數(shù)電課程設(shè)計(jì)-四花樣彩燈控制器

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)名稱： 數(shù)字電路課程設(shè)計(jì) </p><p>　　課程設(shè)計(jì)題目： 四花樣彩燈控制器 </p><p>　　學(xué) 院 名 稱： 信息工程學(xué)院 </p><p

2、>　　評(píng)分： 教師： </p><p>　　20 13 年 9 月 23 日</p><p>　　數(shù)字電路 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p>　　20 12 －20 13 學(xué)年 第 1 學(xué)期　第 19 周－ 20周 </p><p>　　注：1

3、、此表一組一表二份，課程設(shè)計(jì)小組組長(zhǎng)一份；任課教師授課時(shí)自帶一份備查。</p><p>　　2、課程設(shè)計(jì)結(jié)束后與“課程設(shè)計(jì)小結(jié)”、“學(xué)生成績(jī)單”一并交院教務(wù)存檔。</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　彩燈控制器在我門日常生活中有重要的運(yùn)用，如廣告牌的設(shè)計(jì)和節(jié)日彩燈的設(shè)計(jì)都能運(yùn)用到它的原理。本次設(shè)計(jì)的四花樣彩燈控制

4、器是其中較簡(jiǎn)單的，但這是進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)一個(gè)四花樣彩燈控制器。首先要分析設(shè)計(jì)要求，從要實(shí)現(xiàn)四花樣入手推導(dǎo)出要使用的芯片?？赏ㄟ^八位右移寄存器74LS164實(shí)現(xiàn)八個(gè)彩燈的向右移動(dòng)，從它的右移輸入端輸入四種碼來實(shí)現(xiàn)它的四種花樣。根據(jù)四種花樣確定這四種碼，可通過模十六計(jì)數(shù)器74LS161的輸出端接與門74LS08和非門74LS04產(chǎn)生。要實(shí)現(xiàn)彩燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，把四種碼輸入四選一

5、數(shù)據(jù)選擇器74LS153的四個(gè)輸入端，它的地址輸入端接雙D觸發(fā)器74LS74的兩個(gè)輸出端，74LS74可產(chǎn)生四種循環(huán)的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)彩燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。時(shí)鐘信號(hào)由兩個(gè)555產(chǎn)生，一個(gè)產(chǎn)生周期為0.721秒的矩形脈沖控制模十六計(jì)數(shù)器74LS161和八位右移寄存器74LS164,另一個(gè)產(chǎn)生周期為14.01秒的脈沖控制雙D觸發(fā)器。當(dāng)彩燈完成一種花樣時(shí)，雙D觸發(fā)器輸出狀態(tài)改變，數(shù)據(jù)選擇器選擇另一種碼輸出，彩燈變?yōu)橄乱环N花樣，直到完成四種花樣再循環(huán)變

6、化。</p><p>　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的四花樣彩器能完成四花樣變換，每一種花樣循環(huán)兩次，四種花樣不斷循環(huán)。</p><p>　　關(guān)鍵字：時(shí)鐘脈沖 分頻 自動(dòng)轉(zhuǎn)換 控制器 數(shù)據(jù)選擇器 </p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　彩燈控制器有著非常廣泛的運(yùn)用，如：LED彩燈，音樂彩燈控制

7、器，二維彩燈控制器等等，現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹如下：</p><p>　　隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場(chǎng)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(jià)以及控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)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(shí)尚。但目前市場(chǎng)上各式樣的LED彩燈控制器大多數(shù)用全硬件電路實(shí)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(chǎng)合、不同時(shí)間段的需要來調(diào)

8、節(jié)亮燈時(shí)間、模式、閃爍頻率等動(dòng)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(chǎng)所、戶外廣告、室內(nèi)裝飾等美化、亮化工程。</p><p>　　二維彩燈控制器可控制五路彩燈逐行遞增點(diǎn)亮，再逐行遞減熄滅。若將一定數(shù)量的彩色燈組合聯(lián)接，就能營(yíng)造出平面上色彩變化的場(chǎng)景，這比通?？刂埔粭l線上的色彩流動(dòng)更加豐富絢麗?？刂?/p>

