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1、11、 设计任务和要求1.1 设计任务设计并制作一套彩灯控制系统1.2 设计要求：1、四路彩灯从左向右逐次渐亮，时间间隔为 1 秒。2、四路彩灯从左向右逐次渐灭，时间间隔为 1 秒。3、四路彩灯同时亮，时间为 0.5 秒，然后同时变暗，时间为 0.5 秒，反复4 次。4、（选做）多种图形方案选择显示。5、按照以上技术要求设计电路，撰写设计报告，绘制电路图。6、电源：220V/50HZ 的工频交流电供电。发挥部分：对设计的电路用 Multisim 或 OrCAD/PspiceAD9.2 进行仿真。自行设计：用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试，测试。2. 系统设计2.1 系统要求1、 设计思路
2、清晰，给出整体设计框图；2、 设计各单元电路，给出具体设计思路、电路器件；3、 总电路设计；4、 计算机仿真；5、 安装调试电路；6、 写出设计报告；2.2 方案设计总体方案的设计分析以上设计任务，该控制系统完成如图 3-4 所示的控制流程，系统结构框图如图 3-5 所示。其中脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为 1Hz 的时钟信号；分频器将 1Hz 的时钟信号四分频，用以产生 0.25Hz（即 4S）的时钟信号；节拍控制器产生三个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移和送数功能，可以使用双向通用移位寄2存器 74LS194 完成；显示电路完成系统循
3、环演示的指示，可以用发光二极管模拟。系统控制流程图及控制系统结构框图如下图所示：图 1：四路彩灯控制流程图图 2：四路彩灯控制系统结构框图方案一直流稳压电路设计：电源变压器，单桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路。时序脉冲电路设计：555 定时器组成多谐振荡器。彩灯控制电路：分频器采用 74HC163 起节拍产生和控制作用。优点：使用元件少，电路设计简单。缺点：价格相对较高，连线线多。彩灯演示。方案二直流稳压电路设计：电源变压器，单桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路。时序脉冲电路设计：555 定时器组成多谐振荡器。3彩灯控制电路：分频器采用两个 D 触发器连接成四进制异步减法计数器；采用两个
4、 D 触发器和一个与非门构成三进制计数器优点：价格相对较低，连接线少。缺点：设计偏难，使用元件较多。由于方案二设计需要的元器件较多，设计偏难，因此选用方案一设计控制系统电路。彩灯演示。2.3 系统工作原理四路彩灯既有四路输出，设依次为 QD、Q C、Q B、Q A，若“1”表示灯亮，“0”表示灯灭，由课题要求可知四路彩灯显示系统要求如下表 1 所示的输出显示表 1 四路彩灯输出显示输 出说 明QD QC QB QA 所用时间开机初态 0 0 0 0 第一节拍逐次渐亮1 0 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1 11s1s1s1s第二节拍逆序渐灭1 1 1 01 1 0 01 0 0 0
5、0 0 0 01s1s1s1s第三节拍同时亮 0.5s，然后同时灭0.5s，进行四次1 1 1 10 0 0 01 1 1 1 0 0 0 01 1 1 10 0 0 01 1 1 1 0 0 0 00.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s0.5s由上表可知，需要一个分频器起节拍产生和控制作用，每 4s 一个节拍，3个节拍共 12s 后反复循环。一个节拍结束后应产生一个信号到节拍程序执行器，4完成彩灯渐亮、渐灭、同时亮、同时灭等功能。分频及节拍控制可以用一个 12 进制计数器来完成；彩灯渐亮、渐灭可以用器件的左移、右移功能来实现，因此可选用移位寄存器 74194 来完成。同时亮
6、0.5s、同时灭 0.5s 可考虑把 1Hz 的秒脉冲信号直接加到输出显示端来完成。综上所述，要完成四路彩灯显示功能需要有分频器、节拍控制器、节拍程序执行器及脉冲源等电路。记第一，二，三节拍分别为 Y2Y1Y0有效时间应为 4 秒，Y 2结束 Y1马上开始，Y1后 Y0马上开始，如此循环不断。为此可考虑采用移位寄存器构成的移位型控制器。由于有三个状态，因此需要用三个触发器对现时状态进行记忆，为使各状态的有效时间间隔为 4 秒，则驱动该移位控制器动作时钟周期应为 4 秒。或者用 74163 与 74194 配合对三个状态和有效时间间隔同时进行控制，应在开机瞬间，使移位型控制器的状态被确定下来，即
7、 Y2Y1Y0节拍应为 100，可控制输入信号使触发器置位、复位来实现。 为实现 Y2 功能要求器件具有右移功能，为实现 Y1 功能要求器件有左移功能；右移输入端为“1” ，左移输入端为“0” ；为实现 Y0 功能，要求器件同时具有并行置数功能。因此可选用一种具有左移、右移和并行置数功能的通用移位寄存器 74LS194。74LS194 具有并行输入端 A、B 、C、D ，并行输出端 、AQ、 、 ，右移输入端 SR，左移输入端 SL 和模式控制输入端 S1，S 0 和一BQCD个个无条件直接清除端 CLR。模式控制输入 S1，S 0，有 00、01、10、11 四种组合方式，分别表示双向移位寄
8、存器所具有的四种功能，即保持、右移、左移和并行置数。为了使当 Y2Y1Y0=100 时，S 1S0 =01（右移） ，Y 2Y1Y0=010 时，S1S0=10（左移） ，当 Y2Y1Y0=001 时 S1S0=11（并行置数） 。74LS194 的输出端初态均为零，在开机瞬间，使移位控制端 S1S0 的状态被确定下来，即 Y2Y1Y0 =100 时，S 1S0 =01 右移串行数据输入端 SR 经脉冲信号经四分频电路和通过两或门组成的节拍电路，或者通过 74161 使四路彩灯从右到左依次亮共 4 秒 ，当 Y2Y1Y0 =010 S1S0 =10 左移串行数据输入端 SL 经脉5冲信号经四分
