四路彩灯控制器设计方案

1 四路彩灯控制器设计方案 1 前言 随着经济的发展，城市之间的灯光系统花样越来越多， 用中规模集成电路设计并制作一个四路彩灯显示系统，可用于节日庆典，医院病房等多处地方，同用单片机控制相比，它具有准确，不易受外界干扰出错，因而得到了广泛的应用。小到人们日常生活中的电子贺卡，大到宾馆、医院等公共场所的大型数显电子钟。 用中规模集成电路设计并制作一个四路彩灯显示系统，要求如下： 1) 开机自动置入初始状态后即能按规定的程序进行循环显示 ； 2) 程序由三个节拍组成：第一节拍时，四路输出 ，使第一 路 彩灯先点亮 ， 接着第二 ， 第三，第四路彩灯点亮。第二节拍时， ，使第四路彩灯先灭，然后使第三，第二，第一路彩灯灭。第三节拍时， 态 后同时为 0 态 然后同时灭 进行 4次。每个节拍费时都为 4秒，执行一次程序共需 12秒 ； 3) 用发光二极管显示彩灯系统的各节拍 。 根据课程设计要求，首先确定总设计方案，然后用 后完善总体电路写出设计报告。 编辑说明书： 003 绘制框图： 绘制原理电路： 仿真分析： 设计所需软件用以上任意即可完成 需求 。 2 2 总体方案设计 通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的 特点，然后阐述我最终选择方案的原因。 启 动 第 一 节 拍逐 次 渐 亮第 二 节 拍逆 序 渐 灭第 三 节 拍同 时 亮 灭各 占 0 . 5 四路彩灯控制流程框图 较 采用单片机控制电路为主实现四路彩灯显示。 运用 后编译，通过单片机内部实现四路彩灯的显示，编译成功后通过下载机下载至芯片，然后连接即可实现预先功能。 51 单 片 机 5 1 单 片 机四 路 L E 图 方案一的原理框图 采用 中规模数字 芯片组合实现四路彩灯显示系统。 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。 中规模数字芯片的组合方式多种多样，本设计决定 时钟脉冲产生电路由 74环控制电路由 74现，彩灯花样输出电路由74 电路实现。 3 节 拍 控 制 器 分 频 器脉冲源启动节 拍 程 序 执 行 器显 示 电 路1 s1 s4 方案二的原理框图 1) 方案一 优点 ： 连接线路较少 简单 ， 可以实现的功能更多，扩展性强。 缺点 ： 编程较为麻烦，容易出错，不利于理解底层电路的连接 和 实现 其功能 。同时用单片机控制不宜体现数 字 电 子技术基础 运用实践的能力 。 2) 方案二 优点 ： 不用编程，不 用 编译只要正确连接 线路，元器件参数选择合适 就能正常工作 。 缺点 ： 必须掌握所有芯片的引脚功能及作用， 并且 连线较为复杂 。 本学期我们学习了数字电子技术， 一直感觉数电学的不太好，很多概念模糊不清，尽管在学院创新实验室已经提前学习了单片机编程技术，但是为了打好基础，学好基础电子技术课程，我决定选择方案二。 4 3 单元模块设计 单元模块功能介绍及电路设计 本系统主要分为三个单元模块，它们分别是：秒脉冲电路、 模 12计数器74和 移位寄存器 74示电路。各 单元模块功能 及相关 电路 的具体说明如下。 55 定时器构成 秒脉冲电路设计 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 ,对于彩灯控制器，我们需要 10%的方波信号，设计电路图如下：图 555定时器构成的秒脉冲电路 12 计数器 74计 模 12计数器 74 43个节拍共 12设计 电路图如下 ： 5 图 742 计数器 用移位寄存器 74制四个彩灯 通用移位寄存器 74制四个彩灯连接 原理图 如下： 图 74器件的选择和参数计算 下面就相关电路中的参数计算以及元器件的选择进行说明。 6 脉冲电路 方案 一 ：石英晶体振荡器； 此电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率 与电路中的 R、以此电路能够得到频 率稳定性极高的脉冲波形，它的缺点就是频率不能调节，而且频带窄，不能用于宽带滤波。此电路非常适合秒脉冲发生器的设计，但由于尽量和课堂知识联系起来，所以没有采用此电路。 方案 二 ：由 555 定时器构成的多谐振荡器； 由 555定时器构成的多谐振荡器 。 555定时器的管脚图如图 于 555定时器内部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响很小。所以由 555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰。因此采用此方案。 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 （ 2+ C （ C (1 控制 742计数器电阻值和电容值可设为： ， 0， 0C=47 F 由公式（ 1算得： T 12 计数器 74计 由一个 74个与门和一个与非门组成，这图用的是反馈置数法，当输出端 C,A 为 1011时， ，此时 74出端就重新回到了 0000 状态。当然还可以用反馈清零法，既是将与非门的输出端接在 出端 C,011时，将 出端为 0000。这样一次循环就完成。 4制四个彩灯 在第一节拍中， 1， 74194实现右移功能，即在时钟脉冲作用下，把逐次移进；在第二节拍中， 0， 74194 实现左移功能，即在时钟脉冲作用下，把 逐次反方向移进。 本系统 中 全部 使用了如下功能器件： 74个， 741 个， 742个， 741 个， 741个， 741个， 个，导线若干。 下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。 7 55 定时器 555定时器电路是一种中规模集成定时器，目前应用十分广泛。通常只需外接几个阻容元件 ,就可以构成各种不同用途的脉冲电路 ,如多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。 