9、器采用數(shù)字集成塊，外圍元器件少、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只要元器件完好、裝接無誤，裝后無須調(diào)試即可一舉成功。</p><p>　　音樂彩燈控制器是專用于卡拉ok廳 KTV包房的彩燈控制設(shè)備，其最大優(yōu)點(diǎn)是不與電視音響等設(shè)備有任何連接，本設(shè)備通過檢測(cè)包房里的環(huán)境音頻信號(hào)強(qiáng)弱來控制通過彩燈的電流大?。戳涟党潭龋﹣砗嫱袏蕵返呐d趣的目的，也就是隨著聲音的大小而使彩燈閃爍，歌聲和彩燈一起跳動(dòng)，從而讓唱歌人激情高漲，留連忘返。<

10、/p><p>　　本課題研究的是四花樣彩燈控制器，應(yīng)用的是數(shù)字邏輯電路的有關(guān)知識(shí)，是進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)行復(fù)雜彩燈設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。</p><p>　　第一章 設(shè)計(jì)要求</p><p>　　1.1 設(shè)計(jì)課題及要求</p><p>　　（一） 題目：四花樣彩燈控制器</p><p>　?。ǘ?基本要求：設(shè)計(jì)

11、一四花樣自動(dòng)切換的彩燈控制器，要求實(shí)現(xiàn)</p><p>　　(1) 彩燈一亮一滅,從左向右移動(dòng)；</p><p>　　(2) 彩燈兩亮兩滅，從左向右移動(dòng)；</p><p>　　(3) 四亮四滅，從左向右移動(dòng)；</p><p>　　(4) 從1～8從左到右逐次點(diǎn)亮，然后逐次熄滅； </p><p>　　(5)

12、 四種花樣自動(dòng)變換。</p><p>　?。ㄈ?主要參考元器：</p><p>　　NE555定時(shí)器，四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS93，雙D觸發(fā)器74LS74，四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153，八位移位寄存器74LS164。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)組成及工作原理</p><p>　　2.1 系統(tǒng)組成框圖</p><

13、p>　　把四花樣彩燈設(shè)計(jì)分為幾個(gè)獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),每一個(gè)模塊完成特定的功能,再把它們有機(jī)的組織起來構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)完成彩燈控制器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可由四個(gè)模塊組成，它們分別是：四種碼產(chǎn)生電路、開關(guān)電路、數(shù)據(jù)輸出、時(shí)鐘電路。設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示：</p><p>　　各模塊的組成及功能分析</p><p>　　1.四種碼產(chǎn)生電路:由四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS93產(chǎn)生四種碼輸出。</p

14、><p>　　2.自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路：由雙D觸發(fā)器74LS74和四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153組成，雙D的兩輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端，它能產(chǎn)生兩位循環(huán)二進(jìn)制碼，每改變一種狀態(tài)，數(shù)據(jù)選擇器選擇一種碼輸出，使彩燈花樣自動(dòng)循環(huán)。</p><p>　　3.數(shù)據(jù)輸出電路：由八位移位寄存器74LS164和八個(gè)彩燈組成，選擇輸出的每一種碼輸入到寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，使碼在寄存器的八個(gè)輸出端自左向右移動(dòng)，實(shí)

15、現(xiàn)彩燈的花樣。</p><p>　　4.時(shí)鐘電路：由兩個(gè)555和電阻電容組成，構(gòu)成兩個(gè)多諧振蕩器，一個(gè)周期為0．721秒，控制計(jì)數(shù)器和寄存器，另一個(gè)周期為14.01秒，控制雙D觸發(fā)器。</p><p><b>　　2.2工作原理分析</b></p><p>　　從多諧振蕩器出來的脈沖信號(hào)分為兩路：一路作為計(jì)數(shù)脈沖送到模十六計(jì)數(shù)器；另一路做為移位

