简易彩灯控制电路课程设计

目录

摘要 (1)

1 设计要求 (1)

1.1设计课题 (1)

1.2主要内容 (1)

1.3技术要求 (1)

2 系统组成及工作原理 (2)

2.1系统组成框图 (2)

2.2工作原理分析 (2)

3 电路方案设计 (4)

3.1电路图设计 (4)

4 单元电路设计 (5)

4.1时钟脉冲产生电路 (5)

4.2分频电路的工作原理 (6)

4.3状态机电路 (7)

4.4移位输出电路 (8)

4.5桥式整流电路 (8)

4.6发光二级管 (9)

结束语 (11)

致谢 (12)

参考文献 (13)

附录 (14)

附录１：元器件清单 (14)

附录２：输出状态编码 (14)

附录３:元件引脚图 (15)

附录４：元件功能表 (16)

附录5：总设计图 (18)

简易彩灯控制器电路

摘要

彩灯控制器是用来使彩灯按照一定的形式和规律闪亮，起到烘托节日氛围、吸引公众注意力的作用，它是一种很好的照明娱乐工具，应用前景较为广泛。本设计就是采用电子元件制作的一个简易的具有四种变换花型的彩灯控制器。

本电路系统由四部分组成，分别是：

（1）时钟振荡电路，555定时器构成多谐振荡器；

（2）分频电路，由四位二进制计数器 74LS161组成，为D 触发器提供时钟；

（3）状态机电路，由双 D 触发器组成；

（4）移位显示电路，由双向移位寄存器 74194 和发光二极管组成，实现花型显示。

彩灯控制器实现方法多种多样，本次设计的这台彩灯控制器主要功能有：（1）可以控制8个以上的彩灯；（2）可以组成四种以上花型，并且每种花型能够连续循环两次，各种花型轮流显示。

本电路基于 74系列简单逻辑门电路的组合，实现简易电子彩灯控制器电路，具有电路设计简单，成本低廉的特点。

关键词：时钟脉冲；分频；双D触发器；移位寄存器；计数器

1 设计要求

1.1设计课题

题目：简易彩灯控制器电路

1.2主要内容

1.2.1 阅读相关文献。

1.2.2 学习电子制图软件的使用。

1.2.3 学会整理和总结设计文档报告。

1.2.4 学会如何查找器件手册及相关参数。

1.3 技术要求

1.3.1要求电路能够控制8个以上的彩灯。

1.3.2要求彩灯组成四种以上的花形，每种花形连续循环两次，各种花形轮流显示。

2 系统组成及工作原理

2.1系统组成框图

把四花型彩灯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。系统可由四个模块组成，它们分别是：时钟产生电路、分频电路、移位显示电路、状态机电路。设计框图如图2.1所示：

图2-1 设计框图

第一部分，由555定时器构成时钟振荡电路，产生固定频率的脉冲；第二部分，由四位二进制计数器 74LS161 组成分频电路，为 D 触发器提供时钟，为状态机提供时钟；第三部分，采用双 D 触发器 74LS74 组成状态机电路，实现四种花样的轮流显示；第四部分，采用双向移位寄存器74LS194 组成移位输出电路。

2.2工作原理分析

由555定时器构成的时钟振荡电路产生固定频率的脉冲，一方面作用于由

74161组成的分频电路，一方面作用于由74F194构成的移位输出电路，为他们提供时钟信号。由于74161是16分频计数器，故每十六个脉冲74LS161进位一次,致使触发器U1A翻转一次，而触发器U2A的3脚连接的是触发器U1A的5脚，实现了U1A的16分频和U2A的32分频。所以平均U1A翻转两次而U2A翻转一次。集成移位寄存器74194由个RS触发器及他们的输入控制电路组成，其中Ｓ1和Ｓ0是两个控制输入端。双Ｄ触发器的输出端改变Ｓ0,Ｓ1的值，实现左右移动控制。可组成U1A左移，U2A右移；U1A右移，U2A右移；U1A左移，U2A左移；U1A右移，U2A左移四种花型。每十六个脉冲每种花型恰好循环两次，而此时Ｄ触发器翻转，转换为下一种花型。

