八路彩灯循环显示控制电路课程设计

目录

1前言 (1)

1.1序言 (1)

1.2目前彩灯的应用情况 (1)

1.3主要工作概述 (2)

2 总体方案设计 (3)

2.1方案比较 (3)

2.2方案论证 (4)

2.3方案选择 (4)

3.单元模块电路设计 (5)

3.1时钟信号发生器 (5)

3.2 序列信号发生器 (7)

3.3 移位输出显示电路 (13)

4软件设计 (16)

4.1Proteus仿真软件 (16)

4.2 Altium designer软件 (16)

4.3软件的设计结构 (18)

5系统调试 (19)

5.1脉冲信号发生器的调试 (19)

5.2序列信号发生器和以为输出显示电路调试 (20)

5.3整体电路的调试 (20)

5.4系统实现的功能 (21)

6设计总结与收获 (22)

7 参考文献 (24)

附录：彩灯显示控制电路原理图 (25)

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1前言

1.1序言

由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。在设计中更多的使用中，规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简捷，而且能提高电路的可靠性，降低成本。因此用集成电路来实现更多更复杂的器件功能则成为必然。随着社会市场经济的不断繁荣和发展，各种装饰彩灯、广告彩灯越来越多地出现在城市中。在大型晚会的现场，彩灯更是成为不可缺少的一道景观。小型的彩灯多为采用霓虹灯电路则不能胜任。在彩灯的应用中，装饰灯、广告灯、布景灯的变化多种多样，但就其工作模式，可分为三种主要类型：管做成各种各样和多种色彩的灯管，或是以日光灯、白炽灯作为光源，另配大型广告语、宣传画来达到效果。这些灯的控制设备多为数字电路。而在现代生活中，大型楼宇的轮廓装饰或大型晚会的灯光布景，由于其变化多、功率大，数字长明灯、流水灯及变幻灯。长明灯的特点是只要灯投入工作，负载即长期接通，一般在彩灯中用以照明或衬托底色，没有频繁的动态切换过程，因此可用开关直接控制，不需经过复杂的编程。流水灯则包括字形变化、色彩变化、位置变化等，其主要特点是在整个工作过程中周期性地花样变化。

本文所要设计的彩灯是用八个发光二极管代替的，能通过外部开关的操作，来实现彩灯亮点的左移、右移、全亮、全灭的效果。因此其会在越来越多的场合中使用，这使本设计具有很大的借鉴意义。这种控制电路可靠性，灵活性高，使用范围广，特别适合中小城市的交通灯、霓虹灯等的应用。而且，它对其他类似系统的开发具有一定的借鉴意义。

1.2目前彩灯的应用情况

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。彩灯广泛应用于流水灯、跑马灯、鸳鸯戏水灯、流水灯、控制功能，并给出了具体的硬件电路和相应的程序。此课题设计具有很大现实意义，LED彩灯广泛应用于商业街广告灯，也可作为歌厅、酒吧照

1.3主要工作概述

本文所要设计的八路彩灯的功能要求是通过手动开关操作，实现彩灯的两亮两灭的左移右移和全亮全灭的功能。以及在正式试验之前对彩灯的预置数功能，本实验的扩展功能也可以实现一亮一灭，三亮一灭，或者两亮的循环移位功能。

本课题内容属于软件电路的设计与应用方面，实现过程包括总体方案的提出比较及选择、电路原理设计、元器件（芯片）参数计算。针对现在彩灯的广泛应用，可见彩灯循环是今后提高节假日气氛的重要因之一，它的发展深度将更为广泛，使用率将会大幅度提高。本课题设计的八路彩灯循环控制电路，在今后的生活中，在投入生产时，可以是多路彩灯，将集成芯片级联使用，扩展其功能。本设计是由时钟信号发生器电路、序列信号发生器电路和移位输出显示电路组成。负载变化频率高，变换速度快，使人有眼花缭乱之感，分为多灯流动、单灯流动等情形，将会更为广泛的应用。

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2 总体方案设计

2.1方案比较

方案一：本方案是由555定时器、7490计数器、74138译码器和74ls794移位寄存器组成。7490计数器和74138译码器及74194移位寄存器的时钟信号由555振荡电路提供，改变555的振荡频率，即可改变计数器的计数快慢，即可控制彩灯闪烁快慢，计数器的输出信号输入至74138译码器，由74138译码。根据计数器输出不同的计数结果，即可控制74138译码器译码得到8种不同的输出信号，决定控制彩灯的循环变化。74138的输出接在74198的八个数据输入端，可以控制彩灯的循环移位的方向，即左移和右移。当计数器清零时，可以实现全灭功能.

