课程设计--四花样彩灯控制器

课程设计--四花样彩灯控制器

2012 ~ 2013 学年第二学期

《数字电子技术》

课程设计报告

题目：四花样彩灯控制器

专业：电子信息工程

班级： 11 电信一班

姓名：孙叶林陶轮汪宏俊汪义涛王安

亚

王劲松王亮亮王向阳魏伟指导教师：周旭胜

电气工程系

2013年5月30日

任务书

课题名称四花样彩灯控制器

指导教师（职称）周旭胜

执行时间2012~ 2013 学年第 2学期第 14 周学生姓名学号承担任务

王安亚1109121033 设计总电路图1

汪宏俊1109121031 设计总电路图2

陶轮1109121030 负责对比两个总电路图

汪义涛1109121032 设计555时钟脉冲产生电路

王向阳1109121036 设计四种码产生电路

王劲松1109121034 设计输出电路

魏伟1109121037 设计开关电路

王亮亮1109121035 查找参考资料

孙叶林1109121029 负责写课程设计报告

设计目的

通过设计方案的比较，对比电路的复杂与简单，器件的市场价格等方面因素，来选择一种比较好的可行性设计方案

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) 四亮四灭，从左向右移动；

(4) 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。

摘要

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，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。优易LED全彩灯光控制系统由Color Edit编辑软件、主控器、分控器和LED光源组成，广泛应用于城市景观、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。

四花样自动切换的彩灯控制器，其电路简单、取材容易，而且被广泛地应用与现实生活当中。例如用于店面装饰可以增加其美观，吸引更多顾客。

在经过了几天紧张的电路焊接和调试，期间还进行了部分方案的修改和改进，现已实现了课程设计的主要任务和具体要求。

关键字：LED彩灯硬件电路

目录

第一章设计要求 (7)

1.1 设计课题及要求 (7)

第二章系统组成及工作原理 (8)

2.1 原理框图 (8)

2.2工作原理分析 (8)

2.3 方案比较 (9)

第三章单元电路设计与计算 (10)

3.1 时钟脉冲产生电路 (10)

3.2 四种码产生电路 (11)

3.3彩灯开关电路 (13)

3.4 花样输出电路 (14)

第四章电路方案设计 (15)

第五章实验、调试及测试结果分析 (16)

5.1结果的调试及分析 (16)

第六章总结 (18)

参考文献 (19)

附录1 花样彩灯控制器原理总图 (20)

附录二各芯片管脚图 (22)

附录三元器件清单 (22)

第一章设计要求

1.1 设计课题及要求

（一）题目：四花样彩灯控制器

（二）基本要求：设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现如下

(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) 四亮四灭，从左向右移动；

(4) 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。

（三）主要参考芯片：

555,74LS161，74LS74,74LS153,74LS164,74LS86

第二章系统组成及工作原理

2.1 原理框图

系统可由四个模块组成：四种码产生电路、开关电路、数据输出、时钟电路。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。参考框图如图2.1所示：

由一个555构成时钟电路，由模十六计数器构成四种码产生电路，由双D触发器和数据选择器构成开关电路，由移位寄存器和八个彩灯构成输出电路，时钟脉冲控制模十六计数器和移位寄存器，分频计数器的Qd控制双D 触发器。

2.2工作原理分析

1、从多谐振荡器(555)出来的脉冲信号作为计数脉冲送到模十六计数器（74LS161）和移位寄存器（74LS164）；双D触发器（74LS74）的脉冲信号由74LS161的Qd提供。

2、分频计数器、双D触发器、数据选择器共同组成一个电子开关，控制四种花色的输出及循环。

3、由要求（1）到（4）可选输出状态位为8位(则选择74LS164来实现右移) a 、彩灯一亮一灭,从左向右移动：实现这一要求需使输出状态为‘10101010’，其周期位为2位。

b 、彩灯两亮两灭，从左向右移动：实现这一要求需使输出状态为‘11001100’，其周期位为4位。

c 、四亮四灭，从左向右移动：实现这一要求需使输出状态为‘11110000’，其周期位为8位。

d 、从1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭：实现这一要求需使输出状态为‘1111111100000000’，其周期位为16位。

