多花样循环彩灯控制器设计.docx
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多花样循环彩灯控制器设计
引言
在当代社会，广告的地位和影响已日渐壮大，特别是现在经济时代，许多商品都需要广告宣传来引导主流消费，因此，广告作为一种很重要的媒介，已日渐成为社会宣传的主导方式。
然而广告的多样性决定其巨大的开发空间，对其的研究也是一项重要的工程。
广告中一个重要元素是灯光，在许多城市，夜景已成为城市一道亮丽的风景线，而这美景也是由各种灯按照不同的方法设计出来的，可以说灯光是一个广告的灵魂。
现在我们所掌握的数电知识已经可以设计出一些简单的广告图案。
于是我们做了关于彩灯控制的课程设计。
本次课程设计是为了把在“模拟电子技术基础”与“数字电子技术基础”课程学习的书本知识，即通常只介绍单元电路的设计、集成芯片的特性、功能等，而一个实用的电子系统通常是由多个单元电路组成的。
因此，进行电子系统设计时，不但要考虑系统总体电路的设计，还要考虑系统各部分电路的选择、设计及它们之间的相互连接。
由于各种通用和专用的模拟、数字集成电路的大量涌现，所以在电子系统的方案框图确定后，除少数电子电路的参数需要设计计算外，大部分只需根据电子系统框图各部分要求正确选用模拟和数字集成电路的芯片就可以了。
作为实践教学的一个重要环节，通过自己亲手动手设计连接电路，既可以锻炼我们的动手能力，也可以让我们更加充分的理解课本上的数电模电知识。
1设计意义及要求
1.1设计意义
1）通过课程设计，巩固已学的《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》，通过实践，加深对电子电路的理解。
2）通过课设掌握由问题出发，提出问题并通过查资料，询问他人，和他人合作解决问题的方法。
3）通过团队合作完成任务，了解合作的重要性，为将来工作打下基础。
1.2设计要求
现有16只彩灯，试设计一控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案：
1）使16只彩灯从右到左逐一循环点亮。
即按照0000000000000001，0000000000000011（0代表不亮1代表亮）的方式点亮。
2）使16只彩灯按照0000000100000001左移循环点亮。
即按照0000000100000001，00000011000000011的方式点亮。
3）使16只彩灯交替闪烁。
即按照即按照1010101010101010，010*********……的方式点亮。
4）使中间2个彩灯发亮，然后从两边再增加2个发亮，一直下去，直到16个彩灯全亮，然后，闪烁2次。
5）接着重复以上的动作，这样一直循环下去。
时间间隔为1秒。
6）严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。
2方案设计
2.1方案设计
2.1.1.方案一（个人方案）
设计要求完成四种花样的闪烁并实现循环，故可将设计分为四个独立的模块，每个模块完成相应的功能，再将他们有机的连接成一个符合设计要求的控制器。
原理图如下图1：
图1.方案一原理图
其中时钟脉冲产生电路由74LS161分频实现，循环控制电路由74LS197和74LS139实现，彩灯输出花样电路由74LS139和相关门电路组成。
具体实现方法如下：
在各大模块分别能完成自己功能的基础上，用一个74LS139译码器直接对四个模块的选择，即即Y0选通第一个功能的电路，Y1选通第二个功能的电路，Y2选通第三个功能的电路，Y3选通第四个功能的电路，然后用一个74LS197计数器的控制此译码器（当74LS197的输出发生变化时译码器就会对四个模块进行选择），该74LS197计数器又受到一个由74LS161计数器构成的分频器的控制：
将四输出与一个或非门相接，再接一个非门，在74LS161输出全0时，经或非门和非门之后输出为0：
在74LS161输出中任意一个为1时，输出为1，当74LS161输出再次全0时，74LS197就会收到一个由1到0的跳变，74LS197在向合格下降沿的作用下完成其功能。
2.1.2.方案二（小组方案）
本方案实现的核心AT89S52单片机，通过IO口直接驱动LED灯。
通过程序的编写以实现不同的花样，以及不同花样之间的转换。
工作原理如下图2：
图2.方案二原理图
2.2方案比较
方案一电路元器件多，连线繁琐，但模块清晰，芯片工作原理较为简单，可以锻炼我们的电路检查和调试能力。
方案二使用AT89C51，通过编程实现所要求的功能，由于单片机具有具有优异的性能价格比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗的特点，使得电路相对简单，但单片机的使用和程序设计对实验人员有一定的要求。
综合各个方面的因素，我选择了方案一。
3.单元电路设计
3.单元电路设计
3.1.多谐振荡器的设计
555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。
因此集成555定时器被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。
其内部原理图如下图3：
图3.555芯片内部原理图
它由分压器、比较器、基本R--S触发器和放电三极管等部分组成。
分压器由三个5K的等值电阻串联而成。
分压器为比较器1A、2A提供参考电压，比较器1A的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器2A的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。
比较器由两个结构相同的集成运放1A、2A组成。
高电平触发信号加在1A的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R--S触发器端的输入信号；低电平触发信号加在2A的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R—S触发器端的输入信号。
