数字电路课程设计-四花样自动切换的彩灯控制器.docx

电子技术课程设计报告

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摘要
本次课程设计应用了彩灯控制器的原理，主要采用74LS93模十六计数器和555多谐振荡器，实现了四花样自动循环变换。首先要分析设计要求，从要实现四花样入手推导出要使用的芯片。可通过八位右移寄存器74LS164实现八个彩灯的向右移动，从它的右移输入端输入四种码来实现它的四种花样。根据四种花样来确定这四种码，而这四种码可通过模十六计数器74LS161产生。要实现彩灯的自动转换，把四种码输入四选一数据选择器74LS153的四个输入端，它的地址输入端接双D触发器74LS74的两个输出端，74LS74可产生四种循环的状态，从而实现彩灯的自动转换。时钟信号由两个555产生，一个产生周期为0.721秒的矩形脉冲控制模十六计数器74LS93和八位右移寄存器74LS164,另一个产生周期为14.01秒的脉冲控制双D触发器。当彩灯完成一种花样时，双D触发器输出状态改变，数据选择器选择另一种码输出，彩灯变为下一种花样，直到完成四种花样再循环变化。
关键词
彩灯、循环、移位寄存器、数据选择器、时钟脉冲、自动转换

目录
摘要 1
关键词 1
1. 绪论 3
2. 设计与要求 3
2.1 内容设计 3
2.2 设计要求 3
2.3 主要元件和材料 4
3. 系统组成及其工作原理 4
3.1 系统组成框图 4
3.2 各模块的组成及功能分析 4
3.3 工作原理分析 5
4. 各部分电路设计 6
4.1 电源电路 6
4.2 四种码产生电路 6
4.3 双彩灯自动转换电路 7
4.4 花样输出电路 7
4.5 总体电路图 7
5. 实验连接和调试 7
5.1 电路的连接和安装 7
5.2 电路的调试 7
6. 结束语与心得体会 7
参考文献 7
附录 7
四花样彩灯控制器
1. 绪论
彩灯控制器有着非常广泛的运用，如：LED彩灯，音乐彩灯控制器，二维彩灯控制器等等。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，城市景观、风景名胜、道路桥梁、建筑轮廓、娱乐场所、户外广告、室内装饰等美化、亮化工程，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。
二维彩灯控制器可控制五路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭。若将一定数量的彩色灯组合联接，就能营造出平面上色彩变化的场景，这比通常控制一条线上的色彩流动更加丰富绚丽。控制器采用数字集成块，外围元器件少、电路结构简单，只要元器件完好、装接无误，装后无须调试即可一举成功。
本次实验主要研究的是四花样彩灯控制器，应用的是数字逻辑电路的有关知识，是进行复杂设计的基础，对进行复杂彩灯设计具有指导意义。
2. 设计与要求
2.1 内容设计
设计一种四花样自动切换的彩灯控制器。
2.2 设计要求
(1) 彩灯一亮一灭,从左向右移动。
(2) 彩灯两亮两灭，从左向右移动。
(3) 彩灯四亮四灭，从左向右移动。
(4) 彩灯从1～8，从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭。
(5) 四种花样自动变换。
2.3 主要元件和材料
芯片：555定时器、74LS161（十六位加法计数器）、74LS74（双D触发器）、74LS135（四选一数据选择器）、74LS164（八位移位寄存器），导线若干、电源线及电源适配器、面包饭
3. 系统组成及其工作原理
数据输出电路
四种码产生电路
时钟电路
3.1 系统组成框图

自动转换控制电路

时钟电路

图3.1

3.2 各模块的组成及功能分析
(1) 时钟电路：由两个555和电阻电容组成，构成两个多谐振荡器，一个周期为0．721秒，控制计数器和寄存器，另一个周期为14.01秒，控制双D触发器。
(2) 四种码产生电路:由模十六计数器74LS161产生四种码。
(3) 自动转换控制电路：由双D触发器74LS74和四选一数据选择器74LS153组成，双D的两输出端接数据选择器的地址输入端，它能产生两位循环二进制码，每改变一种状态，数据选择器选择一种码输出，使彩灯花样自动循环。
(4) 数据输出电路：由八位移位寄存器74LS164和八个彩灯组成，选择输出的每一种码输入到寄存器的数据输入端，使码在寄存器的八个输出端自左向右移动，实现彩灯的花样。
3.3 工作原理分析
从多谐振荡器出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送到模十六计数器；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器。调节多谐振荡器的电阻可以改变震荡频率，即改变彩灯移动的速度，得到不同的动态效果。
多谐振荡器、双D触发器、数据选择器共同组成一个电子开关。多谐振荡器输出的计数脉冲经双D触发器两位二进制计数器，在它的两个输出端得到00、01、10、11四种逻辑状态。这四个状态作为数据选择器的四个数据通道选择信号，对应从模十六计数器输送到数据选择器的QA，QB，QC，QD四个分频信号。其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。当双D触发器输出为“00”时，数据选择器输出10000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样一；为“10” 时，数据选择器输出11000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样二；为“01” 时数据选择器输出11110000序列脉冲，为八分频信号，实现花样三；为“11” 时数据选择器输出1111111100000000序列脉冲，为十六分频信号，实现花样四。调节开关电路的CP脉冲产生电路的电阻，可以改变开关的切换时间用以选择每种花样出现时间的长短。
数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端，在时钟脉冲的作用下，数据在移位寄存器的八位并行输出端从Q0到Q7顺序移动。移动的八位控制信号直接控制发光二极管的亮灭，就出现了八路四花样自动循环切换的流水彩灯。
4. 各部分电路设计
4.1 电源电路
时钟脉冲产生电路由NE555定时器、两个电阻和两个电容构成，用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲。电路中要用两个555产生两个时钟脉冲,两个时钟电路是相同的。一个控制74LS93模十六计数器和八位移位寄存器, 另一个555产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换，如图4.1。
图4.1

