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1、 课程设计说明书 课程设计名称： 电子技术（数字电路部分）课程设计 课程设计题目： 四花样彩灯控制器 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 电子信息工程 班级： 100415 学号： 27 姓名： 夏亮晶 评分： 教师： 叶臻 2012年 10月 08日目 录摘 要1第1章 前言2第2章 系统组成及工作原理3第3章 电路方案选择5第4章 单元电路设计与计算74.1 时钟脉冲产生电路74.2 四种码产生电路94.3 彩灯自动转换控制电路134.4 花样输出电路设计14第5章 整机电路设计17第6章 电路仿真196.1 软件介绍196.2 仿真电路19结 论23参考文献24附录1 花样彩灯控制器
2、原理总图25附录 2 元器件明细表26第 1 页摘 要彩灯控制器在我门日常生活中有重要的运用，如广告牌的设计和节日彩灯的设计都能运用到它的原理。本次设计的四花样彩灯控制器是其中较简单的，但这是进行复杂设计的基础。本次课程设计要设计一个四花样彩灯控制器。首先要分析设计要求，从要实现四花样入手推导出要使用的芯片。可通过八位右移寄存器74LS164实现八个彩灯的向右移动，从它的右移输入端输入四种码来实现它的四种花样。根据四种花样确定这四种码，可通过模十六计数器74LS161的输出端接与门74LS08和非门74LS04产生。要实现彩灯的自动转换，把四种码输入四选一数据选择器74LS153的四个输入端，
3、它的地址输入端接双D触发器74LS74的两个输出端，74LS74可产生四种循环的状态，从而实现彩灯的自动转换。时钟信号由两个555产生，一个产生周期为0.721秒的矩形脉冲控制模十六计数器74LS161和八位右移寄存器74LS164,另一个产生周期为14.01秒的脉冲控制双D触发器。当彩灯完成一种花样时，双D触发器输出状态改变，数据选择器选择另一种码输出，彩灯变为下一种花样，直到完成四种花样再循环变化。经实验验证，所设计的四花样彩器能完成四花样变换。关键词 时钟脉冲；分频；自动转换；控制器；数据选器第1章 前言彩灯控制器有着非常广泛的运用，如：LED彩灯，音乐彩灯控制器，二维彩灯控制器等等。随
4、着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用 彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态 参数。优易LED全彩灯光控制系统由Color Edit编辑软件、主控器、分控器和LED光源组成，广泛应用于城市景观、风景名胜、道路桥梁、建筑轮廓、娱乐场所、户外广告、室内装饰等美化、亮化工程。二维彩灯控制器可控制五
5、路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭。若将一定数量的彩色灯组合联接，就能营造出平面上色彩变化的场景，这比通常控制一条线上的色彩流动更加丰富绚丽。控制器采用数字集成块，外围元器件少、电路结构简单，只要元器件完好、装接无误，装后无须调试即可一举成功。音乐彩灯控制器是专用于卡拉ok厅 KTV包房的彩灯控制设备，其最大优点是不与电视音响等设备有任何连接，本设备通过检测包房里的环境音频信号强弱来控制通过彩灯的电流大小（即亮暗程度）来烘托娱乐的兴趣的目的，也就是随着声音的大小而使彩灯闪烁，歌声和彩灯一起跳动，从而让唱歌人激情高涨，留连忘返。本课题研究的是四花样彩灯控制器，应用的是数字逻辑电路的有关知识，是进
6、行复杂设计的基础，对进行复杂彩灯设计具有指导意义第2章 系统组成及工作原理四花样彩灯设计可先对几个独立的功能模块进行设计，每一个模块完成特定的功能,再把它们有机的组织起来构成一个系统完成彩灯控制器的设计。系统可由四个模块组成，它们分别是：时钟电路、四种码产生电路、自动转换控制电路、数据输出，设计框图如图2-1所示。时钟电路输出电路时钟电路控制电路四种码产生电路图2-1 系统组成框图各模块的组成及功能分析：1.时钟电路：由两个555和电阻电容组成，构成两个多谐振荡器，一个周期为0721秒，控制计数器和寄存器，另一个周期为14.01秒，控制双D触发器。2.四种码产生电路:由模十六计数器74LS16
7、1、与门74LS08和非门74LS04组成，计数器的四个输出端接组合逻辑门从而产生四种码。3.自动转换控制电路：由双D触发器74LS74和四选一数据选择器74LS153组成，双D的两输出端接数据选择器的地址输入端，它能产生两位循环二进制码，每改变一种状态，数据选择器选择一种码输出，使彩灯花样自动循环。4.数据输出电路：由八位移位寄存器74LS164和八个彩灯组成，选择输出的每一种码输入到寄存器的数据输入端，使码在寄存器的八个输出端自左向右移动，实现彩灯的花样。工作原理分析：从多谐振荡器出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送到模十六计数器；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器。调节多谐振荡器
8、的电阻可以改变震荡频率，即改变彩灯移动的速度，得到不同的动态效果。多谐振荡器、双D触发器、数据选择器共同组成一个电子开关。多谐振荡器输出的计数脉冲经双D触发器两位二进制计数器，在它的两个输出端得到00、01、10、11四种逻辑状态。这四个状态作为数据选择器的四个数据通道选择信号，对应从模十六计数器输送到数据选择器的QA，QB，QC，QD四个分频信号。其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。当双D触发器输出为“00”时，数据选择器输出10000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样一；为“10” 时，数据选择器输出11000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样二；为“01” 时数据选择器