2.3 方案比较 方案比较框架图如下：

用两个555来产生时钟脉冲，这就导致数据选择器输出的两种码之间的间隔与彩灯每一种状态持续的时间不成整数倍，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。若要成为倍数关系，提供双D 触发器的脉冲

周期至少是提供单脉冲的16倍，即T2=16*T1。{ T1=2（R9+2*R10）*C3 ； T2=2（R11+2*R12）*C4 } 此时需改变双D 触发器的CP 脉冲，即改变多谐振荡器的电阻，使得一种花样完成后，数据选择器地址输入端状态改变，正好选择另一组码输出，彩灯花样改变。但此种改法较复杂，在计算电阻和电容的过程中并没用相应的阻值、容值来提供选择。而且比所采用的设计方案多出了一个

多谐十六数据移位输出

双D 触

多谐

555芯片。在工程成本上就相应地增加了经费，工程上不可取，非最佳设计方案。

第三章 单元电路设计与计算

3.1 时钟脉冲产生电路

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,其周期为:

T=0.7(R 1+2R 2)C ………………………(3-1)

其中两个555产生两个时钟脉冲,一个控制74LS161模十六计数器和八位移位寄存器,要能看到彩灯的流动,其周期设为1秒左右, 电阻值和电容值可设为：

R 1=1K Ω ， R 2=51K Ω ， C=10μF 由公式（3-1）计算得：T=0.721S 电路图如图3.1所示:

图

3.1 时钟电路

第二个时钟脉冲是74LS161的QD 输出，这样就可以完全保证数据选择器输

U1

1

DIS 7OUT

3

RST

4

8

T HR 6CON

5

T RI

2GND

VCC

555_VIRTUA L

R1

1k ohm

R2

51kohm

C1

0.01uF

C2

10uF

5V

VCC

出的两种码之间的间隔与彩灯每一种状态持续的时间成整数倍，彩灯完全按照要求循环。

3.2 四种码产生电路

根据彩灯要实现的四花样,可确定移位寄存器输出的二进制码,即四种码产生电路要产生的码，如表3-1所示：

表3-1 四花样彩灯循环代码表

要产生这四种码，可由十六进制计数器输出端Qa 、Qb 、Qc 、Qd 分别接数据选择器的C0、C1、C2、C3，十六进制计数器的真值表如表3-2所示：

表3-2 计数器真值表

花样

状态要求

周

期

（位） 码

1 一亮一灭，从左向右移动

2 1010101010101010 2 两亮两灭，从左向右移动 4 1100110011001100 3

四亮四灭，从左向右移动

8

1111000011110000

4

从1～8从00左到右逐次点亮，然后逐次熄灭

16 1111111100000000

序号原状态[S(t)]

Q4 Q3

Q2 Q1

次态[N(t)]

Q

4

Q3 Q2 Q1

输出

Z1Z2Z3Z4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15 0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 0 1

0 1 1 0

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 0 1 1

1 1 0 0

1 1 0 1

1 1 1 0

1 1 1 1

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 0 1

0 1 1 0

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 0 1 1

1 1 0 0

1 1 0 1

1 1 1 0

1 1 1 1

0 0 0 0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

由表3-2分析得：

Z1=Q1，Z2=Q2 ，Z3=Q3，Z4=Q4

所以四种码产生电路如图3.2所示：

图 3.2 四种码产生电路

3.3彩灯开关电路

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。使双D触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端（A、B），双D触发器与一个异或门（74LS86）组合能产生00、01、10、11这四钟循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四花样循环。

