數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計表格(第四組)

1、 2012 2013 學(xué)年 第 二 學(xué)期 數(shù)字電子技術(shù) 課 程 設(shè) 計 報 告題 目： 四花樣彩燈控制器 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 11電信1班 姓 名： 指導(dǎo)教師： 電氣工程學(xué)院2013年月日四花樣彩燈控制器摘 要LED彩燈由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價以及控制簡單等特點而得到廣泛的應(yīng)用。用彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時尚。優(yōu)易LED全彩燈光控制系統(tǒng)由Color Edit編輯軟件、主控制器、分控制器和LED光源組成，廣泛應(yīng)用于城市景觀、風(fēng)景名勝、道路橋梁、建筑輪廓、娛樂場所、戶外廣告、室內(nèi)裝飾等美化、亮化工程。電路由雙D觸發(fā)器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成開關(guān)電路，由移位寄存器和八個彩

2、燈構(gòu)成輸出電路，時鐘脈沖控制模十六計數(shù)器和移位寄存器，分頻計數(shù)器的Qd控制雙D觸發(fā)器。而第二種方案：用兩個555來產(chǎn)生時鐘脈沖，通過試驗可知這回導(dǎo)致數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼第一種方案：由一個555構(gòu)成時鐘電路，由模十六計數(shù)器構(gòu)成四種碼產(chǎn)生電之間的間隔與彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間不成整數(shù)倍，使彩燈的一種花樣完成后并沒有進入另一種狀態(tài)，當(dāng)進入另一種狀態(tài)時上一種狀態(tài)的多余碼進入下一個狀態(tài)，故出現(xiàn)了混亂的狀態(tài)。而且比所采用的設(shè)計方案多出了一個555芯片。在工程成本上就相應(yīng)地增加了經(jīng)費，工程上不可取，非最佳設(shè)計方案。因此選擇方案一。關(guān)鍵字：LED 觸發(fā)器 555芯片目 錄第一章 概述41.1 前言背景41.

3、2 設(shè)計目的及要求4第二章 系統(tǒng)組成及工作原理52.1 原理框圖52.2 系統(tǒng)工作原理52.3 方案比較6第三章 單元電路設(shè)計與計算73.1 時鐘脈沖產(chǎn)生電路73.2 四種碼產(chǎn)生電路73.3 彩燈開關(guān)電路103.4 花樣輸出電路113.5 整體電路設(shè)計11第四章 調(diào)試及測試結(jié)果分析124.1 結(jié)果的調(diào)試及分析12第五章 總結(jié)14參考文獻(xiàn)15附錄一 花樣彩燈控制器原理總圖16附錄二 各芯片管腳圖17附錄三 元器件清單18答辯記錄及評分表19第一章 概述1.1 前言背景彩燈控制器有著非常廣泛的運用，如：LED彩燈，音樂彩燈控制器，二維彩燈控制器等等，現(xiàn)簡單介紹如下：隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化

4、，在許多場合可以看到彩色霓虹燈。LED彩燈由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價以及控制簡單等特點而得到了廣泛的應(yīng)用，用 彩燈來裝飾街道和城市建筑物已經(jīng)成為一種時尚。但目前市場上各式樣的LED彩燈控制器大多數(shù)用全硬件電路實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一，這樣一旦制作成品只能按照固定的模式閃亮，不能根據(jù)不同場合、不同時間段的需要來調(diào)節(jié)亮燈時間、模式、閃爍頻率等動態(tài) 參數(shù)。優(yōu)易LED全彩燈光控制系統(tǒng)由Color Edit編輯軟件、主控器、分控器和LED光源組成，廣泛應(yīng)用于城市景觀、風(fēng)景名勝、道路橋梁、建筑輪廓、娛樂場所、戶外廣告、室內(nèi)裝飾等美化、亮化工程。四花樣自動切換的彩燈控制器，其電路簡單、取材容易，而

