课程设计论文彩灯课程设计说明书总体方案的设计

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1、西华大学课程设计说明书 1 前言 随着社会市场经济的不断繁荣和发展，各种装饰彩灯、广告彩灯越来越多地出现在城市中。彩灯又名花灯，彩灯艺术也是灯的综合性装饰艺术。彩灯的产生，是从人类运用火、发明灯、制造灯具等发明出来的。随着我国科学技术的发展，彩灯艺术更是花样翻新，奇招频出。传统的制灯工艺和现代科学技术紧密结合，将电子、建筑、遥控、机械、声学、光导纤维等新技术、新工艺用于彩灯的设计制作，把形、色、光、声、动相结合，思想性、艺术性、趣味性、知识性相统一的典范。在大型晚会的现场，彩灯更是成为不可缺少的一道景观。小型的彩灯多为采用霓虹灯管做成各种各样和多种色彩的灯管，或是以日光灯、白炽灯作为光源，另配

2、大型广告语、宣传画来达到效果。这些灯的控制设备多为数字电路。本次设计采用的555定时器作为脉冲控制部分，自1972年美国SIGNEILCS公司开发出NE555时基电路以来，至今已有30多年的历史，由于该集成电路成本低，易使用、适用面广、稳定性高，占领了广大市场，经久不衰，受到电子、电气设计与制作人员的欢迎世界各国集成电路生产厂商纷纷竞相仿制。目前该类产品已形成一支庞大的队伍。这次需要解决的问题主要是通过各种元器件，使用数字电路和模拟电路，实现彩灯的忽明忽暗功能，使其更具有观赏性。目的是为了进一步掌握数字电路课程所学的理论知识，并熟悉和掌握一些常用数字芯片的功能和作用，并且了解数字系统设计的基本

3、思想和方法，学会科学分析和解决问题，培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度，同时增强了我们的动手实践的能力。通过课程设计运用到相关的数字电路基础、模拟电路知识，我们可以从另一方面更加了解这些学科，从而对我们的专业也多了一些认识。要求本次设计的彩灯控制器达到实现左移和右移，并且每移一次时间间隔为1S，然后同时亮0.5S和同时灭0.5S一共4次的功能，并且能够按照此种规律一直循环下去。 本次课程设计采用的指导思想，是利用555定时器构成的多谐振荡器产生周期性的矩形脉冲，控制74LS161模十六计数器，74LS161A输出2倍T的脉冲信号；B输出4倍T的脉冲信号，大约为1S，通过控制S0和S1实

4、现右移、左移和送数，通过控制CLR控制清零。第一节拍为1右移，第二节拍为0左移，第三节拍全亮为置数1，全灭为清零。由于程序循环一次要12秒，故需要一个12进制的计数器控制循环。第三节拍时要求1秒内全灭全亮各一次，故脉冲信号频率比先前两节拍时脉冲频率要快一倍，而且要以相同频率控制CLR。可以用一个16进制计数器产生脉冲信号，一路送到控制12进制的计数器，一路经逻辑电路送到移位寄存器。本次课程设计只是一次初级的对数字电子技术和模拟电子技术的应用，相关问题解决的还不太完善，方案也不是最优化的，随着以后学习到的知识的加深，相信方案可以变得更好。2 总体方案设计2.1 方案比较方案一：根据课程设计课题要

5、求，要实现本系统，需要设计时钟脉冲产生电路，循环控制电路和彩灯花样输出电路。彩灯的三个节拍可以用移位寄存器74LS194实现，通过控制S0和S1实现右移、左移和送数，通过控制CLR控制清零。第一节拍为1右移，第二节拍为0左移，第三节拍全亮为置数1，全灭为清零。 12进制循环控制器多 谐 振 荡 器 16进制分频计数器移位计数器74LS194彩 灯 显 示 输 出图2.1.1总体方案一框图由于程序循环一次要12秒，故需要一个12进制的计数器控制循环。第三节拍时要求1秒内全灭全亮各一次，故脉冲信号频率比先前两节拍时脉冲频率要快一倍，而且要以相同频率控制CLR。可以用一个16进制计数器产生脉冲信号，

