多彩循环彩灯控制器设计.docx
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多彩循环彩灯控制器设计
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1设计意义及要求
1.1设计意义
（1）通过此次课程设计，加深同学们对理论知识的理解，培养同学们的动手动脑能力以及解决实际问题的能力。
（2）培养同学们之间相互学习、相互交流合作共同解决问题的能力。
（3）培养同学们对电子设计的兴趣，查阅相关资料解决疑难的能力。
（4）同学们自学protues仿真软件画电路图并进行仿真操作，培养学生的自学能力。
（5）增强同学们的创新能力，鼓励同学们设计出属于自己的方案。
1.2设计要求
现有8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8只彩灯从右到左逐一循环点亮。
（2）使8只彩灯按照11101110左移循环点亮。
（3）使8只彩灯交替闪烁。
（4）接着重复以上的动作，这样一直循环下去。
时间间隔为0.5秒。
（5）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设计思路
2.1.1设计方案一
设计要求彩灯完成三个可以循环的功能，于是就把设计分为几个独立的功能模块进行设计，每一个模块完成特定的功能，再把它们有机的组织起来构成一个系统完成彩灯控制器的设计。
由555多谐振荡器产生脉冲，再用74LS161进行分频，为电路提供脉冲信号。
彩灯花样控制电路由74LS198和门电路构成。
循环选择控制电路由74LS161和门电路组成。
多谐计数器振荡器0ФФФФФ1↑0ФФ1ФФ10Ф
分频计数器
1↑01↑Ф1
多谐振荡移位寄存门电路选择输出
图2.1多彩循环彩灯控制器设计方案一系统框图.
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具体设计步骤：
先将每个设计的功能要求的单独电路画出来，通过74LS198双向移位寄存器来实现对彩灯的直接控制。
在完成单个功能要求之后，通过计数器74LS161配合相应的门从而选择哪一个门电路结构工作，把预先存在相应门电路结构输入端的数据送到移位寄存器74LS198的数据输入端，并对其进行置数。
给移位寄存器加上相应的反馈，配合脉冲工作，当移位寄存器输出一种彩灯花样结束后，就重新置一次数，切换一种工作状态，从而实现在三种彩灯花样之间的循环。
2.1.2设计方案二（小组方案）
此方案运用AT89S52单片机，通过IO口直接驱动LED灯。
通过编写相应的程序从而实现在三种工作状态之间的切换。
设计框图如图2.2所示：
单片机AT89S52灯显示电路LED
多彩循环彩灯控制器设计方案二系统框图图2.2
方案设计2.2
设计方案一电路图2.2.1
所示：
多彩循环彩灯控制器设计方案一电路原理图如图2.3工作原理：
秒的脉冲信号，将脉冲信号分别送0.5555多谐振荡器产生周期为一、接通电源，）按照反馈
（1）和移位寄存器74LS198。
计数器74LS161给计数器74LS161（188进制计数器从而实现对脉冲信号周期的扩展，即将原脉冲进行置数法连接成秒的脉冲信号触发下一个计数器4分频，得到周期为4秒的脉冲信号。
用周期为，就有三种循环状态003进制计数器，QQ连接成74LS161274LS161（），把
（2）0100……1001，，每个与门的选出一个输入端口连接在一起，作为一组，8个二输入与门7408将二、
个与门结构。
每组的二输入与门的另一个输组，组成接控制信号，一共放置33.
.
