多彩循環(huán)彩燈控制器設計

1、武漢理工大學電工電子綜合課程設計說明書1 設計意義及要求1.1 設計意義（1） 通過此次課程設計，加深同學們對理論知識的理解，培養(yǎng)同學們的動手動腦能力以及解決實際問題的能力。（2） 培養(yǎng)同學們之間相互學習、相互交流合作共同解決問題的能力。（3） 培養(yǎng)同學們對電子設計的興趣，查閱相關(guān)資料解決疑難的能力。（4） 同學們自學protues仿真軟件畫電路圖并進行仿真操作，培養(yǎng)學生的自學能力。（5） 增強同學們的創(chuàng)新能力，鼓勵同學們設計出屬于自己的方案。1.2 設計要求現(xiàn)有8只彩燈，試設計一控制器，要求彩燈能實現(xiàn)如下追逐圖案：（1） 使8只彩燈從右到左逐一循環(huán)點亮。（2） 使8只彩燈按照 1110 11

2、10左移循環(huán)點亮。（3） 使8只彩燈交替閃爍。（4） 接著重復以上的動作，這樣一直循環(huán)下去。時間間隔為0.5秒。（5） 嚴格按照課程設計說明書要求撰寫課程設計說明書。2 方案設計2.1 設計思路2.1.1 設計方案一設計要求彩燈完成三個可以循環(huán)的功能，于是就把設計分為幾個獨立的功能模塊進行設計，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計。由555多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖，再用74LS161進行分頻，為電路提供脈沖信號。彩燈花樣控制電路由74LS198和門電路構(gòu)成。循環(huán)選擇控制電路由74LS161和門電路組成。多諧振蕩器分頻計數(shù)器門電路選擇器移位寄存器多諧振蕩器輸

3、出計數(shù)器圖2.1 多彩循環(huán)彩燈控制器設計方案一系統(tǒng)框圖具體設計步驟：先將每個設計的功能要求的單獨電路畫出來，通過74LS198雙向移位寄存器來實現(xiàn)對彩燈的直接控制。在完成單個功能要求之后，通過計數(shù)器74LS161配合相應的門從而選擇哪一個門電路結(jié)構(gòu)工作，把預先存在相應門電路結(jié)構(gòu)輸入端的數(shù)據(jù)送到移位寄存器74LS198的數(shù)據(jù)輸入端，并對其進行置數(shù)。給移位寄存器加上相應的反饋，配合脈沖工作，當移位寄存器輸出一種彩燈花樣結(jié)束后，就重新置一次數(shù)，切換一種工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)在三種彩燈花樣之間的循環(huán)。2.1.2 設計方案二（小組方案）此方案運用AT89S52單片機，通過IO口直接驅(qū)動LED燈。通過編寫相應

4、的程序從而實現(xiàn)在三種工作狀態(tài)之間的切換。設計框圖如圖2.2所示：AT89S52單片機LED燈顯示電路圖2.2 多彩循環(huán)彩燈控制器設計方案二系統(tǒng)框圖2.2 方案設計2.2.1 設計方案一電路圖多彩循環(huán)彩燈控制器設計方案一電路原理圖如圖2.3所示：工作原理：一、 接通電源，555多諧振蕩器產(chǎn)生周期為0.5秒的脈沖信號，將脈沖信號分別送給計數(shù)器74LS161（1）和移位寄存器74LS198。計數(shù)器74LS161（1）按照反饋置數(shù)法連接成8進制計數(shù)器從而實現(xiàn)對脈沖信號周期的擴展，即將原脈沖進行8分頻，得到周期為4秒的脈沖信號。用周期為4秒的脈沖信號觸發(fā)下一個計數(shù)器74LS161（2），把74LS161

5、（2）連接成3進制計數(shù)器，Q1Q0就有三種循環(huán)狀態(tài)00，01，10，00 二、 將8個二輸入與門7408作為一組，每個與門的選出一個輸入端口連接在一起，接控制信號，一共放置3組，組成3個與門結(jié)構(gòu)。每組的二輸入與門的另一個輸入端分別接上移位寄存器74LS198所需要的預置數(shù)，3組分別為00000001,11101110，10101010。三組中相應的每三個輸出通過三輸入或門4075接到移位寄存器74LS198的數(shù)據(jù)輸入端。三、 74LS161（2）的數(shù)據(jù)輸出端Q1Q0有三種循環(huán)狀態(tài)00，01，10。Q1Q0輸出通過一個二輸入或非門7402接到第一組與門結(jié)構(gòu)的控制信號輸入端；Q0通過反相器4069