3.1电路图设计

将各单元电路组织起来就得到了系统电路图，如附录Ｆ所示。本电路图设计简单、结构清晰，可分为时钟产生电路、分频电路、移位显示电路、状态机电路。555定时器构成时钟电路，由四位二进制计数器 74LS161组成分频电路，由双向移位寄存器 74194 和发光二极管组成移位显示电路，双D触发器构成状态机电路。

4.1 时钟脉冲产生电路

用555路图如图4.1所示:

图４-１ 由555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS 触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。它的各个引脚功能如下：

1脚：GND （或Vss ）外接电源负端VSS 或接地，一般情况下接地。

8脚：VCC （或VDD ）外接电源VCC ，双极型时基电路VCC 的范围是4.5~16V,CMOS 型时基电路VCC 的范围为3~18V 。一般为5V 。

3脚：OUT （或Vo ）或输出端。

2脚：TR 低触发器。

6脚：TH 高触发器。

4脚：R 是直接清零端。当R 端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR 、TH 处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01mF 电容接地，以防引入干扰。

7脚：D 放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。电

阻分压器由三个5K的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。

接通电源后，电容Ｃ5被充电，当２管脚处的电压上升到２Ｖcc/3时，使Ｖo为低电平，同时放电三极管Ｔ导通，此时电容Ｃ５通过Ｒ２和Ｔ放电，Ｖc下降。当Ｖc下降掉Ｖcc/3时，Ｖo翻转为高电平。振荡器的振荡频率为1.43/(R1+R2+R2)C5。

4.2分频电路的工作原理

图4-2 74LS161引脚图

74LS161是4位二进制同步加计时器。其中1脚是异步清零端，9脚是预置控制端，P0,P1,P2,P3是预置数据输入端，RCO是预置数据输入端，7和10脚是计数控制端。(1)异步清零：当1脚接低电平时，不管其他输入的状态如何，计数器直接清零。(2)同步并行预置数；在1脚接高电平的条件下，当9脚接低电平且有时钟脉冲时P0,P1,P2,P3输入端的数据分别被Q0,Q1,Q2,Q3所接收。(3)保持：1和9脚同时接高电平，两个记数使能端有一个接低电平时，不管有无脉冲，记数器都保持原状态不变。(4)记数：当1,7,9,10管脚都接高电平时，计数

器处于记数状态。当时钟电路产生16个脉冲时，计数器进位端进1，促使D触发器翻转或截止。

4.3状态机电路

图4-3状态机电路图

状态机电路由两个Ｄ触发器组成。触发器U1A的５脚与触发器的U2A的3脚连接，从而实现U1A的16分频和U2A的32分频。Ｄ触发器为上升沿出发，当脉冲由低电平变为高电平时，Ｄ触发器发生翻转。本电路中，假设开始时U1A 的５脚为高电平，则U2A的3脚也为高电平，分频电路16拍进位一次，促使触发器U1A发生翻转使５脚变为低电平则U2A的3脚也变为低电平。当分频电路经过第二个16拍时，再次进位，U1A的５脚为高电平而此时U2A的2脚也再次变为高电，此过程中U2A经历了一个上升沿触发，翻转一次，从而实现四种花型的轮流变换。

4.4移位输出电路

图4-4 移位输出电路电路图

集成移位寄存器74194由4个RS触发器及他们的输入控制电路组成，其中Ｓ1和Ｓ0是两个控制输入端,A、B、C、D是并行输入端。如表１所示，他们的状态组合可以完成四种控制功能，其中左移和右移两项是串行输入，数据是分别从左移输入端7引脚和右移输入端2引脚送入寄存器中的。1引脚为异步清零。如图U1B,本电路中要求移位过程中数据不丢失，故采用将移位寄存器的最高位输出端15脚和最低位输入端2引脚连接以及让移位寄存器的最低位输出端12引脚和最高位输入端7引脚连接。，形成环形计数器。从而实现四种花型的循环输出。

