可编程彩灯课程设计报告.docx

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可编程彩灯课程设计报告

摘要……………………………………………………………2

第一章系统概述……………………………………………………4

1、设计思路及方案论证………………………………………4

2、功能模块的划分与系统原理框图…………………………5

第二章单元电路的设计与分析…………………………………6

1、脉冲发生电路………………………………………………6

2、计数器控制电路……………………………………………7

3、译码驱动电路………………………………………………8

4、存储单元模块………………………………………………9

5、图案显示模块………………………………………………10

第三章电路的安装与调试………………………………………11

1、电路的安装…………………………………………………11

2、电路的调试…………………………………………………13

第四章结束语……………………………………………………14

元器件明细表……………………………………………………15

参考文献…………………………………………………………16

附图……………………………………………………………16

摘要

题目：

可编程彩灯控制器

要求：

1、设计脉冲产生电路、图形控制电路和存储电路；

2、用发光二极管行队列（1×16）作为显示电路，显示内容的动面感要强。

3、能用按键切换不同的显示组合，至少有3个按键切换；

4、每种组合至少有3种变化，每种组合内图形能连续循环；

5、要有数码管显示当前是第几种组合（或是第几个按键）；

6、图形显示间隔（显示频率）至少有3种可选。

7、完成电路全部设计后，通过实验箱验证设计课题的正确性。

摘要：

由题目要求可知，本课程设计可以这样实现：

通过对硬件编程，将图形、文字、动画存储在EEPROM中，通过计数器控制图形、文字、动画的地址，再利用显示矩阵显示出来。

系统所显示的内容可反复循环，直到手动或加压清零，便可使得EEPROM回到初始地址。

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行。

而低频产生脉冲，显示画面。

设计一个100进制的计数器，即可显示100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。

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。

由于显示矩阵是由64个发光二级管组成，则译码器输出接在显示矩阵的阴级，EEPROM接在显示矩阵的阳极，只有同时导通时，二极管才亮。

译码电路是低点平有效，每次只有一个输出有效，所以需要快速进新刷新。

此设计可以分为几个模块：

脉冲发生电路包括一个产生高频和一个产生可调低频；计数电路包括一个需要八进制计数电路、一个100进制的计数电路；显示图案是第几种组合的两个八段数码管显示；接在显示矩阵上的译码器和EEPROM。

此外，有两个暂停开关，一个控制低频计数器低位的EP和ET端，暂停某个具体画面；一个控制低频计数器高位的EP和ET端，暂停某组画面，使图案在这组内循环显示。

两个清零开关，一个控制低频计数器的Rd端，是电路恢复到最初始状态；一个控制低频计数器的LD端，使其恢复到某组的第一幅画。

需要手动选画，当低频计数器处于置数功能时，可以通过控制开关选画。

EEPROM的工作原理

EEPROM的写入过程,是利用了隧道效应,即能量小于能量势垒的电子能够穿越势垒到达另一边。

量子力学认为物理尺寸与电子自由程相当时,电子将呈现波动性,这里就是表明物体要足够的小。

就pn结来看,当p和n的杂质浓度达到一定水平时,并且空间电荷极少时,电子就会因隧道效应向导带迁移。

电子的能量处于某个级别允许级别的范围称为“带”,较低的能带称为价带,较高的能带称为导带电子到达较高的导带时就可以在原子间自由的运动,这种运动就是电流。

EEPROM写入过程,如图3所示,根据隧道效应,包围浮栅的SiO2,必须极薄以降低势垒。

源漏极接地,处于导通状态。

在控制栅上施加高于阈值电压的高压,以减少电场作用,吸引电子穿越。

要达到消去电子的要求,EEPROM也是通过隧道效应达成的。

如图4所示,在漏极加高压,控制栅为0V,翻转拉力方向,将电子从浮栅中拉出。

这个动作,如果控制不好,会出现过消去的结果。

第一章系统概述

1、设计思路及方案论证

根据彩灯控制器的设计要求，得出以下设计方案：

要使8×8发光二极管阵列能够显示出任意图案，必须使控制器能控制阵列中每一个二极管的状态（亮或不亮），因此要设计两块芯片分别对8×8发光二极管点阵进行列控制和行控制。

在本次设计中，我们分别选择3线-8线译码器和可编程只读存储器EEPROM作为点阵的阴极输入和阳极输入。

由于3线-8线译码器每对应一个CP脉冲输出端只有一个为低电平，于是将74LS138的输出端分别对应地接在点阵的阴极对其进行列控制，当阴极接低电平时发光二极管处于工作状态。