图2.1方案一得设计框图

方案二：本方案是由555组成的多谐振荡器作为信号的脉冲发生器，74161计数器和74153双向数据选择器组成的序列信号发生器以及移位输出显示电路所共同组成。555多谐振荡器组成的信号脉冲源作为74161计数器、74194移位寄存器的clk连续脉冲信号。通过改变电阻、电容的大小，可以改变74161计数器的计数快慢程度，74161的输出端：Q0Q1作为74153的S0S1,Q2控制74153的两个使能端。双向数据选择输入端接SWDIP-8双端的开关‘控制它的输入。74153的两个输出端连接一个二输入的与非门，它的输出通过连接两个SWDIP-4接入74194的数据输入端，74194的两个芯片的S1S0通过SWDIP-2开关接电源以及电阻到地。改变SWDIP-2的通断状态，可以实现预置数，右移、左移的

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功能。

图2.2采用方案二的设计框图

2.2 方案论证

方案一：该系统是利用555多谐振荡器和7490计数器以及138译码器和74194移位寄器的彩灯显示功能。555发出脉冲信号，移位寄存器由计数器和译码器控制，1s的时间间隔，让彩灯实现间亮间灭的功能

方案二：该方案是使用555振荡脉冲电路和循环移位控制电路以及彩灯显示电路实现它的全亮全灭，二亮二灭，以及它的扩展功能一亮一灭、三亮一灭的循环、还有就是在实现各功能之前时的预置数功能，此系统都是通过开关控制的，比较方便。

2.3方案选择

上述两个方案最大区别就是，方案一采用的是译码器输出控制寄存器，实现功能的。方案二采用的是74153双向数据选择器输出端控制移位寄存器的输入端，中间是开关连接

的。很方便，价格也低廉，通过上述方案的比较，最后我选择了方案二。

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3.单元模块电路设计

3.1时钟信号发生器

主要用来产生脉冲信号。因为流水灯对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以可以采用555组成多谐振荡器，其输出脉冲作为下一级的时钟信号。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。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在5~16V工作，最大负载电流可达200mA，7555可在3~18V工作，最大负载电流可达4mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低，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。

555定时器构成多谐振荡器，组成信号产生电路接通电源后，VCC通过电阻R1、R2给电容C充电，充电时间常数为（R1+R2），电容上的电压vC按指数规律上升，当上升到VREF1=2VCC/3时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，RS=10，触发器被复位，放电管T28导通，此时v0输出低电平，电容C开始通过R2放电，放电时间常数约为R2C，vC 下降，当下降到VREF2=VCC/3时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，RS=01，触发器被置位，放电管T28截止，v0输出高电平，电容C又开始充电，当vC上升到时VREF1=2VCC/3，触发器又开始翻转。如此周而复始，输出矩形脉冲。其电路原理图如3.1所示。

图3.1555构成的多谐振荡器

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按一下运行键后，可看见输出端是出现高低电平交替，时间间隔是由电路中的电容和电阻决定。因为课程设计的任务中要求时间间隔为一秒，因此在仿真时，电阻和电容值还需要改变。从而改变频率，将脉冲信号输出。

脉冲信号发生器是由555定时器连接而成，工作电压为+5v。图3.2所示是555的引脚排列情况，表3.1是它的引脚功能。

图3.2 555管脚图

将管脚2.6输入端连接到一起，将管脚5通过一个电容接地，将7管脚通过电阻和电容到地，在通过一个电阻接到电源上，3管脚作为脉冲的输出端。电容是0.00001F,电阻是40K，电源和端口7之间的电阻是100K，就可以实现时间间隔为一秒。

振荡周期的计算：多谐振荡器的振荡周与两个暂稳态时间有关，两个暂稳态时间分别由电容充电、放电时间决定。设电路的第一暂稳态和第二暂稳态时间分别为T1、T2，根据以上分析所得电路状态转换时VI的几个特征值，可以计算电路振荡周期的值。T1的

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计算：t1作为第一暂稳态起点，t2作为第二暂稳态。T1=t2-t1,Vi(0+)=V

=0V,VI(t为无穷大)=VDD,t=RC,根据RC电路过度过程的分析可知，当VI由0v变化到Vth所需要的时间为T1=ln(/)

- T2的计算：同理，t2作为第二暂稳态时间起点，有RC VDD Vdd Vth

V(0+)=Vdd+ V=Vdd,V(t为无穷大)=0v

t=RC,由此可以求出T2=ln(/)

RC Vdd Vth

所以 T=T1+T2= T1=ln(/)

-+ln(/)