9、输出11110000序列脉冲，为八分频信号，实现花样三；为“11” 时数据选择器输出1111111100000000序列脉冲，为十六分频信号，实现花样四。调节开关电路的CP脉冲产生电路的电阻，可以改变开关的切换时间用以选择每种花样出现时间的长短。数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端，在时钟脉冲的作用下，数据在移位寄存器的八位并行输出端从Q0到Q7顺序移动。移动的八位控制信号直接控制发光二极管的亮灭，就出现了八路四花样自动循环切换的流水彩灯。第3章 电路方案选择循环彩灯电路设计方案有多种，这里考虑了以下两种方案：方案1利用数字芯片实现。用模十六计数器74LS161的输出端的最高位QD作为双D触
10、发器的时钟，可以少用一个555定时器。计数器每计八个数，QD由低电平变为高电平，双D触发器的状态改变，四选一数据选择器74LS153选择下一种码输出，彩灯变为另一种花样，以后四种花样循环改变。如图3-1所示。图3-1 比较方案1电路图方案1的优点是省了一个555脉冲产生电路，使电路更清晰，增强了电路的可靠性；缺点是如果按此方案连接电路，彩灯无法完成第四种花样（依次点亮，依次熄灭），只能完成一半，依次点亮或依次熄灭，部分实现了设计要求，所以不采用。方案2用多谐振荡器的输出端作为双D触发器的时钟。计数器每计八个数，QD由低电平变为高电平，双D触发器的状态改变，四选一数据选择器74LS153选择下一
11、种码输出，彩灯变为另一种花样，以后四种花样循环改变。如图3-2所示。图3-2 比较方案2电路图优点:本电路图设计简单、结构清晰，可分为四种码产生电路、开关电路、输出电路和时钟电路这四个模块。四种码产生电路由模十六计数器和组合逻辑门构成，开关电路由双D触发器和数据选择器构成，输出电路由移位寄存器和彩灯构成，时钟电路由两个555构成。通过改变多谐振荡器的电阻可改变彩灯流动的速度和各花样持续的时间，实现了彩灯花样的动态变化，增强了控制器的灵活性。缺点：原因可能是数据选择器输出的两种码之间的间隔大于彩灯每一种状态持续的时间，使彩灯的一种花样完成后并没有进入另一种状态，当进入另一种状态时上一种状态的多余
12、码进入下一个状态，故出现了混乱的状态，可改变双D触发器的CP脉冲，即改变多谐振荡器的电阻，使得一种花样完成后，数据选择器地址输入端状态改变，正好选择另一组码输出，彩灯花样改变。所以选择第二种方案。第4章 单元电路设计与计算4.1 时钟脉冲产生电路时钟脉冲产生电路由NE555定时器、两个电阻和两个电容构成。555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它可以方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，由于使用灵活、方便，所以555定时器再波形的产生与变换、测量与控制等多种领域都得到广泛应用。时钟脉冲产生电路主要由555定时器芯片来实现，555芯片管脚图如图4-1所示。图4-1 NE5
13、55定时器555定时器内部机构如图4.1所示，它主要有以下部分组成：(1)电阻分压器。由3个5 K的电阻组成。(2)电压比较器。由C1和C2组成，当控制输入端悬空时，C1和C2的基准电压分别是2/3Vcc和1/3Vcc。(3)基本RS触发器。由两个与非门G1和G2构成，对两个比较器输出的电压进行控制。(4)放电三极管VT。VT是集成极开路的三极管，VT的集成极作为定时器的引出端D。(5)缓冲器。由G3和G4构成，以提高电路的负载能力。引脚功能:1脚位接地端；2脚是低电平触发端入端；3脚是输出端；4脚是复位端；5脚是电压控制端；6脚是高电平触发端入端；7脚是放电端；8脚是电源端。时钟电路图如图4
14、-2所示。图4-2 时钟电路用555定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,其周期为:T=0.7(R1+2R2)C (4-1)要用两个555产生两个时钟脉冲,两个时钟电路是相同的。一个控制74LS161模十六计数器和八位移位寄存器,要能看到彩灯的流动,其周期设为1秒左右, 电阻值和电容值可设为：R1=1K R2=51K C=10f由公式（4-1）计算得：T=0.721s时钟电路的输出一路作为计数脉冲送到模十六计数器74LS161；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器74LS164。另一个555产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换,其周期设为模十六计数器的20倍,改变R1、R2的阻值即可，可设为：R1=1K R2=1M C=10F由公式（4-1）计算得：T=14.42s工作原理:多谐振荡器的输出波形图，如图4-3所示。图4-3 多谐振荡器的输出波形接通电源后，VCC经R1，R2给电容C充电。由于电容上电压不能突变，电源刚接通时Vc=0，当Vc上升到大于Vcc3时，RD=1，SD=1，基本RS触发器状况不变，即输出端Q仍为高电平，当VC上升到略大于2VCC3时，Rn=0，SD=1，基本RS触发器置0，输出端Q为低电平。这时Q=1，使内部放电管饱合导通。于是电容C经R2和内部放电管放电，Uc按指数规律减小。 当Vc下降略小于Vcc3时，内部比较器A1