6、一路送到控制12进制的计数器，一路经逻辑电路送到移位寄存器。多谐振荡器用于产生连续的脉冲方波周期性信号，并且每个脉冲的上升沿或者下降沿将使彩灯输出信号发生一次改变，周期的改变可以通过此模块实现。16分频计数器是由74LS161构成，本次设计将利用它的计数功能，使输出端的计数分为四路，达到四路彩灯控制的要求。移位计数器的功能是用芯片74LS194实现的，移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。既能左移又能右移的称为双向移位寄存器，只需改变左、右移的控制信号便可实现双向移位的要求。输出接彩灯输出电路，便可以实现其要求。方案二：彩 灯 输 出

7、 电 路脉 冲 控 制 电 路脉 冲 分 配 器固 态 继 电 器图2.1.2 总体方案二框图根据课程设计要求，首先需要脉冲控制电路版块，这一部分由555时基电路组成的多谐振荡功能来实现，产生连续的周期性的方波信号，并且可以调节脉冲周期的长短，从而控制脉冲分配器，使其输出的信号能够驱动固态继电器。固态继电器受触发后依次开通，驱动彩灯按次序发光。固态继电器需要四个，分别与每组灯相连，分开控制每个灯泡，它的通态输出电流可达3A（有效值），由于市电为220V,所以每路彩灯可控最大功率可达600W。本方案属于大功率电路，适用的范围很广，灯光较亮，但是耗能很高，成本较高。方案三： 电 源 电 路 彩灯输

8、出电路彩灯控制电路图2.1.3 总体方案三框图电源电路由整流二极管、限流电阻器、稳压二极管和滤波电容器组成。彩灯控制电路由计数器集成电路IC、电阻器肛-R13、电容器、可变电阻器RP、晶闸管和彩灯组成。交流220V电压经电源组成板块的文式桥二极管整流整流、然后经限流降压、稳压及滤波后，为IC提供6.8V直流工作电源。IC和外部电阻、电容组成多谐振荡器，在接通电源后即开始工作，IC对多谐振荡器产生的振荡信号进行分频计数后，从IC的Q4-QlO端和Q12-Q14端输出变化的控制电平，使灯泡相连的二极管间歇导通，彩灯按不同的频率闪烁发光，调节RP的阻值，可改变彩灯闪烁的频率。本实验设计方案没由采用5

9、55定时器来构成多谐振荡器输出脉冲，而是用计数集成电路IC和外部电容、电阻构成，方式较前两种方案有所不同，实现脉冲的过程较复杂，况且对其脉冲的周期性也不好控制。目前对此种实现脉冲的方式还不太了解，集成数字芯片计数器IC的管脚功能也不熟悉，对其产生脉冲的稳定性也不能肯定。方案四：花 型 演 示 电 路花 型 控 制节 拍 控 制 电 路时 钟 信 号 电 路图2.1.4 总体方案四框图总体电路共分三大块。第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制及节拍控第三块实现时钟信号的产生。将花型控制和节拍控制放在一个模块里实现。 方案五：花 型 演 示 电 路花 型 控 制 电 路节 拍 控 制 电 路时

10、 钟 信 号 电 路图2.1.5 总体方案五框图在方案四的基础上将整体电路分为四块。第一块实现时钟信号的产生；第二块实现节拍的控制；第三块实现花型控制；第四块实现花型的演示。并在部分电路的设计上与方案一采用了完全不同的方法，如花型的控制。方案六：C语言编程实现亮灯顺序AT89C51单片机控制LED彩灯显示输出图2.1.6 总体方案六框图第一块的作用是用C语言编程实现课程设计要求。其中会用到C语言中的移位、建立延时函数来实现对灯光的延时、闪烁的功能。第二块作用是用单片机将处于严重实现的功能电路画出来，从而可以继续C语言和单片机的握手连接，经过调试后达到要求。2.2方案论证与方案选择在以上几种方案