16、時(shí)鐘脈沖加到移位寄存器。調(diào)節(jié)多諧振蕩器的滑動(dòng)變阻器可以改變震蕩頻率，即改變彩燈移動(dòng)的速度，得到不同的動(dòng)態(tài)效果。</p><p>　　多諧振蕩器、雙D觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器共同組成一個(gè)電子開關(guān)。多諧振蕩器輸出的計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)雙D觸發(fā)器兩位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在它的兩個(gè)輸出端得到00、01、10、11四種邏輯狀態(tài)。這四個(gè)狀態(tài)作為數(shù)據(jù)選擇器的四個(gè)數(shù)據(jù)通道選擇信號(hào)，對(duì)應(yīng)從模十六計(jì)數(shù)器輸送到數(shù)據(jù)選擇器的QA，QB，QC，QD四個(gè)分頻信號(hào)

17、。其作用相當(dāng)于一個(gè)受控的一刀四位的機(jī)械轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)雙D觸發(fā)器輸出為“00”時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器輸出10000000序列脈沖，為八分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)花樣一；為“10” 時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器輸出11000000序列脈沖，為八分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)花樣二；為“01” 時(shí)數(shù)據(jù)選擇器輸出11110000序列脈沖，為八分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)花樣三；為“11” 時(shí)數(shù)據(jù)選擇器輸出1111111100000000序列脈沖，為十六分頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)花樣四。調(diào)節(jié)開關(guān)電路的CP脈沖產(chǎn)生電路的電阻

18、，可以改變開關(guān)的切換時(shí)間用以選擇每種花樣出現(xiàn)時(shí)間的長(zhǎng)短。</p><p>　　數(shù)據(jù)選擇器的輸出端接移位寄存器的輸入端，在時(shí)鐘脈沖的作用下，數(shù)據(jù)在移位寄存器的八位并行輸出端從Q0到Q7順序移動(dòng)。移動(dòng)的八位控制信號(hào)直接控制發(fā)光二極管的亮滅，就出現(xiàn)了八路四花樣自動(dòng)循環(huán)切換的流水彩燈。</p><p>　　第三章 單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p>　　3.1 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)

19、生電路</p><p>　　用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個(gè)周期性的矩形脈沖：</p><p>　　圖3.1.1 用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩電路</p><p><b>　　其震蕩周期為：</b></p><p>　　=0.7*(+2*)*</p><p>　　要用兩個(gè)555產(chǎn)生

20、兩個(gè)時(shí)鐘脈沖,一個(gè)控制74LS93組成的模十六計(jì)數(shù)器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動(dòng),其周期設(shè)為1秒左右, 電阻值和電容值可設(shè)為：</p><p>　　由公式（3-1）計(jì)算得：T=0.721S</p><p>　　電路圖如圖3.1所示:</p><p>　　T=0.7*(+)*+0.7**=200**10*</p><p><b&g

21、t;　　圖3.1 時(shí)鐘電路</b></p><p>　　另一個(gè)555產(chǎn)生的矩形脈沖控制彩燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,其周期設(shè)為模十六計(jì)數(shù)器的20倍,改變R1、R2的阻值即可，可設(shè)為：T=0.7*(+)*+0.7**=200**10*</p><p>　　3.2 四種碼產(chǎn)生電路</p><p>　　根據(jù)彩燈要實(shí)現(xiàn)的四花樣,可確定移位寄存器輸出的二進(jìn)制碼,即四種碼產(chǎn)生電路

22、要產(chǎn)生的碼，如表3-1所示：</p><p><b>　　表3-1 四種碼</b></p><p>　　要產(chǎn)生這四種碼，可由十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器接組合邏輯門產(chǎn)生，十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的真值表如表3-2所示</p><p>　　表3-2 計(jì)數(shù)器真值表</p><p>　　由表3-2分析得：Z1=Q3Q2Q1 Z2=Q3Q2 Z3=

