基于数字电路设计的彩灯控制器 精品.docx
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基于数字电路设计的彩灯控制器精品
设计题目：
彩灯控制器的设计
系别：
电子与信息工程学院
班级：
1092132
学生姓名：
崔开地
指导教师：
丁文飞
成绩：
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
目录
第1章绪论1
1.1选题目的1
1.2设计要求1
1.2.1设计题目和技术指标1
1.2.2设计功能1
第2章电路结构及工作原理2
2.1电路方框图2
2.2时钟发生电路图2
2.3彩灯控制电路3
2.4彩灯显示电路5
第3章整机工作原理7
3.1整机原理图7
3.2整机电路原理7
第4章电路的组装与调试9
4.1电路的检查9
4.2电路的调试9
4.2.1在调试中遇到的困难9
结论11
收获和体会12
致谢13
参考文献14
附录115
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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