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1、Liaoning Normal University开放实验室项目研究论文题 目：多花型彩灯控制器设计 学 院：物理与电子技术学院专 业：电子信息工程班级序号： 5班16号学 号： 20081809010057学生姓名： 指导教师： 2010年12月多花型彩灯控制器设计学生： 指导老师：物理与电子学院 电子信息工程 08级摘要随着科学技术的发展以及人民生活水平的提高，在现代生活中，彩灯作为一种装饰，既可以增强人们的感观，起到广告宣传的作用，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽，用在舞台上增强晚会灯光效果。随着电子技术的发展，应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展，因为电子覆盖
2、面广，抽象能力强，在实际应用中越来越广泛。在这个阶段，人们开始追求贯彻整个系统设计的自动化，可以从繁重的设计工作中彻底解脱出来，把精力集中在创造性的方案与概念构思上，从而可以提高设计效率，缩短产品的研制周期。整个过程通过集成块自动完成，大大减轻了设计人员的工作强度，提高了设计质量，减少了出错的机会。 本文课程设计应用多个集成块，使用集成技术完成八路彩灯控制系统。关键词 小型化；提高效率；集成块；彩灯控制器Abstract With the development of science and technology and the peoples living standards increas
3、e, in modern life, the lights as a decoration, can enhance the feel by the publicity, but can add a festive atmosphere for the peoples life in the mirror, on the stage lights up the party. as the effect of technology and applications systems at the small size, the bulk and weight in the direction of
4、 development, because an extensive coverage and abstract, in practical application. At this stage, people began to pursue the implementation of automation, the whole system design in the design work thoroughly and concentrate on the creative solutions to the concept plan, so we can improve the effic
5、iency of the product design and development cycle. the process through integration of the completed, the designers work, and improve the design and quality, reduce errors. this course design to apply more integrated, using an integrated. In the application of more integrated, using integration techn
6、ology complete control system. the lights .Keywords Small size；increase the efficiency of the integrated lights一. 多花型彩灯控制器设计（一）多花型彩灯控制器设计方案一：多花型彩灯控制器设计方案一总体电路图1-1电路主要由四部分组成，第一部分是振荡电路，第二部分是计数器，第三部分是译码器，第四部分是彩灯部分。第一部分组要由NE555和电阻、电容构成，NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各
7、种不同频率之脉波讯号。其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。1.NE555的特点： （1）.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 （2）.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 (3).其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 (4).它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 2. NE555引脚位配置： 图1-2 NE555接脚图 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 2 (触发点) -这个脚