入端分别接上移位寄存器74LS198所需要的预置数，3组分别为00000001,111011
10，10101010。
三组中相应的每三个输出通过三输入或门4075接到移位寄存器74LS198的数据输入端。
三、74LS161
（2）的数据输出端QQ有三种循环状态00，01，10。
QQ输出通0101过一个二输入或非门7402接到第一组与门结构的控制信号输入端；Q通过反相0器4069取反与Q接到第二组门结构的控制信号输入端；Q通过反相器4069取11反与Q接到第三组门结构的控制信号输入端。
这样当计数器74LS161
（2）的输0出QQ在00，01,10间循环变化时。
三组门结构分别循环被选通，预先存在输入01端的预置数被送到移位寄存器的数据输入端。
每组门结构工作的周期为4秒，恰好为彩灯一种工作状态的时间。
四、给移位寄存器74LS198加上四个反馈，当输出分别为00000000,10000000，
01110111,01010101时使移位寄存器预置数。
开始工作时，对移位寄存器进行清零。
当地一个0.5秒的脉冲到来时，第一组门结构被选通数据00000001到达移位寄存器数据输入端，并保持八个周期4秒，与此同时，移位寄存器预置数使输出为00000001。
而后进入左移工作状态，依次显示00000010,0000010
0,00001000,00010000,00100000,01000000,10000000，此即为第一种彩灯工作状态。
当显示为10000000时，下一个脉冲到来时，移位寄存器重新进行预置数，
而此时存在移位寄存器数据端的数据为11101110，并保持八个周期4秒。
置数后寄存器再次进入左移工作状态，依次显示11011101，10111011,01110111，当2秒后输出变为01110111时，再次置数11101110，再工作2秒又变为01110111，重新置数，此时输入端数据正好改变为第二组门电路传输过来的数据10101010。
这时，第二种彩灯工作状态，开始彩灯的第三种工作状态。
寄存器再次执行左移，输出变为01010101，重新置数10101010，再左移01010101，又置数为10101010，再左移为01010101，再置数为10101010，再左移为01010101。
然后寄存器又该进行置数，此时第三组门结构关闭，第一组被选通，置数为00000001。
就这样实现了三种彩灯工作状态之间的循环，每种工作状态时间为4秒，每个彩灯一次亮或灭的时间为0.5秒。
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图2.3多彩循环彩灯控制器设计方案一电路原理图
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2.2.2设计方案二电路图
多彩循环彩灯控制器设计方案二电路原理图如图2.4所示：
工作原理：
先用keil软件将C代码生成HEX文，件，将HEX文件下载到单片机AT89S
52里面运行，就会出现彩灯的三种工作花样变化。
单片机电路中晶振用来产生脉冲，开关用来复位，单片机工作时应先进行复位操作。
图2.4多彩循环彩灯控制器设计方案二电路原理图
2.2方案比较
方案一电路连接比较复杂，连线很多，需要的元器件很多，连接实物时由于导线和元件较多，某一个出现错误就可能导致得不到正确的结果，所以实物较难实现，连接时一定要细心、认真，要有一定的排除故障的能力。
不过这种方案模块比较清晰，仿真调试比较容易找出问题所在，易于理解。
这种方案也能锻炼自己的画图能力，以及对芯片的功能的理解能力。
方案二由于单片机具有以下优点
（1）、具有优异的性价比
（2）、集成度高、体积小、可靠性高
（3）、控制功能强
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（4）、低电压、低功耗
使得电路简单，器件少，连线简单，但是使用单片机，程序调试复杂，且不利于锻炼硬件调试能力。
由于方案一实物器件不足，实现连线等起来有一定难度，且本实验主要要求仿真出正确结果，并熟练使用protues进行画图和仿真，因此我们小组方案选择实验二实现实物连接，同时也锻炼同学们读程序、写程序的能力。
3部分电路设计
3.1多谐振荡器的设计
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，电源电压范围宽，可在
4.5V~16V工作，其中7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
其成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
其内部原理图如下3.1所示：
图3.1555多谐振荡器内部原理图
它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，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A1同相比较端和低电平比较器A2
触发器状态和放电RS和A1A2的输出端控制。
的反相输入端的参考电平为和
管开关状态。
当输入信号输入并超越3555时，触发器复位，的输出端脚输出低电.
