA
数据输出端A
15
RCO
进位输出端
表2.574LS161计数器真值
序
号
输
出
原态
次态
Q4
Q3
Q2
Q1
Z1
Z2
Z3
Z4
如图2.3当清零端CLR=“0”，计数器输出QD、QC、QB、QA立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CLR=“1”且LOAD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端QD、QC、QB、QA的状态分别与并行数据输入端A，B，C，D的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CLR=LOAD=ENP=ENT=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端RCO，其逻辑关系是RCO=QA·
QB·
QC·
QD·
CLK。
合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16及进制以下的任意进制分频器[16]。
74LS161的脉冲输入端CLK脚接入555定时器构成的多谐振荡器的输出端OUT脚，接受其提供的脉冲触发，74LS161开始计数工作。
初始状态为0000，每接收一个CP脉冲后，在时钟脉冲下升沿递增为1时，输出端变成0001，按规律依次递增到第十五个CP脉冲的时，输出端输出1111。
这些输出代码为74LS153提供可选的输入代码为八个彩灯提供源代码。
本设计计数时，需要将将CLR，LOAD，ENP和ENT连接高电平，此时161处于十六进制计数状态，我们需要将分频计数器的四个输出端接到74LS153的4个输入端C1、C2、C3，在数据选择器74LS153的作用下实现四选一输出，电路图如下：
图2.4计数器74LS161接线设计
2.3花样状态转换电路
2.3.1自动四花样循环控制电路的设计
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循环地输出四种花样Z1=01010101;
Z2=00110011;
Z3=00001111;
Z4=0000000011111111并使双D触发器74LS74的输出端接数据选择器74LS153的两个地址输入端，双D触发器74LS74能产生00、
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