多路彩灯控制器课程设计.docx

1、多路彩灯控制器课程设计多路彩灯控制器课程设计前言.第2页 课程设计题目.第4页 课程设计目的.第4页 任务和要求.第5页 总体方案的选择.第6页 单元电路的设计.第7页 设计原理.第8页 芯片介绍.第11页 彩灯的布置.第17页 各部分电路.第19页 总电路.第25页 信号波形.第25页 心得体会.第29页 参考文献.第30页 第1页 前言 灯光的闪烁和流动可以用于各种各样的装饰，电子门标，广告装饰等等流动的灯光总是特别吸引人们的眼球。在夜晚，城市街头，一旦广告牌上的灯光流动起来，那它马上变得生动起来。彩灯是大家比较感兴趣的话题，我今天说的这一个，它就利用大学所学到的数电知识制成，只要了解几种

2、集成电路便可轻松明白它的原理。做好的彩灯可以放在客厅，卧室等地方，你会感到温馨;或是歌舞厅等地方以增加氛围。 循环彩灯的电路很多，循环方式更是多种多样。有的更是专门的可编程彩灯集成电路。但大多数的彩灯控制电路是数字电路来实现的，用中等集成电路实现的彩灯控制主要用计数器，译码器,触发器和一些门电路等集成。本次设计的八彩循环彩灯控制器就是用计数器、定时器、移位寄存器等门电路来实现的，其特点是用发光二极管，能发出其种不同颜色的光。 第2页 设计八路彩灯控制器目的在于进一步熟悉逻辑电路、脉冲发生电路的的设计方法及熟悉相关数字芯片的功能和使用方法。本设计通过LM555CM定时器、74163N计数器、74

3、194N移位计数器等实现一个装饰四路彩灯控制器，通过这个控制器可以实现灯的不同花色。通过这个设计可以让我们加深对电子电路的理解，方便以后课时的学习。 第3页 课程设计题目 多路彩灯控制器 课程设计目的 1(通过课程设计，进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。 2(熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。 3(了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。 4(培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。 5(课程设计是大学课程不可缺少的一部分，通过课程设计使学生理论知识与实际相结合，同时还能增强动手实践的能力。 6.掌握Multisim

4、10.01进行仿真电路，并能找出电路中出现的错误，更正错误。 第4页 任务和要求 实现彩灯控制的方法很多，如EPROM编程、RAM编程、单板机、单片机等，都可以组成大型彩灯控制系统。因为本次实习要求设计的彩灯路数较少，且花型变换较为简单，故采用移位寄存器型彩灯控制电路。 (1)彩灯控制器设计要求 设计一个8路移存型彩灯控制器，基本要求: 1. 8路彩灯能演示至少三种花型(花型自拟); 2. 彩灯用发光二极管LED模拟; 选做:实现快慢两种节拍的变换。 (2)课程设计的总体要求 1(设计电路实现题目要求; 2(电路在功能相当的情况下设计越简单越好; 3. 注意布线，要直角连接，选最短路径，不要相

5、互交叉; 第5页 总体方案的选择 (1)总体方案的设计 针对题目设计要求，经过分析与思考，拟定以下方案: 方案:总体电路共分三大块。第一块实现时钟信号的产生;第二块实现花型控制电路;第三块实现花型演示电路。 主体框图如下: 时钟信号CP花型控制电路 花型演示电产生电路 路 根据所提供的实验器材各模块总体思路如下: 时钟信号CP电路 花型控制电路:由两片163 4位二进制同步计数器和一些与非门共同完成; 花型演示电路:由两片194 双向移位寄存器完成(可左移右移完成花型变化); 第6页 (2)总体方案的选择 将整个设计电路的功能模块化，设计思想比较简单。元件种类使用少，且都较熟悉易于组装电路。这

6、么设计的出发点是:电路设计模块化，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试都很方便。花型控制电路简单，花型也比较简单。 设计确定将电路模块化，通过仿真软件也实现了设计要求。 单元电路的设计 1.设计所使用的元件: 74LS16,N(四位二进制同步计数器)-2个; 74LS194N(移位寄存器) -2个; 7400N(与非门) -,个; 7404N(非门) -,个; 发光二极管-10个; LM555CM -1个; 电容: 10uF -1个; 10nF -1个; 电阻: 10k -1个; 第7页 100 -3个; 51k -1个; 电源Vcc-3个; 接地Vss-1个; 设计原理 花型演示电路 由