5、且被廣泛地應(yīng)用與現(xiàn)實生活當(dāng)中。例如用于店面裝飾可以增加其美觀，吸引更多顧客。在經(jīng)過了幾天緊張的電路焊接和調(diào)試，期間還進行了部分方案的修改和改進，現(xiàn)已實現(xiàn)了課程設(shè)計的主要任務(wù)和具體要求。1.2 設(shè)計目的及要求(一) 目的:通過設(shè)計方案的比較，對比電路的復(fù)雜與簡單，器件的市場價格等方面因素，來選擇一種比較好的可行性設(shè)計方案（二） 基本要求：設(shè)計一四花樣自動切換的彩燈控制器，要求實現(xiàn)如下(1) 彩燈一亮一滅,從左向右移動；(2) 彩燈兩亮兩滅，從左向右移動；(3) 四亮四滅，從左向右移動；(4) 從18從左到右逐次點亮，然后逐次熄滅； (5) 四種花樣自動變換。（三） 主要參考芯片： 555,74L

6、S161，74LS74,74LS153,74LS164,74LS86第二章 系統(tǒng)組成及工作原理2.1 原理框圖系統(tǒng)可由四個模塊組成：四種碼產(chǎn)生電路、開關(guān)電路、數(shù)據(jù)輸出、時鐘電路。每一個模塊完成特定的功能,再把它們有機的組織起來構(gòu)成一個系統(tǒng)完成彩燈控制器的設(shè)計。參考框圖如圖2-1所示：圖2-1參考框圖由一個555構(gòu)成時鐘電路，由模十六計數(shù)器構(gòu)成四種碼產(chǎn)生電路，由雙D觸發(fā)器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成開關(guān)電路，由移位寄存器和八個彩燈構(gòu)成輸出電路，時鐘脈沖控制模十六計數(shù)器和移位寄存器，分頻計數(shù)器的Qd控制雙D觸發(fā)器。2.2 系統(tǒng)工作原理1、 從多諧振蕩器(555)出來的脈沖信號作為計數(shù)脈沖送到模十六計數(shù)器（74

7、LS161）和移位寄存器（74LS164）；雙D觸發(fā)器（74LS74）的脈沖信號由74LS161的Qd提供。2、分頻計數(shù)器、雙D觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器共同組成一個電子開關(guān)，控制四種花色的輸出及循環(huán)。3、由要求（1）到（4）可選輸出狀態(tài)位為8位(則選擇74LS164來實現(xiàn)右移)a、彩燈一亮一滅,從左向右移動：實現(xiàn)這一要求需使輸出狀態(tài)為10101010，其周期位為2位。b、彩燈兩亮兩滅，從左向右移動：實現(xiàn)這一要求需使輸出狀態(tài)為11001100，其周期位為4位。c、四亮四滅，從左向右移動：實現(xiàn)這一要求需使輸出狀態(tài)為11110000，其周期位為8位。d、從18從左到右逐次點亮，然后逐次熄滅：實現(xiàn)這一要求需

8、使輸出狀態(tài)為1111111100000000，其周期位為16位。2.3 方案比較 方案比較如下圖2-3所示：十六計數(shù)器數(shù)據(jù)選擇器移位寄存器多諧振蕩器多諧振蕩器雙D觸發(fā)器輸出圖2-3方案比較圖用兩個555來產(chǎn)生時鐘脈沖，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼之間的間隔與彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間不成整數(shù)倍，使彩燈的一種花樣完成后并沒有進入另一種狀態(tài)，當(dāng)進入另一種狀態(tài)時上一種狀態(tài)的多余碼進入下一個狀態(tài)，故出現(xiàn)了混亂的狀態(tài)。若要成為倍數(shù)關(guān)系，提供雙D觸發(fā)器的脈沖周期至少是提供單脈沖的16倍，即=16*。 =2*（+2*）* ； =2（+2*）* 此時需改變雙D觸發(fā)器的CP脈沖，即改變多諧振蕩器的電阻，使得一種

9、花樣完成后，數(shù)據(jù)選擇器地址輸入端狀態(tài)改變，正好選擇另一組碼輸出，彩燈花樣改變。但此種改法較復(fù)雜，在計算電阻和電容的過程中并沒用相應(yīng)的阻值、容值來提供選擇。而且比所采用的設(shè)計方案多出了一個555芯片。在工程成本上就相應(yīng)地增加了經(jīng)費，工程上不可取，非最佳設(shè)計方案。第三章 單元電路設(shè)計與計算3.1 時鐘脈沖產(chǎn)生電路用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個周期性的矩形脈沖,其周期為: T=0.7(R1+2R2)C (3-1)其中兩個555產(chǎn)生兩個時鐘脈沖,一個控制74LS161模十六計數(shù)器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動,其周期設(shè)為1秒左右, 電阻值和電容值可設(shè)為：R1=1K ， R2=5