6、取反與Q1接到第二組門結(jié)構(gòu)的控制信號輸入端；Q1通過反相器4069取反與Q0接到第三組門結(jié)構(gòu)的控制信號輸入端。這樣當計數(shù)器74LS161（2）的輸出Q1Q0在00，01,10間循環(huán)變化時。三組門結(jié)構(gòu)分別循環(huán)被選通，預先存在輸入端的預置數(shù)被送到移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。每組門結(jié)構(gòu)工作的周期為4秒，恰好為彩燈一種工作狀態(tài)的時間。 四、 給移位寄存器74LS198加上四個反饋，當輸出分別為00000000,10000000，01110111,01010101時使移位寄存器預置數(shù)。開始工作時，對移位寄存器進行清零。當?shù)匾粋€0.5秒的脈沖到來時，第一組門結(jié)構(gòu)被選通數(shù)據(jù)00000001到達移位寄存器數(shù)據(jù)輸入

7、端，并保持八個周期4秒，與此同時，移位寄存器預置數(shù)使輸出為00000001。而后進入左移工作狀態(tài)，依次顯示00000010,00000100,00001000,00010000,00100000,01000000,10000000，此即為第一種彩燈工作狀態(tài)。當顯示為10000000時，下一個脈沖到來時，移位寄存器重新進行預置數(shù)，而此時存在移位寄存器數(shù)據(jù)端的數(shù)據(jù)為11101110，并保持八個周期4秒。置數(shù)后寄存器再次進入左移工作狀態(tài)，依次顯示11011101，10111011,01110111，當2秒后輸出變?yōu)?1110111時，再次置數(shù)11101110，再工作2秒又變?yōu)?1110111，重新置

8、數(shù)，此時輸入端數(shù)據(jù)正好改變?yōu)榈诙M門電路傳輸過來的數(shù)據(jù)10101010。這時，第二種彩燈工作狀態(tài)，開始彩燈的第三種工作狀態(tài)。寄存器再次執(zhí)行左移，輸出變?yōu)?1010101，重新置數(shù)10101010，再左移01010101，又置數(shù)為10101010，再左移為01010101，再置數(shù)為10101010，再左移為01010101。然后寄存器又該進行置數(shù)，此時第三組門結(jié)構(gòu)關(guān)閉，第一組被選通，置數(shù)為00000001。就這樣實現(xiàn)了三種彩燈工作狀態(tài)之間的循環(huán)，每種工作狀態(tài)時間為4秒，每個彩燈一次亮或滅的時間為0.5秒。圖2.3 多彩循環(huán)彩燈控制器設計方案一電路原理圖2.2.2 設計方案二電路圖多彩循環(huán)彩燈控制

9、器設計方案二電路原理圖如圖2.4所示：工作原理：先用keil軟件將C代碼生成HEX文，件，將HEX文件下載到單片機AT89S52里面運行，就會出現(xiàn)彩燈的三種工作花樣變化。單片機電路中晶振用來產(chǎn)生脈沖，開關(guān)用來復位，單片機工作時應先進行復位操作。 圖2.4 多彩循環(huán)彩燈控制器設計方案二電路原理圖2.2 方案比較方案一電路連接比較復雜，連線很多，需要的元器件很多，連接實物時由于導線和元件較多，某一個出現(xiàn)錯誤就可能導致得不到正確的結(jié)果，所以實物較難實現(xiàn)，連接時一定要細心、認真，要有一定的排除故障的能力。不過這種方案模塊比較清晰，仿真調(diào)試比較容易找出問題所在，易于理解。這種方案也能鍛煉自己的畫圖能力，

10、以及對芯片的功能的理解能力。方案二由于單片機具有以下優(yōu)點（1） 、具有優(yōu)異的性價比 （2） 、集成度高、體積小、可靠性高 （3） 、控制功能強 （4） 、低電壓、低功耗使得電路簡單，器件少，連線簡單，但是使用單片機，程序調(diào)試復雜，且不利于鍛煉硬件調(diào)試能力。由于方案一實物器件不足，實現(xiàn)連線等起來有一定難度，且本實驗主要要求仿真出正確結(jié)果，并熟練使用protues進行畫圖和仿真，因此我們小組方案選擇實驗二實現(xiàn)實物連接，同時也鍛煉同學們讀程序、寫程序的能力。3 部分電路設計3.1 多諧振蕩器的設計555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，其

11、中7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 其成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。其內(nèi)部原理圖如下3.1所示：圖3.1 555多諧振蕩器內(nèi)部原理圖它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為和。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當輸入信號輸入并超越時，觸發(fā)器復位，555的輸出端3腳輸出低

12、電平，同時放電，開關(guān)管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于時，觸器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關(guān)管截止。表3.1 555定時器功能表輸入輸出閾值輸入（V11）觸發(fā)值（V12）復位（RD）輸出（VO）放電管T××00導通<(2/3)VCC<(1/3)VCC11截止>(2/3)VCC>(1/3)VCC10導通<(2/3)VCC>(1/3)VCC1不變不變由555定時器通過連接合適的電路變成一個多諧振蕩器(脈沖發(fā)生器)，如下圖所示電路：圖3.2 多諧振蕩器電路接通電源后，電容C1被充電，當V6上升到2/3VCC時，觸發(fā)器被復位，此時V