表1 74194双向移位寄存器控制端的逻辑功能

4.5桥式整流电路

图4-5 桥式整流电路电路图

桥式整流电路电路具有将双向的交变

电压变换为单向的脉动电压的功能，可以将

从电路中输入的交流电变成直流电，是使用

最多的一种整流电路。这种电路，只要增加

两只二极管口连接成"桥"式结构，便具有全

波整流电路的优点，而同时在一定程度上克

服了它的缺点。

以上满足了我们提高变压器利用率并降低整流管最大反向电压的要求，实现了二极管整流输出的最佳性能。

需要特别指出的是，二极管作为整流元件，要根据不同的整流方式和负载大小加以选择。。如选择不当，则或者不能安全工作，甚至烧了管子；或者大材小用，造成浪费。"另外，在高电压或大电流的情况下，如果手头没有承受高电压或整定大电滤的整流元件，可以把二极管串联或并联起来使用。

4.6发光二级管

发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化钾二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N 半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子

与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

图4-6 发光二级管

一周的课程设计，使自己收获很多，加深了对书上及老师所讲知识的理解。在本次电子课程设计的学习和研究过程中我感觉受益很深，不但让我懂得了许多理论知识，更给了我一个理论联系实际的机会，让我学到了许多书上学不到的东西。

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功能单元来实现，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。

通过这次电子课程设计，我学到了很多东西，如查找资料，设计比较，从各种图中提取所需。此外，这次课还让我们学到很多，也吸取了很多教训。以前感觉考试考得高分就是学到知识了，当真正自己动手去做时才认识到自己犯了多大的错误。在画原理图是需要用到Altium Designer，这有力的巩固了我们本学期刚学完的Altium Designer知识。

理论学得再好如果不能用到实践中去等于没学。通过此次的课程设计，真正提高了我们动手能力，学会获取资料，活跃了自己的思维，巩固了我们所学的知识。

最后，感谢此次课程设计过程中一直给予我们支持与帮助的老师们，感谢您们的耐心指导！

我从这次的设计中感受到了坚持的重要性，做事情不能轻言谈放弃，虽然过程不顺利，但是只要我们能坚持，朝着自己既定的目标前进，就一定会走到终点。一点小小的挫折实际上是在为最后的美景做铺垫，当我们守得云开见月明的时候，就会发现，沿途的曲折其实是在考验我们的目标是否坚定。坚持下来，我们会收获丰硕的果实。

电子课程设计，不仅让我们的知识更加牢固，还让我意识到我们所学的知识可以与生活紧密的联系起来。这让我对自己有了更多的信心，因为我们在大学里面不是混日子，而是在学习真正对我们的生活有帮助的知识和能力。一个小小的课程设计，却让我有了大大的希望。我会更加珍惜现在这么好的学习环境，努力学习知识，让自己在激烈的社会竞争中立足，也把自己所学的知识运用到生活实际中来回报社会。最后再次感谢老师和同学们的无私的帮助，希望老师们工作顺利、身体健康，同学们的学习生活更上一层楼。

参考文献

[1] 何小艇. 电子系统设计[M]. 浙江大学出版社, 2001年6月

[2] 姚福安. 电子电路设计与实践[M]. 山东科学技术出版社, 2001年10月

[3] 王澄非. 电路与数学逻辑设计实践[M]. 东南大学出版社, 1999年10月

[4] 李银华. 电子线路设计指导[M]. 北京航空航天大学出版社, 2005年6月

[5] 康华光. 电子技术基础[M]. 高教出版社, 2003年

附录

附录１：元器件清单

附录２：输出状态编码

四种花型如下：

花型一：四个灯为一组，两组均从右向左亮起，再从右向左灭掉。

花型二：四个灯为一组，两组均向中间亮起，再从两边向中间灭掉。

花型三：四个灯为一组，两组均从左向右亮起，再从左向右灭掉。

花型四：四个灯为一组，两组均从中间向两边亮起，再从中间向两边灭掉。

附录３:元件引脚图

附录４：元件功能表 555时基电路的功能表

74LS194功能表

74LS161功能表

Ｄ触发器功能表