该部分电路接的是高频率CP脉冲，一个CP脉冲扫描一列，由于扫描速度很快，可以利用人的视觉暂留形成一幅图案。

同时，在发光二极管点阵的阳极接入EEPROM对其进行行控制，通过对EEPROM编程来构造不同图案。

分析可得，本系统由时序组合逻辑电路组成，对于行控制与列控制的芯片，我们选择计数器对其时序状态进行控制。

在行控制电路中，我们采用低频CP脉冲。

该时间可在一定范围内进行调节。

CP脉冲均由555定时器构成的多谐振荡器提供。

2、功能模块的划分与系统原理框图

通过分析，我们将系统分为七个功能模块：

行控制脉冲发生电路（高频）、计数器控制电路、译码驱动电路、列控制脉冲发生电路（低频）、计数控制电路、存储单元、图案显示。

计数器的脉冲信号由脉冲发生电路输入，行控制计数器电路的输出低位接入存储单元的低位来控制一幅图案的显示。

译码驱动电路和存储单元分别对图案进行行控制和列控制，主要通过对存储单元编程来实现图案的变化。

系统原理框图如下所示：

脉冲发生电路（低频）

显示

矩阵

译码驱动电路

计数器

控制电路

脉冲发生电路（高频）

图1

该设计电路原理简单，结构清晰，利用计数器的置数端和清零端可以比较方便地实现电自动复位和手动复位功能，电路所用的集成芯片均很常见，制造方便；同时，只要改变计数器的进制数就可以改变最大可显示图案的幅数，使得电路灵活，因此该电路可行性高。

第二章单元电路的设计与分析

1、脉冲发生电路

由555定时器的功能可知所需的CP脉冲可由芯片555接成的多谐振荡器直接得到，555构成的多谐振荡器的工作原理即为电容充放电过程中，当

下降到略低于

时定时器的输出电压跳变为高电平，电容开始充电，电压达到

时输出电压跳变为低电平，反复上述过程输出矩形波。

电路中两个脉冲发生电路的接法大致相同，通过RC的不同取值来得到不同频率的脉冲波形。

对于高频脉冲要求20ms内扫描完八列二极管，所以设定其频率为0.5kHZ，根据多谐振荡器周期的计算公式：

，并且选取C为0.01

f，R1为100k

，可得R2阻值为100k

，在实际电路中R2用变阻器调节实现，但一旦调定后便不再改变。

对于低频脉冲，要求周期在20ms~2s之间内连续可调，则同样根据多谐振荡器周期公式，取C为10

，R1为3k

，R2由1M

的可变电阻进行调节，实现周期长短的变化。

其接线图如图2所示：

图2

2、计数器控制电路

在本次设计电路中，有两个计数器控制电路，分别在行控制电路和列控制电路中。

因为在列控制模块中计数器的作用是控制3线-8线译码器输出状态的变化，74LS138只有3个输入端，因此只需要一片四位二进制计数器，将其三个低位输出端接入译码器中。

根据设计要求并考虑到实用性，选择74LS161作为理想的计数器。

其接线图如图3所示：

图3

而在行控制电路中，计数器的作用是控制EEPROM的输入端，从而控制输出图案的数目，为了增大变化图案的幅数，且考虑到八段数码管只能显示0-9十个数，该电路设计为两个十进制计数器，可实现100幅图案的显示，鉴于简化电路，方便接线，可由两片74LS160通过扩展端实现。

其接线图如图4所示：

图4

3、译码驱动电路

译码驱动电路的作用是控制发光二极管阵列的八个阴极管脚，控制发光二极管的工作状态。

由设计思路可知图案的显示是一列一列顺序扫描显示，即每次只有一个管脚输入为低电平，所以根据要求这个电路可由3线-8线译码器实现，其输入端由计数器控制，输出端

分别对应接到二极管阵列的1~8列阴极管脚。

其接线如图5所示：

图5

4、存储单元模块

存储单元模块的作用是通过变换发光二极管阵列的八个阳极管脚的高低电平来控制二极管的工作状态。

根据设计思路对存储器的输出进行编程来构造不同的图案。

可编程存储器EEPROM具有读写方便的优点，并且使用灵活，因此采用EEPROM作为存储器是个不错的选择。

编程方法如下：

“1”表示二极管亮，“0”表示二极管灭。

举个例子，如果要显示“中”字，则进行如下编程：

输出（二进制）输出（十六进制）

0000000000H

0011100038H

0010100048H

11111111FFH

0010100048H

0011100038H

0000000000H

在对存储器进行编程时，只要在计算机的编辑界面上输入十六进制数即可是实现。

在本次设计中，我们共设计了100种图案，其中有汉字（两组，20副），英文字母（10幅），数字（10幅），矩形渐变（10副），人在走动（10幅），三角形变换（10副），一箭穿心变化（10副），箭头运动（10副），麻将牌移动（10副）图案可循环变换，或者分组变换，视觉效果不错。