10、1K ， C=10F由公式（3-1）計算得：T=0.721S電路圖如圖3-1所示: 圖3-1 時鐘電路 第二個時鐘脈沖是74LS161的QD輸出，這樣就可以完全保證數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼之間的間隔與彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間成整數(shù)倍，彩燈完全按照要求循環(huán)。3.2 四種碼產(chǎn)生電路根據(jù)彩燈要實現(xiàn)的四花樣,可確定移位寄存器輸出的二進制碼,即四種碼產(chǎn)生電路要產(chǎn)生的碼，如表3-1所示：表3-1 四花樣彩燈循環(huán)代碼表花樣狀態(tài)要求周期（位）碼1一亮一滅，從左向右移動210101010101010102兩亮兩滅，從左向右移動411001100110011003四亮四滅，從左向右移動811110000111100

11、004從18從00左到右逐次點亮，然后逐次熄滅 161111111100000000要產(chǎn)生這四種碼，可由十六進制計數(shù)器輸出端Qa、Qb、Qc、Qd分別接數(shù)據(jù)選擇器的C0、C1、C2、C3，十六進制計數(shù)器的真值表如表3-2所示： 表3-2 計數(shù)器真值表序號原狀態(tài)S(t)Q4 Q3Q2 Q1次態(tài)N(t)Q4 Q3 Q2 Q1輸出Z1Z2Z3Z401234567891011121314150 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01

12、1 1 10 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 00000000100000001100000011000000111100001111000011111111000000001由表3-2分析得：Z1=Q1，Z2=Q2 ，Z3=Q3，Z4=Q4所以四種碼產(chǎn)生電路如圖3-2所示： 圖 3-2 四種碼產(chǎn)生電路3.3 彩燈開關(guān)電路要實現(xiàn)彩燈四花樣的自動轉(zhuǎn)換，就要使四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153循環(huán)地輸出Z1、Z2、Z3

13、、Z4。使雙D觸發(fā)器的輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的兩個地址輸入端（A、B），雙D觸發(fā)器與一個異或門（74LS86）組合能產(chǎn)生00、01、10、11這四種循環(huán)的狀態(tài)，從而使選擇器循環(huán)的選擇一種碼輸出，實現(xiàn)彩燈的四花樣循環(huán)。如下表3-3所示。 表3-3循環(huán)狀態(tài)表 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*=Q1Q2 Q2*=!Q2開關(guān)電路圖如圖3-4所示:圖 3-4 開關(guān)電路3.4 花樣輸出電路輸出電路由八位移位寄存器74LS164、八個彩燈和八個驅(qū)動電阻構(gòu)成。寄存器的數(shù)據(jù)輸入端接收開關(guān)電路輸出的四種碼，這四種碼在移位寄存器的八位并行輸出端從

14、QA向QH移動，輸出四種彩燈花樣，循環(huán)進行。3.5 整體電路設(shè)計電路圖設(shè)計，如附錄一所示：本電路圖設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)清晰，可分為四種碼產(chǎn)生電路、開關(guān)電路、輸出電路和時鐘電路這四個模塊。四種碼由模十六計數(shù)器產(chǎn)生，開關(guān)電路由雙D觸發(fā)器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成，輸出電路由移位寄存器和彩燈構(gòu)成，時鐘電路由一個555及74LS161的QD輸出構(gòu)成。通過改變多諧振蕩器的電阻可改變彩燈流動的速度和各花樣持續(xù)的時間，實現(xiàn)了彩燈花樣的動態(tài)變化，增強了控制器的靈活性。第四章 調(diào)試及測試結(jié)果分析4.1 結(jié)果的調(diào)試及分析1. 調(diào)試使用的主要儀器: 數(shù)字萬用表 直流穩(wěn)壓電源 示波器 2實驗及調(diào)試：首先按照附錄1對電路進行布局，再根

15、據(jù)信號的傳輸?shù)木€路來依次進行焊接，采取邊焊接邊調(diào)試的方式，一級一級下來，保證每個電路單元都正常工作（這里電路單元是這一個芯片），最后，布入總線，連通電路。實驗中，為保證電路連接正常，調(diào)試時先是對每個芯片的功能進行檢測，逐級確保電路連接的正確及芯片的正常工作，再來測試彩燈的變化結(jié)果，根據(jù)測試現(xiàn)象的觀察，很顯然達(dá)到了課題的設(shè)計要求。3. 調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法a、焊完電路之后接通電源，發(fā)現(xiàn)8個發(fā)光二極管中有一個沒有被點亮。被認(rèn)為是發(fā)光二極管一開始就是壞的，然后用一個新的經(jīng)檢查導(dǎo)通后使用，從新焊接上去。但是發(fā)現(xiàn)還是沒有被點亮，然后用萬用表蜂鳴檔測量發(fā)現(xiàn)短路。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)，電路板上兩個本該斷