13、O為低電壓，同時放電BJT T導通，,電容C1通過R2和T放電，使V6下降。當V6下降到（1/3）VCC時，觸發(fā)器又被置位，VO翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為： tPL=R2C1ln2 可近似看成tPL=0.7R2C1當C1放電結(jié)束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C充電，V6由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的時間為： tPH=(R1+R2)C1ln2 可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C1而當V6上升到（2/3）VCC時，觸發(fā)器又周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為 f=1/( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+2R2)C1在設

14、計中，我們要得到周期為0.5秒的脈沖信號，令R1=R2=5.1k，C1=47uF。從而得周期為T=0.503秒，約等于要求的0.5秒的周期。3.2 分頻器的設計74LS161 的清零端是異步的。當清零端CR為低電平時，不管時鐘端CP 狀態(tài)如何，即可完成清零功能。74LS161 的預置數(shù)是同步的。當置入控制器LOAD 為低電平時，在CP上升沿作用下，輸出端QAQD 與數(shù)據(jù)輸入端AD 相一致。當ENP、ENT 均為高電平時，在CP上升沿作用下QAQD同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。利用反饋清零法或者反饋置數(shù)法可以實現(xiàn)分頻作用。其功能表及引腳圖如下：表3.2 74LS161功能表輸&

15、#160;                入輸       出CRCPLDEPETD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00000010dcbadcba110Q3Q2Q1Q0110Q3Q2Q1Q01111狀態(tài)碼加1圖3.3 74LS161引腳圖圖3.4 由74LS161組成的八分頻電路3.3 門電路循環(huán)選擇電路的設計將8個二輸入與門7408作為一組，每個與門的選出一個輸入端口連接在一起，接控制信

16、號，一共放置3組，組成3個與門結(jié)構(gòu)。每組的二輸入與門的另一個輸入端分別接上移位寄存器74LS198所需要的預置數(shù)，3組分別為00000001,11101110，10101010。三組中相應的每三個輸出通過三輸入或門4075接到移位寄存器74LS198的數(shù)據(jù)輸入端。將另一個74LS161設計成3進制計數(shù)器，輸出的三種狀態(tài)分別使一組門電路被選通，將三種狀態(tài)循環(huán)置入移位寄存器中，電路原理圖如下所示：圖3.5 門電路選擇結(jié)構(gòu)電路3.4 移位寄存器的設計74LS198 為8 位雙向移位寄存器，其功能引腳圖如下：圖3.6 74LS198引腳圖當清除端(CR)為低電平時，輸出(Q0Q7)均為低電平。當工作方

17、式控制端(M0、M1)均為高電平時，在時鐘(CP)上升沿作用下，并行數(shù)據(jù)(D0D7)被送入相應的輸出端Q0Q7。此時串行數(shù)據(jù)(DSR、DSL)被禁止。當M0 為高電平、M1 為低平時，在CP上升沿作用下進行右移操作，數(shù)據(jù)由DSR送入。當M0 為低電平、M1 為高電平時，在CP上升沿作用下進行操作，數(shù)據(jù)由DSR送入。當 M0 和M1 均為低電平時，CP 被禁止。只有當CP 為高電平時M0 和M1 才可改變。利用反饋法可以實現(xiàn)循環(huán)左移置數(shù)或循環(huán)右移置數(shù)，也可以用反饋法使輸出為某一數(shù)值時重新置數(shù)。表3.3 74LS198功能表此設計步驟中用四個8輸入或非門和一個4輸入或門接到S0進行反饋，當輸出為0

18、0000000,10000000,01110111,01010101其中任一種狀態(tài)時移位寄存器重新置數(shù)，所置的數(shù)據(jù)為當前存在數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)。當移位寄存器的數(shù)據(jù)輸出端不為這四種狀態(tài)時，移位寄存器執(zhí)行左移功能。因為輸出Q0反饋到SL，所以執(zhí)行的為循環(huán)左移功能。有移位寄存器構(gòu)成的輸出電路如下圖3.4.3所示：圖3.7 由74LS198構(gòu)成的輸出電路3.5 LED顯示電路的設計LED顯示電路是該次設計的直接輸出，該燈的特點是當正極電壓高于負極電壓時就會發(fā)光，試驗中所用為紅色LED燈。當移位寄存器輸出為高電平時，相應接口處的LED燈就發(fā)亮。LED燈顯示電路如下圖3.8所示：圖3.8 LED顯示電路 通