8*8显示点阵最多可显示100幅图，由EEPROM2864中的程序来决定。

编程如下表：

（部分）

图形

第一列

第二列

第三列

第四列

第五列

第六列

第七列

第八列

数字0

数字1

数字2

数字3

数字4

数字5

数字6

数字7

数字8

数字9

字母A

字母B

字母C

字母D

字母E

字母F

字母G

字母H

字母I

字母J

我

爱

你

一

生

一

世

接线如图6所示：

图6

5、图案显示模块

图案显示模块主要由8×8发光二极管阵列构成，阵列为共阴接法，发光二极管点阵有16个管脚，分别与译码器和存储器的输出相连，能根据管脚的高低电平变换图案，各个二极管的发光状态互相独立。

6、数码管显示模块

数码管显示模块主要是由两个数码管及其分别对应的数码管驱动器构成，将低频计数器的高位和地位分别接到两个数码管驱动器上，即可实现在数码管上显示第几组和第几个图案，

其接线如图7所示：

图7

第三章电路的安装与调试

1、电路的安装

电子电路要达到设计要求，不仅取决于电路原理图的正确设计，而且还与电路安装的合理性密切相关。

安装技术的优劣，不仅影响外观质量，而且影响到电路的调试及性能。

因此，电路安装在本次课程设计中占有重要地位。

由于彩灯控制器的电路相对简单，采用单板结构进行安装。

在安装开始之前，我们先考虑元器件的合理布局，分析实验原理图可得，电路有信号源、输入结构和输出结构等，故布局采取信号流原则：

按电路信号流向布放，避免输入输出，高低电平部分交叉。

整体布局如下：

在面包板上集成器件对称排放，第一排从左到右分别为多谐振荡器、计数器、译码器和8×8发光二极管阵列，第二排从左到右分别为多谐振荡器、计数器（2片）和存储器，两个数码显示管至于面包板的中央位置，便于观察。