基本R--S触发器的输出状态受比较器1A、2A的输出端控制。
当输入信号输入并超越时，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，触器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
555芯片功能表如下表一：
表一.555芯片功能表
由555定时器通过连接合适的电路变成一个多谐振荡器（脉冲发生器），电路如下图图4所示：
图4.555芯片构成多谐振荡器电路图
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VO为低电压，电容C通过R2和T放电，使VC下降。
当VC下降到（1/3）VCC时，触发器又被置位，VO翻转为高电平。
当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电。
而当VC上升到（2/3）VCC时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波。
多谐振荡器的波形图如下图图5：
图5.多谐振荡器的波形图
3.2.分频器的设计
分频器可以用一片74LS161和相关的门电路实现。
74LS161的引脚图如下图图图6：
图6.74LS161的引脚图
下表表二为74LS161的功能表：
表二.74LS161的功能表
输 入
输 出
CR
CP
LD
EP
ET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0
0
0
0
1
↑
0
Ф
Ф
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↑
1
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
Ф
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
1
1
Ф
Ф
Ф
Ф
状态码加1
由功能表易知：
74LS161的清零端为异步的。
当CR为低电平时，无论CP,LD,EP,ET以及四个输入端D0D1D2D3为什么电平输出Q0Q1Q2Q3始终为低电平;当CR为高电平时（即清零端无效），LD为低电平，CP为上升沿时，芯片的功能为置数，即输入D0D1D2D3时，输出Q0Q1Q2Q3的值分别为D0D1D2D3;当CR为高电平时，LD为高电平，ET和EP中任意一个为低电平，芯片实现的功能为保持；当CR为高电平时，LD为高电平，ET和EP全为高电平时，芯片实现的功能为状态码加1。
分频器可以用一片74LS161和相关的门实现分频器的电路图如下图图7：
图7.分频器的电路图
原理：
将四个输入都接低电平，ENP,ENT,LD,MR接高电平，当CLK收到的信号为上升沿时，输出Q0Q1Q2Q3都在原来值的基础上增加1，经过一个四输入或门后输出。
3.3.节拍控制器的设计
74LS139为2-4线译码器，输出为低电平有效，下图（图8）为其引脚图：
图8.74LS139引脚图
下表表三为其功能表：
输入
输出
使能端
选择
Y0
Y1
Y2
Y3
G
B
A
H
X
X
H
H
H
H
L
L
L
L
H
H
H
L
L
H
H
L
H
H
L
H
L
H
H
L
H
L
H
H
H
H
H
L
表三.74LS139功能表
当使能端G为高电平时，无论AB为高还是低电平，输出Y0Y1Y2Y3均为高电平，即无效：
当使能端为低电平时，N=B*2+A,输出YN为低电平。
3.4.移位寄存器的设计
四种花样的实现主要依靠8位双向移位寄存器74LS198，其功能引脚图如下图图9所示：
图9.74LS198引脚图
当清除端（MR）为低电平时，输出（Q0～Q7）均为低电平。
当工作方式控制端（S0、S1）均为高电平时，在时钟（CP）上升沿作用下，并行数据（D0～D7）被送入相应的输出端Q0～Q7，此时串行数据SR、SL无效，执行置数功能。
当S0为高电平、S1为低平时，在CLK上升沿作用下进行右移操作，数据由SR送入。
当S0为低电平、S1为高电平时，在CLK上升沿作用下进行左移操作，数据由SL送入。
当S0和S1均为低电平时，芯片执行保持功能（保持原来的值不变）。
用74LS198实现四种花样的电路图如下图10和图11所示（部分）：
图10.实现花样一的电路图
图11.实现花样二的电路图
3.5.LED显示电路的设计
本次实验中LED显示电路是通过16个四输入或非门和16个或非门组成（每个四输入或非门后串联一个非门再与LED灯相连）。
当四输入或非门中有一个输入为高电平时，LED灯便会发光。
电路图图12如下：
图12.LED显示电路电路图
4调试与检测
4.1调试过程中的故障与解决方法
调试过程中发现灯的闪烁不按花样进行（表现为常亮或者亮灭的顺序不符合要求），将74LS198的各引脚电平改变，最终正常实现其功能；四大模块都能完成其功能后，发现某些模块在完成其功能之前进入了下一模块，经过改进分频器和计数器，功能得以正常实现。
4.2调试与运行结果
花样一：
使16只彩灯从右到左逐一循环点亮，如下图图13：
图13.花样一调试结果
花样二使16只彩灯按照1111111011111110左移循环点亮，如下图图14：
图14.花样二调试结果
花样三：
使16只彩灯交替闪烁，如下图图15：
图15.花样三调试结果
花样四：
使中间2个彩灯发亮，然后从两边再增加2个发亮，一直下去，直到16个彩灯全亮，然后，闪烁2次，如下图图16：
图16.花样四调试结果
5仿真操作步骤及使用说明
5.1各部件说明：
D1—D16十六个LED灯为显示。
5.2操作说明：
点击仿真运行按键后，16个灯将会按照下面的顺序进行亮灭（其中1为亮）
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