7、二片移位寄存器194实现。其八个输出信号端连接八个发光二极管，用其输出信号控制发光二级管的亮灭实现花型演示。而花型之间的变化通过花型控制电路的输出即161级联的计数器输出和与非门共同的逻辑组合控制(它们由同一个CP脉冲控制)。 第8页 四种花型变换样式 花型1:8路灯分两半。从左至右渐亮，全亮后，再分两半从左至右渐灭。循环两次; 花型2:从两边到中间对称地逐次渐亮，全亮后仍由两边到中间逐次渐灭。循环两次; 花型3:从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后仍由中间到两边逐次渐灭。循环两次; 花型4:从右至左顺次渐亮。全亮后再逐次渐灭。循环一次。 将两片194分为低位片1和高位片2，再将其输出端从低位到

8、高位记为L1L8，所以四种花型的L1L8的状态值变化情况如下表: 移存器输出状态编码表 花型序号 花型1 花型2 花型3 花型4 1 00000000 00000000 00000000 00000000 2 10001000 10000001 00011000 00000001 3 11001100 11000011 00111100 00000011 第9页 4 11101110 11100111 01111110 00000111 5 11111111 11111111 11111111 00001111 6 01110111 01111110 11100111 00011111 7 0

9、0110011 00111100 11000011 00111111 8 00010001 00011000 10000001 01111111 我的设计是前三种花型完整显示两遍，第四种花型显示一遍，所以花型完全显示一遍需要的总结拍数为64，即116显示第一个花型，1732显示第二个花型，3348显示第三个花型,4964显示第四种花型。 要用194实现四个花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR一句节拍的变化进行相应的改变;两片161级联的输出端从Q0Q7根据变化的花型频率选用高位片的Q5、Q4分别去控制194的S1和S0、SR则由161的另一些输出端经过与非门来进行逻辑控制。列

10、出各花型和其对应的194的S1、S0、SL、SR的输入信号及节拍控制信号列表 第10页 如下:(用A表示A的取非) 花型 低位片 高位片 S1 S0 SR SL S1 S0 SR SL Q5 Q5 Q2 X Q4 Q4 Q2 X 1 Q5 Q5 Q2 X Q4 Q4 X Q2 2 Q5 Q5 X Q2 Q4 Q4 Q2 X 3 Q5 Q5 X Q4 Q4 X Q3 4 Q2+?Q3 芯片介绍: 时钟信号产生电路: )555定时器 555定时器是8引脚集成器件，其工作原理为:输出电压 第11页 只有两种状态:高电平、低电平。在555定时器的复位端R端为低电平的条件下，无论阀值输入端TH和触发输入

11、端取何值，输出端0UT输出低电平，且放电端口D与地接通。当复位端R为高电平时，如果阀值电压TH2Vcc,3，且触发电压，输出端OUT输出低电平，且放电端口D与地接通;如果阀值电压TH2Vcc,3，且触发电压，输出端0UT和放电端口D保持原状态不变:只要触发电压时，输出端0UT输出高电平，且放电端口D与地断开。 应用由555定时器的多谐振荡器设计时通过调节R1，R2和C1的大小调节振荡频率以达到1HZ的秒钟连续脉冲。时钟信号电路由一片555加上适当电容及电阻实现。电容取:10nF, 10uF 电阻取:51k 10 k 时钟信号频率为: f=1/T=1/0.7(R1+R2)c 由555构成的多谐振

12、荡器电路如下图所示: 第12页 图 由555定时器构成的多谐振荡器 根据555定时器的功能表可知到由555定时器构成的多谐振荡器，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V0为低电压，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，V0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C充电。而当Vc上升到2/3Vcc时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波。 第13页 由555定时器构成的多谐振荡器及其工作波形如下图所示。接通电源后，电容C被放电，上升，当上升到时，触发器被复 位