8、位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3
9、VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为 NE555引脚位配置图1-2 ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。第二部分主要由CD4518组成，CD4518是一个双BCD同步加计数器，由两个相同的同步4级计数器组成，在电路中的主要作用是计数作用，为下一部分做准备。CD4518引脚功能(管脚功能)如下：1CP、2CP：时钟输入端。1CR、2CR：清除端。1EN、2
10、EN：计数允许控制端。1Q01Q3：计数器输出端。2Q02Q3：计数器输出端。Vdd：正电源。Vss：地。第三部分是CD5414译码器，它是四输入十六译码器，去功能表如下：CD5414译码器功能表1-1第四部分是彩灯部分，如图，其后七个部分的电路接法同第一个。方案一彩灯闪烁方式真值表1-2CPQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8111211113111111411111111511111161111711891110111111121113111114111111151111111116第一种方案构思较简单，容易理解，便于实现，但也存在很多不足之处，由上表可知，闪烁方式只有三种，较为单调，但通过电
11、路图可知，电路很复杂，且耗费元件较多，是一种不经济的方式，所以是不可取的。经过老师的指导，我又设计了方案二。（二）多花型彩灯控制器设计方案二：1.多花型彩灯控制器总体设计将整体电路分为四块。第一块实现花型的演示；第二块实现花型的控制；第三块实现节拍控制；第四块实现时钟信号的产生。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。多花型彩灯控制器设计方案二主体框图2-1时钟信号CP电路：参见高等教育出版社 王淑银主编的数字电路与逻辑设计课本P404图10-3-6（a）。 花型控制电路：由161 4位二进制同步计数器完成。花型演示电路：由195 双向移位寄存器完成（可左移右移完成花型
12、变化）。其八个输出信号端连接八个发光二极管，用其输出信号控制发光二级管的亮灭实现花型演示。而花型之间的变化通过花型控制电路的输出即161级联的计数器输出控制。 节拍控制电路：节拍变化由151八选一数据选择器完成，节拍的快慢变化可有74双上升沿D触发器完成，它可实现二分频。2.三种花型变换样式花型1：8路灯分两半。从左至右渐亮，全亮后，再分两半从左至右渐灭。循环两次；花型2：从中间到两边对称地逐次渐亮，全亮后仍由中间到两边逐次渐灭。循环两次；花型3：从左至右顺次渐亮。全亮后逆序渐灭。循环两次。移存器输出状态编码表2-1节拍序号花型1花型2花型310000000000000000000000002
13、1000100000011000100000003110011000011110011000000411101110011111101110000051111111111111111111100006011101111110011111111000700110011110000111111110080001000110000001111111109111111111001111111110011111112000111111300001111140000011115000000111600000001我的设计是每种花型完整显示两遍，所以三种花型完全显示一遍需要的总结拍数为64，即116显示第一
14、个花型，1732显示第二个花型，3364显示第三个花型。要用194实现三个花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR一句节拍的变化进行相应的改变,通过161的输出反馈来控制经过观察每16个CP低位片输出Q1Q4变化比较频繁,根据变化的花型频率选用高位片的Q5Q6去控制194的SL、SR、S1、S0的变化从而实现滑行的变化。现将两片194分为低位片1和高位片2，再将其输出端从低位到高位记为L1L8。由二片161级联的模128（三种花型节拍每种显示两遍，再总体重复一遍的总节拍数）计数器。161的级联用的是同步，并用QH清零。当三种花型全新显示一遍后（总共64拍）161的输出变为0000
15、0100所以将161高位片的Q2（即QG）信号输给节拍控制电路的151的A来通过节拍控制电路改变第二遍花型显示的频率。161的CP脉冲来自节拍控制电路中74的输出端Y。由一片151和一片74级联实现。整体上实现脉冲频率的变换，即交替产生快慢节拍。 令74的Vcc，CLR，PR都接高电平，将Q的输出接到D端，Q端的输出接到151的D1端。令151的B,C,G,GND接低电平，Vcc接高电平，D0接时钟信号的CP脉冲，A端接由花型控制电路的QG输出。 所以Y端的输出就为：Y=CPA+QA (Q是74D触发器的输出端)由D触发器具有记忆功能，记录上一个状态，所以在每一个CP脉冲的上升沿，Q输出为上一