23、Q3 Z4=Q4</p><p>　　所以四種碼產(chǎn)生電路如圖3.2所示</p><p>　　圖 3.2 四種碼產(chǎn)生電路</p><p>　　3.3 彩燈自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路</p><p>　　要實(shí)現(xiàn)彩燈四花樣的自動(dòng)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、Z4，也就要使它的地址輸入端輸入四種狀態(tài)并循環(huán)轉(zhuǎn)變，可用雙

24、D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　雙D觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端Q1、Q2的狀態(tài)方程為：</p><p>　　Q 1n+1 = Q2n （3—2）</p><p>　　Q2n+1 ＝ Q 1n （3—3）</p><p>　　設(shè)雙D觸發(fā)器的初始狀態(tài)Q1Q2 = 00，由Q1、Q2的狀態(tài)方程式（3—2）

25、和式（3—3）可得，Q1、Q2的狀態(tài)變換順序?yàn)?0—>01—>11—>10—>00，實(shí)現(xiàn)四分頻。用雙D觸發(fā)器的輸出端Q1、Q2控制選擇器的地址輸入端，使數(shù)據(jù)選擇器自動(dòng)選擇一種碼輸出，實(shí)現(xiàn)彩燈花樣的自動(dòng)控制。</p><p>　　自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路如圖3.3所示：</p><p>　　圖3.3 自動(dòng)控制電路</p><p>　　令Q1Q2=AB，

26、74LS153數(shù)據(jù)選擇器的功能表如表3-3所示：</p><p>　　表3-3 數(shù)據(jù)選擇器功能表</p><p>　　由表3-3可知，數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端A、B循環(huán)轉(zhuǎn)變，輸出端1Y循環(huán)選擇四種碼Z1、Z2、Z3、Z4輸出，使彩燈的四花樣自動(dòng)循環(huán)改變。</p><p>　　3.4 花樣輸出電路設(shè)計(jì)</p><p>　　輸出電路由八位移位寄存

27、器74LS164、八個(gè)彩燈和八個(gè)驅(qū)動(dòng)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QA向QH移動(dòng)，輸出四種彩燈花樣。</p><p>　　當(dāng)輸入移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端的碼為10000000時(shí)，清零后在移位脈沖CP的作用下，寄存器數(shù)碼移動(dòng)情況如表4-4所示：</p><p>　　表3-4 寄存器數(shù)碼移動(dòng)情況表</p><p&g

28、t;　　由表3-4可看出，輸入碼中的那位高電平“1” 從寄存器的輸出端QA經(jīng)八個(gè)移位脈沖CP作用后逐漸到了QH，使輸出端所連接的彩燈依次點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)了彩燈依次點(diǎn)亮的花樣。當(dāng)輸入另外的三種碼時(shí)，寄存器的數(shù)碼移動(dòng)原理相似。</p><p>　　3.5 各芯片管腳圖</p><p>　　3.5.1、由74LS93組成的模十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，芯片管腳圖如圖3.5.1所示：</p><

29、p>　　圖4.5.1 74LS93管腳圖</p><p>　　3.5.2、 雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153，芯片管腳圖如圖4.5.2所示：</p><p>　　圖3.5.2 74LS153管腳圖</p><p>　　3.5.3、 8位移位寄存器74LS164，芯片管腳圖如圖3.5.3所示</p><p>　　圖 3.5.3 74

30、LS164管腳圖</p><p>　　3.5.4、NE555定時(shí)器</p><p>　　第四章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及測(cè)試結(jié)果分析</p><p>　　4.1結(jié)果的調(diào)試及分析</p><p>　　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、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。</p><p>　　2.測(cè)試電路的方法和技巧:<

31、;/p><p>　　先檢查各芯片的電源和地是否接上，檢查線路是否連好；前面的檢查無問題后，再根據(jù)彩燈的變化情況，確定可能的原因，分析是哪個(gè)功能模塊出了問題，用數(shù)字萬用表檢查各模塊的功能，發(fā)現(xiàn)并改正錯(cuò)誤，直到符合要求為止。</p><p>　　3.調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法：</p><p>　?。?）彩燈只有一種花樣變化，沒有其它的花樣：</p>&