11、之中，方案一的条理清晰，所用到的芯片比较常见，并且大部分功能都是在我们的书本知识中可以了解到的，其中典型的555定时器构成的多谐振荡器，能够产生稳定的，周期可调的连续脉冲。其中用到的74LS194移位寄存器很容易的实现了彩灯的移位功能。并且利用了十二进制循环控制器使灯泡的明暗能够循环的进行。方案二中同样也用到了555定时器构成的多谐振荡器，总体框图较简单，但此种方案比较适合大功率的循环彩灯控制，每个灯泡的功率高达600W，耗能很高，成本开支较大，适合大型的舞台灯光，并且现在我们对电磁继电器的功能还不了解，设计中可能会出现一些困难。本次设计仅仅针对小型功率的彩灯控制器，所以此种方案不适用。 方案

12、三的框图都是所有方案中最简单的，但是会涉及到很多未学到的知识，比如集成电路IC、电阻器肛-R13，这些元器件都没有了解过，设计起来困难较大。方案四基于基本要求而设计的，方案五加入了节拍的变化，花型控制电路和花型演示电路的CP都是节拍控制之后的CP。方案四与方案五最大的不同就在，前者将花型控制与节拍控制两种功能融合在一起，是考虑到只要计数器就可以实现其全部功能的原因，且原理相对简单。如此设计，其优点在于：设计思想比较简单。元件种类使用少，且都较熟悉易于组装电路。缺点则是：中间单元电路连线过于繁多，容易出错。且可能出现线与线关系。要避免这些，则势必造成门电路使用过多。导致电路不稳定，抗干扰能力下降

13、。而后者则将以上两种功能分开设计，各单元电路只实现一种功能。其优点在于：电路设计模块化，易于检查电路，对后面的电路组装及电路调试带来方便。缺点则是：节拍控制电路采用可编辑逻辑电路，原理相对复杂，不易理解。花型控制电路简单，花型也比较简单。方案六中涉及到大三课程中即将用到的单片机知识，鉴于目前对单片机只有粗浅的了解，很多功能还不知道如何去实现，且单片机功能强大，涉及到的问题较多，为了简化设计，使设计更容易被我们理解，并且要贴合目前学到的数字电路和模拟电路所用到的知识，故不选择这种方案。综上所述，本次课程设计将采用方案一，它运用到了我们已经学过的数字电路和模拟电路，并且模块部分实现的功能很清晰，易

14、理解。实现的电路图也很能够使我们更加理解平时课本上学到的东西，我们可以从另一方面更加了解这些学科，也用到了很多本专业的相关软件，比如Protel、Tina等，从而对我们的专业也多了一些认识。3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计1 时钟脉冲产生电路本模块将用555定时器构成的多谐振荡器来产生连续的、周期性的、可调的时间脉冲，它的作用是触发16分频计数器74LS161工作，从而输出四路信号。图3.1.1 时钟脉冲产生电路555定时器构成的多谐振荡器，内部的比较灵敏度较高，而且采用差分电路形式，振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。并且如果改变R1与R2的阻值便可以改变多谐振荡器输出脉

15、冲的频率。4管脚是低电平有效的复位端，这里将其与+5V的高电平相连使其一直位于高电平状态而不工作。C2是充放电电容，也可以改变C2的值，从而改变输出脉冲的占空比，可以改变灯光亮与灭的时间。2 循环控制电路本模块的主要功能是实现4路彩灯的多次循环的功能。具体实现方式如下：图3.1.2 十二进制循环控制电路如图2.2所示，将74LS161替换成了74LS163，它们在实现十二进制循环控制的功能上是相同的。要使系统以十二进制的长度循环，可以利用74LS163计数清零的功能。如果模N计数器的计数序列从最小0到最大数N-1，那么N是多余的，可用与非门检测N,当N出现时，与非门输出为低，用它控制清零端CR，将计数器清零。此处工作状态从00001011，检测1100（异步清零）。从74LS163输出的1100送入与非门之前，13、14管脚输出后各接一个非门，然后一起将数据送入与非门，从它的6管脚输出的数据返回74LS163的1管脚实现清零功能，使74LS163能够重新开始计数。3 彩灯花样输出电路此模块将对四路彩灯的输出进行控制，彩灯的亮法规则是第一节拍时四路输出Q1-Q4依次为