基于数字电路设计的彩灯控制器毕业论文.docx
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基于数字电路设计的彩灯控制器毕业论文
设计题目：
彩灯控制器的设计
系别：
电子与信息工程学院
2013年7月9日
课程设计任务书
课程设计题目
彩灯控制器的设计
功能
技术指标
1.顺序产生：
红、绿、红+绿=黄、蓝、红+蓝=紫、绿+蓝=青、红+绿+蓝=白；
2.灯光换时间可调，范围在0.1~10s。
工作量
工作计划
1、分析题目的功能要求，查找和分析参考资料。
（1天）
2、画出电路原理图，分析电路原理图和列出元器件表。
（2天）
3、购买元器件（1天）
4、安装电路（2天）
5、电路调试（5天）
6、撰写课程设计说明书（3天）
7、准备答辩（1天）
8、答辩（1天）。
指导教师评语
年月日
第1章绪论
1.1选题目的
课程设计是一个非常重要的教学环节，是电子线路教学环节的继续、深化、补充和检验，是教学计划中综合性很强的实践性教学环节。
1.了解并掌握数字电子技术课程所学的基础理论知识。
2.通过对理论知识的掌握，学会用其进行基本的电路设计。
3.熟悉常用集成数字芯片，并掌握其结构组成、工作原理及逻辑功能，进一步学会使用其进行电路的设计。
4.了解并熟悉数字电子技术设计的基本思想和方法、原理。
5.培养学生在遇到难题时，会用科学分析和解决问题的方法。
6.培养学生的综合设计能力、严谨认真的工作作风和实事求是的工作态度。
1.2设计要求
1.2.1设计题目和技术指标
题目名称：
彩灯控制器的控制设计
技术指标：
1.顺序产生：
红、绿、红+绿=黄、蓝、红+蓝=紫、绿+蓝=青、红+绿+蓝=白；
2.灯光换时间可调，范围在0.1~10s。
1.2.2设计功能
本次的的课程设计主要实现利用CD4011与CD4518实现使在红、绿及蓝“三基色”灯情况下，顺序产生7种色光。
第2章电路结构及工作原理
2.1电路方框图
通过查阅大量资料，最终确定方案，其方案电路方框图如图2-1所示。
图2-1电路方框图
该方案主要由时钟信号CP发生电路、彩灯花样控制电路以及彩灯演示电路组成具体工作方式如下。
2.2时钟发生电路图
时钟发生电路主要由555及外围电阻、电容构成。
其时钟发生电路如图2-2所示。
图2-2时钟发生电路
555集成电路在这里除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。
此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。
555引脚图如图2-3示。
图2-3555引脚图
555引脚图介绍如下1地GND、2触发、3输出、4复位、5控制电压、6门限（阈值）、7放电、8电源电压Vcc。
由于555芯片工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等VDD通过R1和R2对电容C充电，当Uc<1/3VDD时，振荡器输出Vo=1，放电管截止。
当Uc充电到≥2/3VDD后，振荡器输出Vo翻转成0，此时放电管导通，使放电端（DIS）接地，电容C通过R2对地放电，使Uc下降。
当Uc下降到≤1/3VDD后，振荡器输出Vo又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端（DIS）不接地，电源VDD通过R1和R2又对电容C充电，又使Uc从1/3VDD上升到2/3VDD,触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo得到连续变化的振荡脉冲波形。
脉冲度TL≈0.7R2C，由电容C放电时间决定；TH=0.7（R1+R2）C，由电容C充电时间决定，脉冲周期T≈TH+TL
2.3彩灯控制电路
彩灯控制电路主要由CD4518芯片组成CD4518是一个双BCD同步加计数器，由两个相同的同步4级计数器组成。
其引脚图如图2-4所示。
图2-4CD4518引脚图
CD4518引脚功能管脚功能如下：
1CP、2CP：
时钟输入端。
1CR、2CR：
清除端。
1EN、2EN：
计数允许控制端。
1Q0～1Q3：
计数器输出端。
2Q0～2Q3：
计数器输出端。
Vdd：
正电源。
Vss：
地。
《CD4518引脚图》CD4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～{15}.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；{11}脚～{14}脚）。
CD4518控制功能：
CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发，信号由CP输入,此时EN端为高电平