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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的脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
3定时器功能表表3.1555输出输入
放电管）复位（RD）T
输出（VO入阈值输触发值（V12））（V11导通××00
截止<（2/3）VCC1<（1/3）VCC1
导通10>（2/3）VCC>（1/3）VCC
不变1
不变<（2/3）VCC
>（1/3）VCC
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），如下图所示电路：
多谐振荡器电路图3.2
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接通电源后，电容C1被充电，当V上升到2/3V时，触发器被复位，此时V为低O6CC电压，同时放电BJTT导通，,电容C1通过R和T放电，使V下降。
当V下降到（1/3）662V时，触发器又被置位，V翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为：
OCCt=RCln2可近似看成t=0.7RC1221PLPL当C1放电结束时，T截止，V将通过R1、R2向电容器C充电，V由（1/3）VCCCC6上升到（2/3）V所需的时间为：
CCt=（R+R）Cln2可近似看成t=0.7（R+R）C1
PH1PH2112而当V上升到（2/3）V时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方CC6波，其频率为
f=1/（t+t）可近似看成f=1.43/[（R+2R）C1
PL1PH2在设计中，我们要得到周期为0.5秒的脉冲信号，令R1=R2=5.1k，C1=47uF。
从而得周期为T=0.503秒，约等于要求的0.5秒的周期。
3.2分频器的设计
74LS161的清零端是异步的。
当清零端CR为低电平时，不管时钟端CP状态如何，即可完成清零功能。
74LS161的预置数是同步的。
当置入控制器LOAD为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端QA－QD与数据输入端A－D相一致。
当ENP、ENT均为高电平时，在CP上升沿作用下QA－QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
利用反馈清零法或者反馈置数法可以实现分频作用。
其功能表及引脚图如下：
表3.274LS161功能表
输入输出
CRCPLDEPETD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00000
a
c
adcbb
dQ3Q2Q1Q0
Q3Q2Q1Q0111
1
状态码加
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引脚图图3.374LS161
组成的八分频电路74LS161由3.4图
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3.3门电路循环选择电路的设计
将8个二输入与门7408作为一组，每个与门的选出一个输入端口连接在一起，接控制信号，一共放置3组，组成3个与门结构。
每组的二输入与门的另一个输入端分别接上移位寄存器74LS198所需要的预置数，3组分别为00000001,11101110，10101010。
三组中相应的每三个输出通过三输入或门4075接到移位寄存器74LS198的数据输入端。
将另一个74LS161设计成3进制计数器，输出的三种状态分别使一组门电路被选通，将三种状态循环置入移位寄存器中，电路原理图如下所示：
图3.5门电路选择结构电路
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3.4移位寄存器的设计
74LS198为8位双向移位寄存器，其功能引脚图如下：
图3.674LS198引脚图
当清除端（CR）为低电平时，输出（Q0～Q7）均为低电平。
当工作方式控制端（M0、M1）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（DSR、DSL）被禁止。
当M0为高电平、M1为低平时，在CP上升沿作用下进行右移操作，数据由DSR送入。
当M0为低电平、M1为高电平时，在CP上升沿作用下进行操作，数据由DSR送入。
当M0和M1均为低电平时，CP被禁止。
只有当CP为高电平时M0和M1才可改变。
利用反馈法可以实现循环左移置数或循环右移置数，
也可以用反馈法使输出为某一数值时重新置数。
表3.374LS198功能表
000进行反馈，当输出为输入或门接到输入或非门和一个4S此设计步骤中用四个80所置的数据为其中任一种状态时移位寄存器重新置数，00000,10000000,01110111,01010101当前存在数据输入端的数据。
当移位寄存器的数据输出端不为这四种状态时，移位寄存器所以执行的为循环左移功能。
反馈到执行左移功能。
因为输出QSL0，所示：
有移位寄存器构成的输出电路如下图3.4.3
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图3.7由74LS198构成的输出电路
3.5LED显示电路的设计
LED显示电路是该次设计的直接输出，该灯的特点是当正极电压高于负极电压时就会发光，试验中所用为红色LED灯。
当移位寄存器输出为高电平时，相应接口处的LED灯就发亮。
LED灯显示电路如下图3.8所示：
图3.8LED显示电路
通过仿真和实物连接可以看到8只彩灯按照三种工作状态循环工作，呈现出实验所要求的多彩循环彩灯的效果。
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4调试与检测
4.1调试中的故障及解决办法
在仿真过程中每种状态工作的时间不一样长，经过检查发现分频器接成了9分频电路，从而打乱了移位寄存器的置数功能。
将分频电路改为8进制后，彩灯按照要求正常循秒。
4秒，每个灯亮或灭的时间为0.5环发光，每种状态工作4.2调试与运行结果
打开protues仿真电路图，开始仿真。
部分结果截图如下：
分结果截图如下：
图4.18只彩灯从右到左逐一循环点亮截图
图4.28只彩灯按照11101110左移循环点亮截图
图4.38只彩灯交替闪烁截图
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5仿真操作步骤及使用说明
一．各部件说明：
D0—D7为八个LED灯显示。
二．操作说明：
点击仿真运行按键后，8个灯将会按照下面的顺序进行亮灭：
（其中1为亮）
花样一（8只彩灯从右到左逐一循环点亮）:
00000001
00000010
00000100
………….