4.2 四种码产生电路
四种码产生电路的核心器件是74LS161十六位计数器，模十六计数器74LS161芯片管脚图，如图4.2.
图4.2

四种码产生电路根据彩灯要实现的四花样,得到四种码产生电路要产生的码，如表4.1所示。
花样
状态要求
周期(位)
码
1
一亮一灭，从左向右移动
8
10101010
2
两亮两灭，从左向右移动
8
11001100
3
四亮四灭，从左向右移动
8
11110000
4
从1～8从00左到右逐次点亮，然后逐次熄灭
16
1111111100000000
表4.1

4.3 双彩灯自动转换电路
彩灯自动转换控制电路由双D触发器和双四选一数据选择器74LS153，双四选一数据选择器74LS153芯片管脚图，如图4.3所示:
图4.3

要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4，也就要使它的地址输入端输入四种状态并循环转变，可用双D触发器实现，如图4.4。
图4.4

设双D触发器的初始状态Q1Q2 =00得Q1、Q2的状态变换顺序为00、01、11、10、00，实现四分频。用双D触发器的输出端Q1、Q2控制选择器的地址输入端，使数据选择器自动选择一种码输出，实现彩花样的自动控制。
4.4 花样输出电路
工作原理输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。
图4.5

图4.6
4.5 总体电路图

5. 实验连接和调试
5.1 电路的连接和安装
首先进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体上更加美观，然后将整体电路分模块进行连接，每个模块连接完成后先测试模块电路的功能，再进行下一个模块的连接，布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用。
5.2 电路的调试
(1) 调试使用的主要仪器: 数字万用表、直流稳压电源。
(2) 模块电路调试的方法和技巧:先检查各芯片的电源和地是否接上，检查线路是否连好，再根据电路出现的故障，确定可能的原因，分析出现的问题，发现并改正错误，直到符合要求为止。
(3) 整体电路调试中出现的故障、原因及排除方法：
彩灯的四种花样都有，但不能形成每个花样完整循环一次以上即花样混乱。原因可能是数据选择器输出的两种码之间的间隔大于彩灯每一种状态持续的时间，使彩灯的一种花样完成后并没有进入另一种状态，当进入另一种状态时上一种状态的多余码进入下一个状态，故出现了混乱的状态。可改变两个多谐电路CP脉冲的周期比，即改变两个555多谐电路的电阻，使得一种花样完成后，数据选择器地址输入端状态改变，再选择另一组码输出，彩灯花样改变。

6. 结束语与心得体会
本次课程设计选的课题是四花样循环彩灯电路的设计。此次课程设计需要有足够的专业技能知识和严谨的态度。设计电路关键在于对课题要求的理解分析以及对基本电路相关知识的熟练掌握。设计电路时，将电路分成若干个各具功能的模块，逐个进行安排和设计。在连接电路时将总体电路分模块进行连接、调试，既能有效提高产品成功率，又方便检测电路故障。
通过这次数字电路课程设计，我充分的理解到了数字电路在日常生活中的广泛应用，理解到了理论与实际相结合的真正意义。这次课程设计既锻炼自己的动手能力，用加强了自己对数字电路的了解，巩固了自己已经学到的数字电路知识，认识到只有将理论同实际联系起来，才算真正的掌握数字电路的知识。
参考文献
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[5]宋万年.模拟数字电路实验[M].上海:复旦大学出版社,2004
[6]温飞兵.电子技术实践教程[M].湖南:长沙国防科技大学,2003
[7]何小艇.电子系统设计[M].杭州：浙江大学出版社，2001
附录
附图1

附图2

13