RC Vdd Vth

RC Vdd Vdd Vth

将Vth=Vdd/2带入上式有 T=RCln(4)=1.4RC

所以T=1.4RC=1?0.00001*R=1

所以 R=100000=100K

3.2 序列信号发生器

在数字信号的传共有74161和74LS161两种线路结构模式，其主要电特性的典型值如下：

表3.2序列信号发生器典型值

数字系统的测试中，有时需要用到一组特定的串行数字信号，这种数字信号称为序列信号。产生序列信号的电路称为序列信号发生器。序列发生器的构成方法有多种，比较简单、直观的方法是用计数器和数据选择器组成。可以由四位同步二进制计数器74LS161和八选一数据选择器74LS151或者双四选一的数据选择器74LS153组成。

161有超前进位功能。当计数溢出时，进位端（RCO）输出一个高电平脉冲，其宽度为QA的高电平部分。下图3.3是161对应的管脚图，3.2表是它的管脚功能表。

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图3.3 74161管脚

74161是4位二进制同步计数器（异步清零，）161为可预置的四位二进制同步计数器，161的清除端是异步的。当清零端CLEAR为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。

161的预置是同步的。当置入控制器LOAD为低电平时，在CLOCK上升沿作用下，输入端QA-QD与数据输入端A-D相一致。对于74161，当CLOCK由低至高跳变或跳变前，如果控制端ENP、ENT为高电平，则LOAD应避免由低至高电平的跳变，而74LS161无此种限制。

161的计数是同步的，靠CLOCK同时加在四个触发器上实现的。当ENP、ENT均为高平时，在CLOCK上升沿作用下QA-QD同时变化，从而消除了异步计数器的计数尖峰。对于54/74161，只有当CLOCK为高电平时，ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变，而54/74LS161的ENP、ENT跳变与CLOCK无关。计数器是由触发器级联而成，下图就有几个触发器构成的计数器。

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图3.4触发器构成的计数器

下图3.4是在TINA 软件中用74ALS161的计数器所实现的16进制计数器。

13Lab el1

3.5 74161计数器原理图

图3.6 74161计数器的加计数仿真图

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74161计数器，因为是有触发器构成的，因此，它的的工作条件是在CLK的有效触发边沿有效才行

下图是计数器74ALS161的波形图：

图3.7 74161波形图

74ALS153双向数据选择器：数据选择是指经过选择，把多路数据中的某一路数据传送到公共数据线上，实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器。它的作用相当于多个输入的单刀多掷开关，74153是一个双四选一的数据选择器，它是由两组四选一数据选择器，共有54/74152、54/74LS153、54/74S153三种线路结构模式，其主要电特性典型值如下：

数据选择器（AB）为两组共用，按二进制译码，以供两组从各自的4个数据（1C0—1C3,2C0—2C3）中分别选取一个所需的数据。只有在两组各自的选通端（1G,2G）

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为低电平时才可以选择数据。下图3.7为74153双向数据选择器的管脚图

图3.7 74153管脚图

下表是74153的双向数据选择器的真值表：

只有当各自的G在有效状态时才开始工作，

下面是类似它的74151的仿真波形图

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74161的波形图

74153的两个输出通过一个与非门去控制下一级的输入，用开关控制。

下图是序列信号发生器的原理图，是由74161和74153相互连接组合而成：如图下图

下图3.8 74161和74153级联图

其中74161的CLK是由前一级的555输出脉冲作为脉冲信号源的。通过控制左上角的swdip-8的开关，可以控制74153的数据输入端，74161的两个输出，控制了74153的地址输入端。其中161中叶有一个swdip-4de开关，用于给74161计数器实现预置数功能的作用，161的进位端因为没有作用，所以悬空着的。这样通过进行161和153的组合，就连接成了序列信号发生器，为信号做输入准备。

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3.3 移位输出显示电路

四位双向移位寄存器是采用四个SR触发器，并在1R和1S输入之间接入了一个与非门，这样构成的寄存器，它的最低有效位（LSB）和最高有效位（MSB）的电路排列顺序应从上到下，从左到右。因此，定义移位寄存器中的数据从低位触发器移向高位为右移，移向低位为左移。有时要求在移位过程中，数据任然保持在寄存器中不丢失。此时，只要将移位寄存器最高位的输出接至最低位的输入，或将最低位的输出接至最高位的输入，变可实现环形移位寄存器。

用两个74LS194接成多位双向移位寄存器，移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中.所存的代码能够在移位脉冲的作用下一次左移或右移，把既能左移又能右移的称为双向移位寄存器，只需要改变左右控制信号便可以实现双向移位要求。根据移位寄存器存取信息大方式不同分为：串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。我在本课题设计中采用的是4位双向通用移位寄存器，74LS194，其逻辑图如下图3.9。