Q1 Q2 Q1* Q2*

0 0 0 1

0 1 1 0

1 0 1 1

1 1 0 0

由上表可知

Q1*=Q1 Q2 Q2*=!Q2

开关电路图如图3.3所示:

图 3.3 开关电路

3.4 花样输出电路

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，循环进行。

第四章电路方案设计

电路图设计，如附录1所示：

本电路图设计简单、结构清晰，可分为四种码产生电路、开关电路、输出电路和时钟电路这四个模块。四种码由模十六计数器产生，开关电路由双D触发器和数据选择器构成，输出电路由移位寄存器和彩灯构成，时钟电路由一个555及74LS161的QD输出构成。

通过改变多谐振荡器的电阻可改变彩灯流动的速度和各花样持续的时间，实现了彩灯花样的动态变化，增强了控制器的灵活性。

第五章实验、调试及测试结果分析

5.1结果的调试及分析

1.调试使用的主要仪器: 数字万用表直流稳压电源示波器

2、实验及调试：首先按照附录1 对电路进行布局，再根据信号的传输的线路来依次进行焊接，采取边焊接边调试的方式，一级一级下来，保证每个电路单元都正常工作（这里电路单元是这一个芯片），最后，布入总线，连通电路。实验中，为保证电路连接正常，调试时先是对每个芯片的功能进行检测，逐级确保电路连接的正确及芯片的正常工作，再来测试彩灯的变化结果，根据测试现象的观察，很显然达到了课题的设计要求。

3.调试中出现的故障、原因及排除方法

a、焊完电路之后接通电源，发现8个发光二极管中有一个没有被点亮。被认为是发光二极管一开始就是坏的，然后用一个新的经检查导通后使用，从新焊接上去。但是发现还是没有被点亮，然后用万用表蜂鸣档测量发现短路。经检查后发现，电路板上两个本该断开的两个焊盘由于在生产过程中一条细的铜条把两个焊盘导通了。经处理之后8个发光二极管全部被点亮。

b、在观察测试结果时，发现在彩灯花样形式由四亮四灭转变为全亮全灭时会出现一个短暂的停顿，这是因为每种花样形式都需要有一个特定的初状态，而转变时并没有出现所需的初状态，但这都是属于正常现象，它会自动转换到所需形式。

c、在观察测试结果时，发现彩灯花样形式转变并非是按题目要求的循环。彩灯是按照一亮一灭、四亮四灭、全亮全灭、二亮二灭的顺序来进行循环的，其原因是双D触发器是按00、10、11、01的循环码输出的，此时需适当调整触发器和异或门的线路结构，使之按00、01、10、11规律输出。经检查之后发现是由于一条线接错了，经改正之后出现了理想状态的循环亮灯。

d、彩灯的四种花样都有，但中间有一些混乱的状态：原因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。可改变双D触发器的CP脉冲，即改变多谐振荡器的电阻，使得一种花样完成后，数据选择器地址输入端状态改变，正好选择另一组码输出，彩灯花样改变。

在本设计中用74ls161D的Q4做双D触发器的CP脉冲，数据选择器输出的两种码之间的间隔恰好是彩灯每一种状态持续的时间的整数倍。

e、刚接上电源的时候彩灯出现短暂无规律现象，这是由于刚接上电的时候整个电路的电压不稳定，出现乱码。短暂不稳定之后，电路正常工作。属于正常现象。

第六章总结

设计电路关键在于对设计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，将总体的功能分成若干个部分来实现，是简化电路设计思路的很好方法；且搞清各个模块的功能与实现要求操作的具体方法，对电路故障的检查也是很有帮助。

参考文献

【1】石建平著. 数字电子技术. 国防工业出版社. 2011年

【2】电子技术实践（三）脉冲与数字电路实验指导书编辑：赵珂彭嵩【3】《中国集成电路大全》编写委员会.中国集成电路大全《TTL集成电路》.北京：国防工业出版社，1985

附录1 花样彩灯控制器原理总图