32、lt;p>　　原因可能是雙D觸發(fā)器74LS74不能產(chǎn)生周期性的兩位二進(jìn)制碼或是555不能產(chǎn)生觸發(fā)雙D觸發(fā)器的CP脈沖，使雙D觸發(fā)器維持在一種狀態(tài)?？蓳Q一片好的74LS74芯片或檢查555CP脈沖產(chǎn)生電路，看是否產(chǎn)生周期性的CP脈沖，使雙D觸發(fā)器產(chǎn)生四種循環(huán)的狀態(tài)，彩燈就能四花樣變化。</p><p>　?。?）彩燈無規(guī)律變化：</p><p>　　原因可能是四種碼的產(chǎn)生電路不能產(chǎn)生符

33、合要求的四種碼，檢查模十六計(jì)數(shù)器的CP脈沖是否穩(wěn)定，看74LS161是否能計(jì)數(shù)，即QA、QB、QC、QD是否周期性的高低電平變化，前面沒問題，再檢查與門74LS08和非門74LS04是否能實(shí)現(xiàn)它們邏輯功能。</p><p>　?。?）彩燈的四種花樣都有，但中間有一些混亂的狀態(tài)：</p><p>　　原因可能是數(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(shí)間，使彩燈的一種花樣完成

34、后并沒有進(jìn)入另一種狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入另一種狀態(tài)時(shí)上一種狀態(tài)的多余碼進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)，故出現(xiàn)了混亂的狀態(tài)?？筛淖冸pD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。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本次所設(shè)計(jì)的是花樣彩燈控制器，該控制器的設(shè)計(jì)主要結(jié)合了大二所學(xué)的低頻電子

35、線路及脈沖與數(shù)字電路課程。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)這門課需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和完整的設(shè)計(jì)思維和方法。設(shè)計(jì)電路關(guān)鍵在于對(duì)設(shè)計(jì)要求的理解分析以及對(duì)基本電路相關(guān)知識(shí)的熟練掌握。設(shè)計(jì)電路時(shí)，將總體的功能分成若干個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)，是簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)思路的很好方法；且搞清各個(gè)模塊的功能與實(shí)現(xiàn)要求操作的具體方法，對(duì)電路故障的檢查也是很有幫助。</p><p>　　通過這次設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多東西，如查找資料，設(shè)

36、計(jì)比較，從各種圖中提取所需。焊接時(shí)出學(xué)到了好多，如如何在一定大小的板子上正確擺放好芯片，如何布線等等，調(diào)試時(shí)也是，知道了用工具如萬用表來檢查、修復(fù)故障。</p><p>　　本次課設(shè)算是成功的，讓作者學(xué)到很多，包括焊接技術(shù)。也吸取了很多教訓(xùn)。真正提高了動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)獲取資料，活躍了自己的思維，鞏固了所學(xué)知識(shí)。</p><p>　　花樣彩燈控制器的設(shè)計(jì)是對(duì)數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)知識(shí)的實(shí)踐運(yùn)用，加深

37、了對(duì)知識(shí)的理解。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 康華光.數(shù)字電子技術(shù).高等教育出版社，2002</p><p>　　[2]雷勇.電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn).成都：四川大學(xué)出版社，2002</p><p>　　[3]王毓銀.數(shù)字電路邏輯設(shè).北京:高等教育出版社,2006</p>

38、<p>　　[4]《中國(guó)集成電路大全》編寫委員會(huì).中國(guó)集成電路大全《TTL集成電路》.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985</p><p>　　[5]陳先龍.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006</p><p>　　[6]宋萬年.模擬數(shù)字電路實(shí)驗(yàn).上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2004</p><p>　　[7]溫飛兵.電子技術(shù)實(shí)踐教程.湖南:長(zhǎng)沙國(guó)防科