（1）,若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低吨平（0）,同时复位端Cr也保持低电平（0）,只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态.否则没办法工作。
将数片CD4518串行级联时，尽管每片CD4518属并行计数，但就整体而言已变成串行计数了。
需要指出，CD4518未设置进位端，但可利用Q4做输出端。
有人误将第一级的Q4端接到第二级的CP端，结果发现计数变成“逢八进一”了。
原因在于Q4是在CP8作用下产生正跳变的，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。
正确接法应是将低位的Q4端接高位的EN端，高位计数器的CP端接USS，其CD4518在本电路中的真值表如表2-1所示。
表2-1CD4518真值表
CP
Q1
Q2
Q3
Q4
C
0
0
0
0
C
1
0
0
0
C
0
1
0
0
C
1
1
0
0
C
0
0
1
0
C
1
0
1
0
C
0
1
1
0
C
1
1
1
0
2.4彩灯显示电路
彩灯显示电路主要由红、绿、蓝三个颜色的LED二极管组成。
根据逻辑电路所产生的逻辑功能显示不同的闪烁效果。
发光二极管，是一种半导体组件。
初时多用作为指示灯、显示发光二极管板等；随着白光LED的出现，也被用作照明。
具体电路符号如图2-5所示。
图2-5LED二极管
发光二极管（LightEmittingDiode,LED），是一种半导体组件。
初时多用作为指示、显示板等；随着白光LED的出现，也被用作照明。
它被誉为21世纪的新型光源，具有效率高，寿命长，不易破损等传统光源无法与之比较的优点。
加正向电压时，发光二极管能发出单色、不连续的光，这是电致发光效应的一种。
改变所采用的半导体材料的化学组成成分，可使发光二极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光。
1955年，美国无线电公司（RadioCorporationofAmerica）的鲁宾•布朗石泰（RubinBraunstein）（1922年生）首次发现了砷化镓（GaAs）及其它半导体合金的红外放射作用。
1962年，通用电气公司的尼克•何伦亚克（NickHolonyakJr.）（1928年生）开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。
1998年发白光的LED开发成功。
这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。
GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。
蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。
LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。
对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。
这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。
第3章整机工作原理
3.1整机原理图
彩灯控制电路从电路结构上讲主要有三大部分组成：
（1）时钟发生电路、
（2）彩灯控制电路、（3）彩灯显示电路，其整体电路原理图如图3-1所示。
图3-1整机电路原理图
3.2整机电路原理
电路接通电源后由555电路所产生的时钟脉冲去控制同步计数器CD4518、使其输出不同的逻辑功能、555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等VDD通过R1和R2对电容C充电，当Uc<1/3VDD时，振荡器输出Vo=1，放电管截止。
当Uc充电到≥2/3VDD后，振荡器输出Vo翻转成0，此时放电管导通，使放电端（DIS）接地，电容C通过R2对地放电，使Uc下降。
当Uc下降到≤1/3VDD后，振荡器输出Vo又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端（DIS）不接地，电源VDD通过R1和R2又对电容C充电，又使Uc从1/3VDD上升到2/3VDD,触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo得到连续变化的振荡脉冲波形。
脉冲度TL≈0.7R2C，由电容C放电时间决定；TH=0.7（R1+R2）C，由电容C充电时间决定，脉冲周期T≈TH+TL。