16、次的记录（即一个脉冲）。也就比时钟信号电路的CP脉冲慢了一拍。 所以通过A为0或1选择Y端输出的脉冲的频率。A端接的是161的高位片的QG即当到达第64拍时QG为1接下来的65128拍为变慢后的脉冲输出。各花型和其对应S1、S0、SL、SR输入信号及节拍控制信号列表2-2：(用Li表示Li的取非)花型低位片节拍控制信号SLSRS1S0SLSRS1S0QE QF1XL801XL801002L8X10XL801103XL801XL40101XL801xL40111多花型彩灯控制器设计方案二总体电路图2-11基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图如下：基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图2
17、-22. 测试波形: (列依次为CP脉冲,前四位是低位位片194A,B,C,D,后四位是高位片194A,B,C,D即QA-QH)多花型彩灯控制器设计方案二花型一真值表2-2CPQAQBQAQDQAQBQCQD1112111131111114111111115111111611117118多花型彩灯控制器设计方案二花型二真值表2-3：CPQAQBQAQDQAQBQCQD1112111131111114111111115111111611117118多花型彩灯控制器设计方案二花型二真值表2-4：CPQAQBQAQDQAQBQCQD1121131114111151111161111117111111
18、18111111119111111110111111111111112111113111141115116 方案二比方案一的花色多一些，方案一与方案二最大的不同就在，方案一是基于基本要求而设计的，方案二加入了节拍的变化，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。循环时间也有一定延长，但还是不够丰富，这种数量的元件，应该可以设计出更好的电路。但是经过方案二我切实发现了集成块的体积小，功能多的优点。经过和老师的讨论和多种设计方案的比较论证，最终选择了以双向移位寄存器74LS194芯片为核心的设计方法。二.多花型彩灯控制器设计方案三：（一）.总体系统设计 如右图，电路大体由四部分组成，
19、 分别是CP脉冲发生电路，节拍控制电路，花型控制电路，花型演示电路。 其中，CP脉冲发生电路组要由NE555和电阻电容构成；节拍控制电路主要作用是产生32分频；花型控制电路又分为两大部分，一种处在出发状态另一种处在计数状态；花型演示电路由两片74LS164和八个发光二极管及八个限流电阻组成。 总体系统设计框图3-1 整个电路系统以双向移位寄存器为核心；移位脉冲发生器是将555定时器接成多谐振荡电路，通过调整充电电容及电阻的大小可以改变脉冲频率，脉冲频率决定彩灯移动的速度；555定时器用于定时的输出高低电平来选择左右交替移动的时间；用移位寄存器的并行输出端控制二极管的导通或截止，从而控制继电器的
20、工作状态，控制灯泡有规律的点亮或熄灭。(二).CP脉冲发生电路：如图是脉冲发生器，考虑到节拍是整个电路功能实现的基础及其他模块进行调试的必需条件，故首先实现节拍发生模块。脉冲产生电路由555定时器组成，将555芯片的第2脚和第6脚短接，构成多谐振荡电路，这时芯片输出引脚第3脚将输出频率稳定的脉冲信号。脉冲信号的频率可以通过调节充电电容 和电阻的大小来改变。电容容值和电阻阻值的大小与输出脉冲周期的关系可以由下式计算得出，2s节拍选用由555及相关器件构成的多谐振荡器电路实现。由于输出波形中低电平的持续时间，即电容放电时间为 低电平的持续时间，即电容放电时间为 因此电路输出矩形脉冲的周期为 CP脉
21、冲发生电路图3-2 输出矩形脉冲的占空比为 当时，占空比近似为50%。故综合考虑，电容取：10Uf 0.01f取整数电阻电阻取：=100 k 100 k（三）.节拍控制电路组成 节拍控制电路大体结构如图3-3由于CP脉冲发生电路中已实现2s节拍，故使用74L161（计数器）将其二分频产生32s节拍。再通过控制74LS74（触发器）将其二分频产生64s节拍。因此该模块由一片74LS161和一片74LS74级联实现。整体上实现脉冲频率的变换，即产生 节拍控制电路大体结构图3-3CP的32节拍。 74LS161是四位二进制可预置同步计数器，由于它采用4个主从JK触发器作为记忆单元，故又称为四位二进制
22、同步计数器，其集成芯片管脚如图3-4所示管脚符号说明Vcc：电源正端，接+5V ：异步置零（复位）端CP：时钟脉冲：预置数控制端A、B、C、D：数据输入端QA、QB、QC、QD：输出端RCO：进位输出端 74LS161管脚图3-4 该计数器由于内部采用了快速进位电路，所以具有较高的计数速度。各触发器翻转是靠时钟脉冲信号的正跳变上升沿来完成的。时钟脉冲每正跳变一次，计数器内各触发器就同时翻转一次，74LS161的功能表如表3-1所示：74LS161的功能表如表3-1 输 入输 出ETEPCPABCDQAQBQCQDLLLLLHLabcdabcdHHHH计 数HHL保 持HHL保 持74LS161