19、過仿真和實物連接可以看到8只彩燈按照三種工作狀態(tài)循環(huán)工作，呈現(xiàn)出實驗所要求的多彩循環(huán)彩燈的效果。4 調(diào)試與檢測4.1 調(diào)試中的故障及解決辦法 在仿真過程中每種狀態(tài)工作的時間不一樣長，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)分頻器接成了9分頻電路，從而打亂了移位寄存器的置數(shù)功能。將分頻電路改為8進制后，彩燈按照要求正常循環(huán)發(fā)光，每種狀態(tài)工作4秒，每個燈亮或滅的時間為0.5秒。4.2調(diào)試與運行結(jié)果打開protues仿真電路圖，開始仿真。部分結(jié)果截圖如下：分結(jié)果截圖如下：圖4.1 8只彩燈從右到左逐一循環(huán)點亮截圖圖4.2 8只彩燈按照11101110左移循環(huán)點亮截圖圖4.3 8只彩燈交替閃爍截圖 5 仿真操作步驟及使用說明一各

20、部件說明：D0D7為八個LED燈顯示。二操作說明：點擊仿真運行按鍵后，8個燈將會按照下面的順序進行亮滅：（其中1為亮）花樣一（8只彩燈從右到左逐一循環(huán)點亮）:000000010000001000000100.0100000010000000花樣二（8只彩燈按照11101110左移循環(huán)點亮）:11101110110111011011101101110111重復一遍花樣三(8只彩燈交替閃爍):1010101001010101循環(huán)4次然后循環(huán)到第一個花樣，接著重復以上的動作，這樣一直循環(huán)下去，每個燈時間間隔為0.5秒，每一個花樣持續(xù)時間為4秒。由仿真結(jié)果可知，仿真正確，電路連接正確，可以進行下一步實

21、物的連接與調(diào)試。6 結(jié)束語體會與總結(jié)兩個星期的電工電子綜合坑設計我感觸頗深。兩個星期看似時間很長，其實做起來時間還是挺緊的。我們不但要對以前的模電知識和數(shù)電知識加以回憶和復習，還要查閱相關(guān)的書籍資料，還要學習以前并不熟悉的軟件protues。正因為任務艱巨，所以我們才能從中學習到更多的知識，了解到電子技術(shù)的魅力，增加對電子技術(shù)的興趣。自我感覺數(shù)電理論知識學習的還不錯，但是剛選好題目的時候，一時間不知道從何下手。但是靜下心來仔細分析一下設計要求，漸漸地也就有思路了。但是只想不做終究只是空的。然后就看老師的課件學習protues的使用，要想熟練掌握protues的應用一倆天顯然是不夠的。但是掌握了

22、它的一些基本操作，設計仿真此次設計的電路已經(jīng)足夠了。畫電路的時候我先把每個工作模塊分別畫出來，然后再將它們連接起來構(gòu)成總的電路原理圖。調(diào)試的過程并不是一帆風順的，但是皇天不負有心人，在自己的一遍遍努力中，終于仿真出了正確的實驗結(jié)果。努力之后的快樂，只有努力過的人才能感受到。我也領(lǐng)悟到，遇到問題不能先認為自己不行，而是應積極面對，查閱資料、詢問他人，這樣才能更好的鍛煉自己，更好的掌握知識。此次課程設計既鍛煉了自己獨立思考解決問題的能力，也給了同學們之間相互學習，共同進步的機會。設計要求每個人設計出一種方案，四個人一個小組再設計出一個小組方案。每個人設計出電路之后，大家之間相互交流，比較自身的電路

23、有哪些優(yōu)點和缺點，如何改進，爭取把自己的方案簡化的結(jié)構(gòu)清晰、功能明確。課程設計設計出電路原理圖是其中很重要的一部分，寫好課程設計報告也是不可或缺的。因為你設計的東西別人想弄清出是怎么工作的，會從設計報告上去看。所以寫實驗報告時一定要格式規(guī)范，思路清晰，易于理解。只有能被別人廣泛接受的新事物、新發(fā)明，才能得到人們的推廣。課程設計也為我們以后搞科技發(fā)明打下一定的基礎(chǔ)，鍛煉我們解決問題的思維及方法。要想學好電工電子技術(shù)，不僅要學好理論知識，還要經(jīng)常實踐，并進行一些創(chuàng)新設計。這樣才能根深的理解電工電子技術(shù)中的相關(guān)知識，并熟練的應用所學過的元器件。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。學到的知識就是用來實際應用的，所以以后要樂于做實驗、搞設計，這也可以激發(fā)自己去學習新的知識，達到新的高度。未來的工作比的是創(chuàng)新，我們現(xiàn)在應該抓住機會鍛煉自己，這樣才不至于落伍。參考文獻1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字部分（第五版），高等教育出版，2006.12 祁存榮，陳偉.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗（數(shù)字部分） 武漢理工大學教材中心3 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社,