+

3.9 74194管脚图

74194有5种不同的操作模式：即并行送数寄存，右移（方向由Q0-Q3）,左移（方向由Q3-Q0）,保持及清零。

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下表为74194的功能真值表：

移位寄存器的应用很广，可构成移位寄存器型计数器，顺序脉冲发生器；串行累加器；可用作数据交换，即把串行数据转换为并行数据，或把并行数据转换为串行数据。而在本课题中，我们应用了它的基本逻辑功能。由于课程设计任务的要求，是八路循环，所以，我采用了两片74194级联，来来作为移位输出显示电路。下图3.10就是本次设计的移位输出显示电路图：

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图3.10以为输出显示电路

在整个设计中所用到的器件有：定值电阻，滑动电阻，电容，LED灯，74ALS04（反相器）7400（与非门），74ALS161（计数器），74ALS153（双向移位寄存器），SWDIP-8(开关),SWDIP-4(开关)，SW-SPST(单刀单掷开关)，SWDIP-2(开关)，74HC794(移位寄存器)等

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4软件设计

4.1Proteus仿真软件

Proteus软件是来自英国Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA 工具软件。Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等。

Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被《电子世界》在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品—“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。其功能模块：—个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真； ARES PCB设计。PROSPICE 仿真器的一个扩展PROTEUS VSM:便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型.

这个仿真软件比较适合我们初学者使用，安装好这个软件后，打开软件，就可以在模块中画出自己所需要的仿真原理图。当画好以后，点击运行，就可以进行电路仿真了。

4.2 Altium designer软件

Altium Designer符合电子设计师的要求。Altium的一体化设计结构将硬件、软件和可编程硬件集合在一个单一的环境中，这将令用户自由地探索新的设计构想。在整个设计构成中，每个人都使用同一个设计界面。 Summer 09版本解决了大量历史遗留的工具问题。其中就包括了增加更多的机械层设置、增强的原理图网络类定

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义。新版本中更关注于改进测试点的分配和管理、精简嵌入式软件开发、软设计中智能化调试和流畅的License管理等功能。

09版本改进了在线实时及批量DRC检测中显示的传统违规的图形化信息，其含盖了主要的设计规则。利用与一个可定义的指示违规信息的掩盖图形的合成，用户现在已经可以更灵活的解决出现在设计中的DRC错误。09版本允许用户在PCB文件中自定义布线网络显示的颜色。现在，用户完全可以使用一种指定的颜色替代常用当前板层颜色作为布线网络显示的颜色。并将该特性延伸到图形迭层模式，进一步增强了PCB的可视化特性。Altium Designer 09版本为板级设计新增了16个机械层定义，使总的机械层定义达到32层。其它提升了PCB向Specctra导出数据的兼容性 3D单层显示模式：改进了测试点管理系统。

Altium Designer现在可以允许用户使用网络类标签功能在原理图设计中将所涵盖的每条信号线纳入到自定义网络类之中。当从原理图创建PCB时，就可以将自定义的网络类引入到PCB规则。使用这种方式定义网络的分配，将不再需要担心耗费时间、原理图中网络定义的混乱等问题。09版本将提供更加流畅、高效和整齐的网络类定义的新模式。

Altium Designer Summer 09版本提供了装配变量和板级元件标号的图形编辑能。在编译后的原理图源文件中就可以了解装配变量和修改板级元件标号，这个新的特性奖令你从设计的源头就可以快速、高效的完成设计的变更；对于装配变量和板级元件标号变更操作，更重要的是这将提供一种更快速、更直观的变通方法。Altium Designer已经为用户提供了一种可定制虚拟仪器的功能，在新的版本中您还将看到Altium新增了一种在FPGA内利用脚本编程实现可定制虚拟仪器的功能。该功能将为用户提供一种更直观、界面更友好的脚本应用模式。

在Altium Designer Summer 09版本中，用户将看到一种全新的虚拟存储仪（MEMORY_INSTRUMENT）。就在虚拟仪器内部，其就可提供一个可配置存储单元区。利用这个功能可以实现从其它逻辑器件、相连的PC和虚拟仪器面板中观察和修改存储区数据。

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4.3软件的设计结构Array

图4.1设计结构图

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5 系统调试

5.1 脉冲信号发生器的调试

本课程设计是在Proteus软件中实现调试的，调试的方法很简单，在绘好原理图后，就可以进行仿真了，在这个软件里面仿真，如果出现错误，会提示你的问题所在。如果你的原理图设计中毫无问题的话，那就可以仿真成功，可以实现你预计中的效果。

因为时钟信号发生器就够较为简单，因此在绘制好此图是，进行调试中很顺利，没有出现什么问题，因为时间间隔为一秒通过计算可以知道总电阻约为110K左右。电容为0.00001F.在参数设置正确后，在进行仿真调试，时间基本上为一秒的间隔，这个现象可以通过555的输出端接的LED灯的闪烁确定。

图5.1时钟信号发生器仿真图