13、，同时放电BJT T导通，此时为低电平，电容C通过和T放 电，使下降。当下降到时，触发器又被置位，翻转为 高电平。电容器C放电所需的时间为 当C放电结束时，T截至，将通过向电容器C充电，由 上升到所需的时间为 当上升到时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端 就得到一个周期性的方波，其频率为 由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振 第14页 荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。 (a)电路图 (b)工作波形 图 由555定时器构成的多谐振荡器 图四所示电路,而且占控比固定不变。 74LS16,N 第15页 4位二进制同步计数器(同步清零) 简要说明 163为可预置

14、的4位二进制同步计数器，163的清除是同步的，当置入控制端为低电平时，在,上升沿作用下，输出端与数据输入端相一致。对于,LS,，当CLK由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端为高电平，则置入控制端应避免由低至高电平的跳第16页 变。 74LS163功能: 1、同步清零 2、同步并行预置数 3、计数 4、保持 彩灯的布置: 彩灯由10个发光二极管组成，至于发光二极管工作原理有:发光二极管是由?-?族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光

15、特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。 第17页 极限参数的意义 : (1)允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 (2)最大正向直流电流IFm:允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 (3)最大反向电压VRm:所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 (4)工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 电参数的意义 (1)正向工作电流If

16、:它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6?IFm以下。 (2)正向工作电压VF:参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4,3V。在外界温度升高时，VF将下降。 (3)V-I特性:发光二极管的电压与电流的关系 第18页 其符号为:。 其中二极管的具体布置为: 总体为一三角形 各部分电路: LED显示电路 LED显示电路如下图三所示。 由于输出有四个信号，所以共有10种状态。我们只去其中的8 种状态，要把其中的2种置去，加在其它的状态中，一旦进入我们所设置的状态中，信号将在中间自动循

17、环。由于发光二极管的极限电流一般为2030mA，发光二极管的压降约为2V，通过发光二极管的电流可取为1015mA，以保证发光二极管有足够的亮度，而且这样又不易损坏发光二极管。 第19页 第20页 信号产生电路 第21页 花型控制信号电路: 第22页 花型显示电路: 第23页 彩灯电路部分 第24页 总体电路图 信号波形 电路组装完成后，实际测量各个单元电路的输入、输出信号波形 1( 基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图 第25页 2. 测试波形: (列依次为CP脉冲,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D即L1-L8) 花型一: 花形二: 第26页 花型三: 第27页 花

18、型四: 第28页 心得体会 这几个星期周的课程设计实习， 使我认识到具备扎实的理论知识是非常重要的，这一点在设计电路图时得到了充分的证明。如果没有扎实的理论基础，就不知道该选用什么芯片，也就不能设计出的电路，就会给以后的连线造成极大的不便。 课程设计刚开始，拿着选定的题目不知如何入手。在设计过程中，既有用过的芯片，又有没用过的，只能自己查找资料，分析功能，设计出电路图。设计出电路图刚成功一半，仿真也是不容忽视的活。由于Multisim10.01我们以前都没接触过，都是现学现用，难免会有生疏感，在Multisim10.01仿真中就会发现各种各样的问题，如快慢节拍不是很明显，花型比较简单，且555

19、产生的时钟信号频率太小等等。 在彩灯控制器设计过程中，出现问题是不可避免的，或者正如别第29页 人所说没有问题反而还不正常。产生问题的原因很多，情况也很复杂，有的是一种原因引起的简单问题，有的上多种原因相互作用引起的复杂问题，因此需要掌握问题的一般解决方法，问题解决过程就是以问题所表现出来的情况出发，通过反复推敲，做出分析判断，逐步找出问题的过程。 通过这次课程设计，使我受益颇多。既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片，Multisim10.01的使用。在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解

20、决问题。 参考文献 1 贾秀美.数字电路实践技术(第一版).中国科学技术出版社，2000. 2 王毓银.脉冲与数字电路(第三版).北京:高等教育出版社，1999. 3 路勇.电子电路实践及仿真(第一版).北京:清华大学出版社，2004. 第30页 4阎石，数字电子技术基础(第五版)北京:清华大学出版社2006. 5张建华，数字电子技术. 北京:机械工业出版社2000. 6 丁伟， Multisim 10计算机仿真. 北京:电子工业出版社 2009. 7张新喜. Multisim 10电路仿真及应用. 北京:机械工业出版社2010. 8周宝善. 电子技术与实践. 北京: 人民邮电出版社2008. 第31页 第32页 第33页 第34页