16、開的兩個焊盤由于在生產(chǎn)過程中一條細(xì)的銅條把兩個焊盤導(dǎo)通了。經(jīng)處理之后8個發(fā)光二極管全部被點亮。b、在觀察測試結(jié)果時，發(fā)現(xiàn)在彩燈花樣形式由四亮四滅轉(zhuǎn)變?yōu)槿寥珳鐣r會出現(xiàn)一個短暫的停頓，這是因為每種花樣形式都需要有一個特定的初狀態(tài)，而轉(zhuǎn)變時并沒有出現(xiàn)所需的初狀態(tài)，但這都是屬于正?，F(xiàn)象，它會自動轉(zhuǎn)換到所需形式。c、在觀察測試結(jié)果時，發(fā)現(xiàn)彩燈花樣形式轉(zhuǎn)變并非是按題目要求的循環(huán)。彩燈是按照一亮一滅、四亮四滅、全亮全滅、二亮二滅的順序來進行循環(huán)的，其原因是雙D觸發(fā)器是按00、10、11、01的循環(huán)碼輸出的，此時需適當(dāng)調(diào)整觸發(fā)器和異或門的線路結(jié)構(gòu)，使之按00、01、10、11規(guī)律輸出。經(jīng)檢查之后發(fā)現(xiàn)是由于一

17、條線接錯了，經(jīng)改正之后出現(xiàn)了理想狀態(tài)的循環(huán)亮燈。d、彩燈的四種花樣都有，但中間有一些混亂的狀態(tài)：原因是數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼之間的間隔大于彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間，使彩燈的一種花樣完成后并沒有進入另一種狀態(tài)，當(dāng)進入另一種狀態(tài)時上一種狀態(tài)的多余碼進入下一個狀態(tài)，故出現(xiàn)了混亂的狀態(tài)。可改變雙D觸發(fā)器的CP脈沖，即改變多諧振蕩器的電阻，使得一種花樣完成后，數(shù)據(jù)選擇器地址輸入端狀態(tài)改變，正好選擇另一組碼輸出，彩燈花樣改變。在本設(shè)計中用74ls161D的Q4做雙D觸發(fā)器的CP脈沖，數(shù)據(jù)選擇器輸出的兩種碼之間的間隔恰好是彩燈每一種狀態(tài)持續(xù)的時間的整數(shù)倍。e、剛接上電源的時候彩燈出現(xiàn)短暫無規(guī)律現(xiàn)象，這是由于

18、剛接上電的時候整個電路的電壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)亂碼。短暫不穩(wěn)定之后，電路正常工作。屬于正?，F(xiàn)象。第五章 總結(jié)設(shè)計電路關(guān)鍵在于對設(shè)計要求的理解分析以及對基本電路相關(guān)知識的熟練掌握。設(shè)計電路時，將總體的功能分成若干個部分來實現(xiàn)，是簡化電路設(shè)計思路的很好方法；且搞清各個模塊的功能與實現(xiàn)要求操作的具體方法，對電路故障的檢查也是很有幫助。本次試驗的內(nèi)容是四花樣彩燈控制器。由于在以前的學(xué)習(xí)中積累了一些經(jīng)驗，這次設(shè)計總的來說是比較順利的。通過設(shè)計，我進一步熟悉了Multisim軟件和萬用表的使用方法，鞏固和加深對數(shù)電所學(xué)理論知識的理解和掌握，特別是對74LS161十六位循環(huán)計數(shù)器、74LS04六反相器、74LS08四2輸入正與門、74LS153數(shù)據(jù)選擇器、74LS164八位移位寄存器、CT74LS74正邊沿觸發(fā)雙D觸發(fā)器、多諧振蕩器等原件了有了更深的了解，深感受益匪淺。 實驗中電路比較復(fù)雜，如果動手焊接布線，得非常小心，涉及多個芯片的用法，焊接前一定