9、频电路和通过两或门组成的节拍电路，或者通过 74161 使四路彩灯从左到右依次灭共 4 秒，Y 2Y1Y0 =001 S1S0 =11 并行数据输入端 A、B、C 、D 经脉冲信号经四分频电路和通过两或门组成的节拍电路，或者是脉冲直接输入到彩灯使四路彩灯同时为“ 1”0.5 秒、同时为“0”0.5 秒，重复4 遍共 4 秒，完成一个循环共需 12 秒，12 个 CP 脉冲。 3. 单元电路的设计 3.1 直流稳压电源电路设计3.1.1 电路结构及工作原理1、 电路结构（1）由电源变压器，单桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路组成。其工作原理图如下图所示。压压压压压压压压T图 3：直流稳压电源电
10、路结构（2）稳压电路的电容 C1、C2、C3 分别为 4.7F 、4700F 、0.33F。2、工作原理电源变压器是将交流电网 220v 电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的波纹，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。3.1.2 电路仿真图6图 4 ：直流稳压电源仿真图3.1.3 元器件的选择及参数确定表 2 直流稳压电路元器选择3.2 时序脉冲电路设
11、计组数 元件名称 个数1 220V/50HZ 交流源 一个2 TS_POWER_25_TO_1 一个3 1B4B42 一个4 4700uf 电容 一个5 0.33uf 电容 一个6 4.7uf 电容 一个7 TA7805F 一个73.2.1 电路结构及工作原理1、 电路结构图 5：时序脉冲电路工作原理图2、 工作原理接通电源后，电容被充电，当 Vc 上升到 2/3Vcc 时，使 Vo 为低电平，同时放电三极管 T 导通，此时电容通过 R2 和 T 放电，Vc 下降。当 Vc 下降到 1/3Vcc 时,Vo 翻转为高电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。由 555 定
12、时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期计算公式为:T=0.7(R1+2R2)C(3-1)控制 74HC161 十六进制计数器电阻值和电容值可设为：R1=16.2KR2=63.4KC=0.01F由公式（1-1 ）计算得：T=1.001s。3.2.2 电路仿真图启动信号：单拍停机节拍脉冲启停控制逻辑转换为节拍脉冲的逻辑电路环形脉冲发生器时序脉冲源 HT4T1T40T10Q4Q18555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI16.2kR163.4kR210FC0.01FCf图 6： 1HZ 时序脉冲电路仿真图3.2.3 元器件的选择及参数确
13、定表 3 时序脉冲电路元器件选择3.3 彩灯控制电路的设计3.3.1 电路结构及工作原理1、电路结构由，74HC163，74HC194 及与非门，与门，或门，放大器及彩灯组成。模为 12 的计数器 74HC163模为 12 的计数器 74HC163 起节拍产生和控制作用，每 4s 一个节拍，3 个节拍共 12s 后反复循环。组数 元件名称 个数1 555 定时器 一片2 16.2K 一个3 63.4K 一个4 10uf 电容 一个9 分频电路采用 74HC163，功能表如表 3.3-1 所示表 4 74HC163 功能表输 入 输 出CR CP LD EP ET D3 D2 D1 D0 Q3
14、Q2 Q1 Q00 x x X X x x X 0 0 0 01 0 x X D C B A D C B A1 1 0 X X x x X Q3 Q2 Q1 Q01 1 x 0 X x x X Q3 Q2 Q1 Q01 1 1 1 X x x X 状态码加 174HC163 引脚图图 7 74HC163 引脚图 74HC163 器件大致工作电路图U374HC163N_6VQA 14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3 B4C5 D6ENP7 ENT10LOAD9 CLR1CLK2U4A74HC00N_6VU5A74HC08N_6VU7A74HC32N_6V图 8 74HC163 器件
15、电路图由一个 74HC163、一个两输入的与门、一个两输入的或门、一个两输入10的与非门组成，该图用的是反馈置数法，当输出端 QD、QC、QB 、QA为 1011 时，LOAD 端接收到低电平 0，此时 74HC163 输出端就重新回到了 0000 状态，这样就实现了三次节拍的作用，进一步作用到 74HC194。当然还可以用反馈请零法，及时将与非门的输出端接在 CLR 端口，输出端 QD、QC、QB、QA 为 1011 时，将 CLR 置零，输出端为 0000。这样依次循环就完成了。2） 移位寄存器 74HC194，功能表如表 3.3-2 所示表 5 74LS194 功能表清零 控制信号 时钟串行输入 并行输入 输出序号CR M1 M0 CPDSLDSR D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3功能1 0 0 0 0 0 清零2 1 0 Q00 Q10Q20Q30 保持3 1 1 1 d0 d1 d2 d3 d0 d1 d2 d3 置数4 1 0 1 1 1Q0nQ1nQ2n 右移5 1 0 1 0 0Q0nQ1nQ2n 右移6 1 1