整体布局完成后，再从左到右开始插接分立元件并连线。

关于连线的插接要满足工艺性及检测的要求，尽量使用工具操作，做到横平竖直，90度转角。

先根据布线要求的连线长度剪好导线，剥去导线两头绝缘皮，然后用镊子把导线两头弯曲成直角。

把准备好的连线插入相应位置的插孔中。

插拔连线时，应用镊子夹住导线后垂直插入或拔出插孔，不要用手插拔，以免把导线插弯。

连线时要求贴紧面包板，不要留空隙。

为了查线和美观，连线采用不同的颜色（电源线用红色，地线用黑色，其余模块间连线用黄色，模块内部用灰色，显示器部分的连接用蓝色加以突出），连线也应做到横平竖直。

连线是一项需要耐心的工作，当连线较多时，布线也很繁琐。

要满足工艺性的要求就需要多花心思合理安排，否则布线混乱，检测时也很麻烦。

总体来说，我们这一组的安装在满足工艺性的基础上适当兼顾了美观性，工作完成得很出色，与其它组相比较起来，我们以最少的最整齐的连线完成了功能最多的电路。

这点一直得到了很多同学的赞赏与羡慕。

2、电路的调试

把电子元器件连接好之后，调试是实现特定功能的关键。

电路在认真、细致的调试之后才能获得满意的性能要求。

由于彩灯控制器的电路由多个模块组成，因此采用分块调试法。

分块调试有很多优点，这在实验过程中我们都体会到了。

分块调试可以让问题出现的范围缩小，可及时发现，易于解决。

按照信号的流向组装一个模块就调试一个模块，然后再继续组装其他模块。

彩灯控制器的设计用到的芯片大都是常用的芯片，因此调试时遇到的问题不是很多，主要有以下几个问题：

1、对EEPROM2864的编程不够灵活，前几次编程我们只是把编程码按顺序输入电脑界面。

但拿回来装上电路后，我们发现显示并没有按我们实际的要求进行。

到后面都是全屏都亮。

刚开始我们怀疑是芯片有问题，编程的时候没有全编辑进来，可是换了芯片后，结果还是那样。

后来我猛然想到，可能是我们编程的地址不对，我按着这个思路想下去，觉得有了眉目，马上把我的想法告诉了队友，然后我找出了正确的地址区间。

原来是因为我们才用的是74LS160而不是161，我们的地址区间有跳过6进制直接进入下一区间，所以应该把跳过的区间忽略不输入编码，在下一区间进行输入。

经过试验，验证了我的猜想，我们改过来之后，点阵上既能正常顺序显示。

2、接线时，不够细致认真。

在放上8X8点阵后，发现有某一列始终不亮，我们猜想可能是某条线出了问题，所以我们找到相应管脚的接线出仔细检查，然后果然找出了接错的线，并同时还发现了其他条插错位置的线，更正过来后，点阵既能正常显示。

3、对实验仪器不熟悉。

观察多谐振荡器的输出波形并且测量频率本来是一件很简单的事情，但由于对示波器不熟悉，不懂得如何调节，以至于观察不到矩形波。

感谢老师的耐心指导，最终我们学会了如何调节示波器。

4、管脚接触不良。

在测试8×8发光二极管点阵时，第七列的发光二极管出现异常（有时候全亮，有时候不亮）。

在刚开始测试时由于没串好限流电阻，烧坏了一个二极管，当这个二极管的阳极为高电平时，第七列灯全部不亮，当它的阳极为低电平时第七列正常工作。

这个现象让我们误认为错误的发生是由于那个烧坏的二极管。

可是当我们将这个点阵的接线重新插好时发现二极管又恢复正常。

接触不良虽然是小马虎，但往往可以引发大问题，而且出现的问题多种多样，因此在接线时一定要做到规范。

5、对书本知识运用不灵活。

由于时间等方面的限制，我们只设计了100幅不同的图案，当100幅不同的图案显示完毕后，彩灯便处于非正常工作状态，不能自动循环显示。

这个问题在老师检查时才被发现，其实解决方法很简单，只要将EEPROM的第11个输入管脚接地就可以达到要求。

但是由于思维的局限性，没有考虑到这方面的问题。

除了上面提到的，我们还遇到一些其他细小的问题，如扫描频率的调节等，但最后都被我们一一解决。

由于这次调试采用的是分块调试，因此最后调试起来很方便，提前完成了任务。

第四章结束语

在本次课程设计中，虽然进行的较顺利，但我们还是遇到了一些问题，但在同学及老师的帮助指导下，问题都得到了解决，并顺利完成了课题。

在实习过程中，我的实践动手能力得到了很大的提高，而且学会了如何解决问题，遇到问题不再手足无措。

尤其是在我们遇到问题后，经过我的思考想出解决方案并告诉队友后，我们一同分享成功的喜悦，那种心情是最难为可贵的。

同时，我们对这次实验的成果还是很满意的。

在工艺上我们做到了无可挑剔，无论是布线还是连接，我们都严格按照“直线与90度”的标准完成，看着自己的作品，我们很高兴。

就功能上来说，我们也完成了很多功能。

比如复位，分组，选画，暂停等等。

用最简单的连线电路，完成了最多的功能，这是我们的靓点与自豪之处。

为了让彩灯控制器具有更强的应用性，我们还可以对其功能进行完善，比如增加任意选择画面功能。

在我们的设计中，只能通过两种复位键控制电路，使其回到第一幅画面或者每一组的第一幅画面。

只需将低频计数器的地位的四个输入端分别接到开关上，通过改变预置数来达到任意选画功能。

这个实现起来还是很容易的，通过适当的接线可以达到此目的。

此次课程设计是很有意义的，不仅巩固了我的课本知识，还提高了我的动手实践能力和解决问题的能力，而且培养了我的团队合作精神。

元器件明细表

名称

型号参数

数量

备注

计数器

74LS161

1片

二进制计数器

计数器

74LS160

2片

十进制计数器

译码器

74LS138

1片

译码器

定时器

NE555

2片

定时器

8×8的发光

二极管点阵

1片

无

存储器

EEPROM2864

1片

可编程存储器

电容

0.01

4个

1个

无

固定电阻

100k

2个

1个

无

可变电阻

1个

无

手动按钮

2个

无

八段共阴数码管

LS543

2个

无

数码管驱动器

74LS48

2个

无

参考文献

陈明义，宋学瑞主编.电工电子实验教程.中南大学出版社，2002.

陈明义主编.电子技术课程设计实用教程.中南大学出版社，2002.

陈明义主编.数字电子技术基础.中南大学出版社，2005.

附图

........忽略此处.......

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