23、时序波形图如图3-5,3-6 74LS161时序波形图3-5图74LS161时序波形图3-6 令74LS74的Vcc，CLR，PR都接高电平，将Q的输出接到D端，Q端的输出接到花型电阻电路中处在触发状态的74LS161的片选端。令74LS161的GND接低电平，Vcc接高电平，CP接2s节拍信号即555的输出Vo，D端接74LS74的D输出。 由此实现了由2s向64s节拍的控制转化。节拍控制电路图如图3-7： 节拍控制电路原理图3-7 （四）.花型控制电路1.161移位状态 此部分系统图如图3-8 如右图所示，所谓移位状态，即此片161使后面的移位寄存器处在移位状态，当161CP端来一个脉冲，
24、它计一个数。在开始的八个节拍里，控制电路使移位寄存器一直处在移位状态，八组灯分两组，第一片移位寄存器实现左移，第二片移位寄存器实现的使右移，而SL及SR接的使CP的八分频，每四分频变化一次，故可看到八路彩灯由中间向两边依次亮，之后又由中间到两边依次熄灭。 161移位状态系统图3-8 当八个节拍结束后，由QD控制的移位控制端发生变化，移位寄存器不再处在移位状态，开始触发。而QA端一直接在移位寄存器的AB端，由于非门作用，使两片移位寄存器的AB和CD的输入一直是相反的，这是，QAQBQCQD的输出完全与出入相同，就可以看到彩灯两组两组交替闪烁。这样经过四个节拍后，当计时器计到12使，与门输出一个高
25、电平，因为有一个上升沿，D触发器翻转，使153译码器的片选有效，来一个CP脉冲时，153输出在1和0之间转换，其输出和VCC电源相异或，从而控制之后的移位寄存器的片选。而这时，由于ABCD接在或门的输出端，使ABCD输入高电平，我们可以看到的现象使八组彩灯以四组为一组，出现明暗交替变化。161移位状态原理图如图3-9：161移位状态原理图3-92.161计数状态 161计数状态系统框图如图3-10 经过十六个节拍节拍控制电路处在移位状态，移位寄存器的移位控制端由QD控制，由于非门的做用，使控制端一直保持相反，因此可以一直移位。而SL和SR由QC控制，使其在四个节拍变化一次。如此，我们可以看到八
26、组彩灯先由中间向两边依次亮，全亮了之后再由中间向两边依次熄灭，全灭了之后，再由两边向中间依次亮，全亮 161计数状态系统框图3-10 了之后，再从两边向中间熄灭。161计数状态原理图如图3-11： 161计数状态原理图3-11（五）.花型演示电路花型演示电路主要由74LS194控制，74LS194（4位双向移位寄存器）是一种功能很强的通用寄存器，其逻辑功能如附表所示。从功能表中可见，它具有并行输入、并行输出、左移和右移及保持等功能。这些功能均通过模式控制端M0、M1来确定。当M0=M1=0时，寄存器处于保持状态；当M0=M1=1时，寄存器处于并行输入并行输出功能，即在CP上升沿作用下，加到并行
27、数据输入（D0D3）的数据被送到Q0Q3；当M0=0、M1=1时，寄存器处于左移操作（Q3向Q0方向），数据从左移串行数据输入（DSL）送入；当M0=1、M1=0时，寄存器处于右移操作（Q0向Q3方向），数据从右移串行数据输入（DSR）送入。 74LS194管脚图3-1274LS194的功能表3-2将CP端接逻辑开关，其它需要设置和改变状态的端，可通过临时改变电位（接+5V电源为高电平，接地为低电平）来实现不同状态，Q0Q3输出端接（LED管）。先设定有确定取值的输入端的状态，然后，送入时钟脉冲，观察LED管状态，确定Q0Q3输出端的状态。通过Q0Q3输出端的现态与次态或输入端D0D3、DSR
28、、DSL的关系，从而确定寄存器实现的逻辑功能。74LS194构成的顺序脉冲发生器及其波形图3-13 花型演示电路原理图3-14多花型彩灯控制器设计方案三真值表3-3CPQAQBQAQDQAQBQCQD1111121111311114111151111611117111181111911111011111111111121111131111141111151111161111171118111119111111201111111121111111221111231124251126111127111111281111111129111111301111311132（六）.整体电路图整体电路图原理
29、图3-15三.设计所使用的元件及工具：74LS161（四位二进制同步计数器） - 3个；74LS194（双向移位寄存器） - 2个；74LS74（双上升沿D触发器） - 2个；74LS00（四二输入与非门） -4个；74LS32（二输入四非门） - 1个；74LS08（二输入四与门） - 1个；74LS86（二输入四异或门） - 1个；发光二极管- 8个；NE555 - 1个；电容： 10Uf -1个；001f -1个；电阻： 150k - 1个；100k -2个；330 -8个；面包板一个；万用表一个；钳子一个；导线若干。四.调试 实验的每一天都有所收获，都有所进步。我花了很久的时间来设计电
30、路：首先再次熟悉相关器件的功能、用法，又参照了一些书籍、材料，然后一步步地走，一点点地完善，最终完成属于自己的第一阶段成果。在连线时，因为对原理及连线都很熟悉，所以连线阶段并没有花费过多的时间。但是加电后LED二极管亮的没有一点规律，检查原理图没什么问题，我只能一条导线一条导线地标记，一个端子一个端子地排查，较为有效的方法是，先将所有的集成块卸下来，检查每个座是否连接正确，保证底线和电源线间电压是5V，这样就可以放心安装集成块了，可以确保它不被烧坏。再用万用表调到音乐档，检查导线是否连接正确，是否有短路断路现象，最后发现是两个与非门间的连线弄错了。本对于161、194和其他器件的功能和应用都很