01000000
10000000
花样二（8只彩灯按照11101110左移循环点亮）:
11101110
11011101
10111011
01110111
重复一遍
花样三（8只彩灯交替闪烁）:
10101010
01010101
循环4次
然后循环到第一个花样，接着重复以上的动作，这样一直循环下去，每个灯时间间隔为0.5秒，每一个花样持续时间为4秒。
由仿真结果可知，仿真正确，电路连接正确，可以进行下一步实物的连接与调试。
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6结束语
体会与总结
两个星期的电工电子综合坑设计我感触颇深。
两个星期看似时间很长，其实做起来时间还是挺紧的。
我们不但要对以前的模电知识和数电知识加以回忆和复习，还要查阅相关的书籍资料，还要学习以前并不熟悉的软件protues。
正因为任务艰巨，所以我们才能从中学习到更多的知识，了解到电子技术的魅力，增加对电子技术的兴趣。
自我感觉数电理论知识学习的还不错，但是刚选好题目的时候，一时间不知道从何下手。
但是静下心来仔细分析一下设计要求，渐渐地也就有思路了。
但是只想不做终究只是空的。
然后就看老师的课件学习protues的使用，要想熟练掌握protues的应用一俩天显然是不够的。
但是掌握了它的一些基本操作，设计仿真此次设计的电路已经足够了。
画电路的时候我先把每个工作模块分别画出来，然后再将它们连接起来构成总的电路原理图。
调试的过程并不是一帆风顺的，但是皇天不负有心人，在自己的一遍遍努力中，终于仿真出了正确的实验结果。
努力之后的快乐，只有努力过的人才能感受到。
我也领悟到，遇到问题不能先认为自己不行，而是应积极面对，查阅资料、询问他人，这样才能更好的锻炼自己，更好的掌握知识。
此次课程设计既锻炼了自己独立思考解决问题的能力，也给了同学们之间相互学习，共同进步的机会。
设计要求每个人设计出一种方案，四个人一个小组再设计出一个小组方案。
每个人设计出电路之后，大家之间相互交流，比较自身的电路有哪些优点和缺点，如何改进，争取把自己的方案简化的结构清晰、功能明确。
课程设计设计出电路原理图是其中很重要的一部分，写好课程设计报告也是不可或缺的。
因为你设计的东西别人想弄清出是怎么工作的，会从设计报告上去看。
所以写实验报告时一定要格式规范，思路清晰，易于理解。
只有能被别人广泛接受的新事物、新发明，才能得到人们的推广。
课程设计也为我们以后搞科技发明打下一定的基础，锻炼我们解决问题的思维及方法。
要想学好电工电子技术，不仅要学好理论知识，还要经常实践，并进行一些创新设计。
这样才能根深的理解电工电子技术中的相关知识，并熟练的应用所学过的元器件。
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。
学到的知识就是用来实际应用的，所以以后要乐于做实验、搞设计，这也可以激发自己去学习新的知识，达到新的高度。
未来的工作比的是创新，我们现在应该抓住机会锻炼自己，这样才不至于落伍。
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参考文献
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[8]刘修文主编.实用电子电路设计制作300例.中国电力出版社，2005
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附录一方案一电路图
附录二方案二原理图
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附录三单片机运行程序
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineIOP2//定义IO口
voiddelayms（uintz）
{
uinti,j;
for（i=z;i>0;i--）
for（j=110;j>0;j--）;
}
voidmain（）
{
while
（1）
{
uchari;
IO=0xfe;
delayms（250）;
for（i=0;i<7;i++）
{
IO=_crol_（IO,1）;
delayms（250）;
}
IO=0x11;
delayms（250）;
for（i=0;i<7;i++）
{
IO=_crol_（IO,1）;
delayms（250）;
.
.
}
IO=0x55;
delayms（250）;
for（i=0;i<7;i++）
{
IO=_crol_（IO,1）;
delayms（250）;
}
}
}
.
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本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
男
专业、班级
课程设计题目：
多彩循环彩灯控制器设计
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
设计方案与内容分）（30
制作与调试（20分）
说明书内容与规范程度分）（30
答辩（10分）
学习态度与考勤（10分）
总分
（100分）
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2013年7月9日
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