每来一次CP，CD4518就记一次数、所以输出不同的逻辑功能、从（0000/1111）一共16种逻辑功能、而我们只用了其中的八个逻辑功能、利用这八种逻辑功能去控制三种不同的LED彩灯显示出来
第4章电路的组装与调试
4.1电路的检查
将元件摆放在电路板后进行焊接、在焊接完毕后、用眼睛观看各处的焊接情况、是否有漏焊、焊错的引脚。
然后用万用表测试各芯片电源引脚是否连接在电源的引出线处、然后测试负极是否也一样连接在地、用万用表的欧姆档测试连接处的导通情况、以及测试led彩灯的正负极如果都正常、通电后三个led彩灯会亮、证明电路正常、至此电路检查完毕。
4.2电路的调试
首先用数字万用表测试各焊接点处的连接情况、都OK后、电路通电、用万用表的电压档分别测试555芯片的8脚、CD4518的16脚、看是否有电压、如果有证明芯片没有损坏、然后用数字示波器测试555芯片的3脚、看是否有方波、方波的频率可以通过改变555芯片外围的电容的大小而改变、然后用示波器观看cd4518的输出引脚、如果观看到示波器上有变化的高低电平、那么电路的调试到此结束。
4.2.1在调试中遇到的困难
在调试过程中、我们发现555电路的3脚在示波器上没有显示、以及彩灯只是亮、没有按预先的设计而改变、经过大量的修改和不断的改变电路、终于在示波器看到了方波、但是它的频率是不可改变的、这也就意味着彩灯的闪烁的情况是固定而不可改变的、所以这可方案仍然不可行、于是我们三个人又开始上网、翻书籍搜集有关555电路输出频率可调的电路、最终是上天不负有心人、我们的555输出可调电路终于成功、然而问题又来了、彩灯仍然只是乱闪烁、没有按照技术指标执行、所以我们又开始查看有关CD4518芯片的有关技术指标、最终发现了CD4518输出的变化规律、问题总是接踵而至、彩灯闪烁正常后、在改变频率时发现彩灯的闪烁变化规律没什么大的变化。
理论上是可行的、而实际却不起作用、我们又陷于了困境经过大量的实验和向老师请教、我们发现了问题的所在、滑动变阻器在使坏、是它的不稳定以及小的改变带来了副作用、只要发现了问题就有解决的办法、于是我们把滑阻去掉用别元器件代替、这样就解决了问题的所在。
结论
本次课程设计是按照系统原型，确定实验要求，然后综合出系统框图，我与同组人员经过将近两周的努力，终于完成的小学期的彩灯控制课程设计，过程虽是辛苦的，但从中我却学到了很多东西。
首先巩固了课上学习的理论知识，接下来焊接的过程中遇到的问题有，电解电容正负接反，开关使用方法不正确焊接虚焊等等，经过与同组人员讨论，向其他人请教和老师的指导才焊接成功。
整个设计过程最大的收获就是意识到理论知识扎实的重要性，实践是建立在理论之上的，平时基础知识学的好的同学做起来就是娴熟。
每个人都有他的特长一个人难免有疏漏，只有大家共同努力才能顺利的完成任务。
我们明白了只要我们努力，没有克服不了的困难。
致谢
为期三个星期的电子线路课程设计已经结束。
经过大家不断的努力以及单老师的耐心指导和热情帮助下，成功的完成了课设，在此，谢谢各位帮助我的老师。
这次课设论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老师单老师对我的关心和支持尤为重要。
每次遇到难题，我最先做的就是向单老师寻求帮助，大家聚一起商量解决的办法。
这三个星期以来单老师给我以精心指导，在此谨向单老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意!
感谢在整个课程设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！
感谢培养教育我的学校，文正的浓厚的学术氛围，舒适的学习环境我将终生难忘！
祝母校蒸蒸日上，永创辉煌！
感谢对我倾囊赐教、鞭策鼓励的系诸位师长，诸位恩师的谆谆训诲我将铭记在心。
祝恩师们身体健康，家庭幸福！
最后，向所有参加评阅论文的老师们表示诚挚的谢意！
谢谢！
参考文献
[1]高仁璟，孙鹏，陈景.数字电子技术基础与设计[M].大连：
大连理工大学出版社，2004
[2]阎石编.数字电路电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2000
[3]薛文,华慧明.新编实用电子技术快速入门[M].福州：
福建科学技术出版社，1999
[4]陈汝全.电子技术常用器件应用手册[M].北京：
机械工业出版社，2000.10
[5]康华光,邹寿杉.电子计数基础（数字部分）第四版[M].高等教育出版社，2000
[6]祁存容,陈伟.电子计数基础实验（数字部分）[M].武汉理工大学教材中心，2006
附录1
元器件清单
期间名称
数量
Led彩灯
4只
电阻
3只
电容
7个
开关
1个
555芯片
1个
CD4518芯片
1个
导线
若干
洞洞板
1片
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