31、熟悉，但是在具体设计电路时出现了疑惑。用194去实现一个花型很简单，如果是三个分开也难，但是本次设计要同时实现三个花形，是通过153来选择吗？是手动吗？手动有些不切实际。经过思考没有得到解决，只觉得161的计数器如果不去反馈控制194的变化，那么它的存在价值不大，接下来我看了一些参考书籍，大概有了自己的思路，于是开始设计，所以刚开始的几天就一直在想怎样将三种花型衔接起来，但是书中介绍比较组略，只知道S1、S0、SL、SR不是直接输入的。还是在思考一下，如果给161和194的CP是同步的那么就每来一个上升沿161计数一次同时194的变化一次，每个花型需要的CP脉冲数是固定的，也就是说只要通过计数
32、器的反馈就可以控制滑行之间的转换。但是161的输出端有8各，具体怎么控制呢？想不通的，就回归到数电中设计的基本思路，列出状态转移表，来找规律。再加上电源又不对了，LED二极管居然常是常亮，检查电路没什么问题，不管是什么问题，一个个排除吧。最终其实也没很确切的知道问题的所在，因为不同的方法都在试具体是哪个也不确定了。我觉得最可能是电容的正负极和LED的插稳与否的问题。于是我检测了电路测试了电位，都正确。老师过来看时让我加电他看看，结果居然是我给的电压太高了，我在加电是不小心把电压调的太高了，自己还没意识到那个问题，幸好没把芯片烧坏。其实在电路组装过程中，遇到的最大问题是，芯片分布不够合理，无法很
33、好的布线。于是在分析了我的设计后计算了要用芯片的个数和个芯片之间的关系，按照各个控制电路的走向较合理的插好了芯片。其次就是布线，因为要求不准交叉，且横平竖直，所以在保证连通的情况下，在布线上也下了不少工夫，我用心考虑，尽力做到我认为很合理的布线。调试过程中，第一轮用万用表欧姆档测试，就遇了实验板上有插孔不通的情况，导致芯片不能正常工作。相对于别的办法，我选择了导线显示连通，因为其更明晰，更易实现。对于高阻导线则只能换掉。第二轮接电后，用万用表的电压档测试单元电路的状态。如：时钟信号电路的信号是否正常产生，控制信号电路中的计数器能否正常计数，D触发器能否每2拍翻转一次，最后在整体上测试一遍。在整
34、个调试完成后，却遇到的新问题：彩灯演示时有时正常有时混乱。在排除其它可能的情况下，我仔细检查各端子的连接情况，发现清“0”端在清“0”后悬空了。将其插到电源正极后，发现问题解决了。五.总结本次课程设计我只用了一个星期的时间就全部做完，效率很高，因为在设计之前根据设计的要求，每个模块都仔细的设计分析了，正是整个过程我都认真的态度和方案选择合适，才有这么高的效率。而且从本次课程设计中收获很多。可以总结为以下的几点：（一）、巩固数电知识这次课程设计主要是运用数字电路逻辑设计的一些相关知识，在整个实习过程中，都离不开对数字电路课程知识的再学习。我在最开始，就先将实习用到的知识通过翻阅数电书回顾了一遍（
35、这也是对这门课的复习，给以后的复习备考减少了很多负担），这样的回顾让我对知识的理解更加透彻，对后来的快速设计起了很好的铺垫作用。而且还参考了数字电路实验指导书， 关于芯片的管脚，里面有清晰的描述。（二）、学会用电路板、芯片、导线等组装各种功能的电路；虽然这不是第一次用电路板，因为之前的课内实验也用过，但当时的运用也只是插些导线和电阻电容之类的，用了电路板的很小部分。这次的实习中应用了整块板子，实习后对电路板的组成完全了解了，并能熟练运用。实习中通过对电路的连接也懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的放置芯片在最合适的位置。在导线的连接上，如何选择导线走向是关键，我们应该尽量保
36、证所连电路的简捷，宁短勿长，合理布线。一个完美的作品不仅要能很好的完成要求实现功能，还要在感官上给人美的享受。所以站在美的角度对自己的电路进行改良是很必要的。（三）、理论联系实际据老师介绍，这是大学里唯一一次比较大型的动手实践机会。我当然不会错过。课程设计，通过选择的题目，根据要求，运用所学知识将其付诸实践来完成。这并不是在课堂上的单纯听懂，或者课后看书过程中的深入理解，这需要的是一种理论联系实践的能力。理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论，而实际的动手操作则完全不同，需要考虑实际中的很多问题。有些知识在理论上可能完全没错但到了实际中则不然。比如在动笔做题时我们是不用考虑导线、电阻是否连接的牢固合理，但在实际中，导线电阻有时是会带来时延造成花型变化的错乱，所以我们应尽量在连接电路时选择最短路径。平时试验中，我就很认真，所以会比平时不动手的要轻松地多。（四）、和同学共同合作、互相学习、共同进步最初大家没思路的时候，特别的着急，我想出来了，大家问我，我就说了我的思路，我们不是抄袭，只是探讨，们个人都理解了才开始设计，我做的循环两遍，他们的都不是。我们的设计不同，我只是给大家启发了一个思考点。理论上我先设计出来，但在实习中经常会遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题，请教同学或老师是很好的做法，节省时间，也会从别人身上学到更多。在设计时和同学相互交流各自的想法也是很重