555定时电路有 成定时电路和 它们的逻辑功能与 外引线排列都完 图 555定时器 的 管脚图 图 555定时器 的内部结构 图 它的各个引脚功能如下： 1脚：外接电源负端 般情况下接地。 8脚：外接电源 极型时基电路 范围是 时基电 路 般用 5V。 3脚：输出端 2脚：低触发端 8 6脚： 4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论 基电路输出为 “0” ，该端不用时应接高电平。 5脚： 此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压 ，当该端不用时，应将该端串入一只 容接地，以防引入干扰。 7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。 7474 16）四位二进制同步计数器。该计数器能同步并行预置数据，同步清零，具有清零、置数、计数和保持四种功能，且具有进位信号输出，可串接计数使用。 74脚图如下： 图 74管脚图介绍： 时钟 零 能 数 据输出端 3 以及进位输出 02 74、 4、 8、 16计数器，采用复位法或置位法可以用它实现任意模 (M)计数器 ，彩灯控制器中 的 设计是实现模 12计数器。 9 74位寄存器是指所存的代码能在移位脉冲的作用下依次位移的寄存器，它是一种可以用二进制形式保存数据的双稳器件。即能左移又能右移的寄存器称为双向移位寄存器。 74 图 74表 74功能 输入 输出 R 0 L A B C D B D 清除 X 0 X X X X X X X X 0 0 0 0 送数 1 1 1 X X A B C D A B C D 右 1 0 1 X X X X A C 10 744四 2输入或门 ,其管脚图如下： 图 74表达式为： Y=A+B,引脚排列图管脚功能：左下 123467起：右上 89101112314 其中 A， 744内含 6 组相同的反相器。即 1A 输入高电平， 1Y 输出低电平 ，元器件引脚图如下： 移 左移 1 1 0 X X X X C 持 1 0 0 X X X X X X 持 1 X X X X X X X X 11 图 74 744常用的 四组 2输入 与非门集成电路 ，其引脚图如下： 图 7474 74组 2 输入端与门 ， 其元器件引脚图如下 ： 12 图 744 系统调试 路实验仿真和测试 环境 本次设计采用 件作为硬件的仿真平台， 司出版的 软件中国总代理为 广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它 具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 55 构成 秒脉冲电路 示波器显示频率为 10%的方波信号， 频率计显示 1如下图 : 13 图 仿真示波器显示效果 图 秒脉冲电路仿真显示效果 4成模 12计数器 采用 74成模 12计数器，从而实现 4路仿真图如下： 14 图 计数器电路模块显示效果 位寄存器及彩灯显示电路 经仿真测试，发现四个彩灯都能按照正常的程序运行，符合设计要求，截取部分结果如下： 图 移位寄存器 74制显示效果 15 5 系统功能及参数指标 用四个发光二极管来替代四个彩灯，设 依次为 “ 1”表示灯亮，“ 0”表示灯灭，列出状态 结果 表 。 表 四路彩灯输出显示 说 明 输 出 所用时间 开机初态 0 0 0 0 第一节拍 逐次渐亮 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1s 1s 1s 1s 第二节拍 逆序渐灭 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1s 1s 1s 1s 16 第三节拍同时亮 后同时灭 行四次 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 由上表可知，模 12计数器作为分频器， 起节拍产生和控制作用，每 43个节拍共 12要实现模 12计数器的话用 74然在实际操作中可以用 7461，因为 744一个节拍结束后应产生一个信号到节拍程序执行器，完成彩灯渐亮、渐灭、同时亮、同时灭等功能。 至于控制发光二级管的状态可以用通用移位寄存器 74为它具有禁止、右移、左移和并行置数 四种功能，所以 74、三节拍的功能。它具有四个并行输入端 A、 B、 C、 D 和与之对应的四个并行输出B,D，右移输入端 移输入端 模式控制输入端 及一个无条件直接清除端 1（右移）， 0（左移）， 1（并行置数）。 脉冲源采用秒脉冲发生器，用以提供频率为 1 17 6 设计总结 通过 两周的课程设计，我的彩灯控制器终于完成了。在期间，我遇到过很多困难，它们反映了我的平时学习的基本情况。 对于数字电子技术，我对一些锁存器，计数器，寄存器及各种时序逻辑电路的运用掌握不牢，很多基本概念都弄 不清，于是，我在设计过程中，去图书馆查阅相关书籍，并且在互联网上查阅了大量的资料，对模糊的问题，我一定会弄明白，一点点的积累让我熟悉了很多 74系列的数字芯片的用法，学会了设计数，移位 ， 555定时器的应用电路， 学会了怎样连接反馈置数法和反馈清零法 ， 同时用了很多基本数字门电路，又巩固复习了我的数电基础知识，有助于我理解书上的逻辑公式。 当然 本次 设计仿真时也存在一些问题，比如一开始上电后，时钟脉冲 有时会 瞬间 很快 跳变到 2果灯总是上电后，很快点亮 1,2两个灯，之后，脉冲源稳定下来，保持 1灯运行正常。 后 来我又再次修改了电路，重新仿真后，实现功能一切正常。当然 对于本次设计用到的逻辑门电路数量也不少，可以进一步从实现功能的角度，优化电路结构，减少门器件的数量， 采用触发器，锁存器等器件， 并且可以实现的方案有很多 。 18 7 谢辞 经过两周的课程设计，在卢刚老师的指导下，我终于得以顺利成功的完成此次课程设计的任务。我要对卢刚老师表示深深的谢意，因为卢老师给我们讲解了各种注意事项和各个部分应该注意的问题。直至这个课题的完成，卢老师的帮助是必不可少的，他用知识和经验教会了我们如何来完成一次课程 设计，教我们如何做课程设计的报告。所以，我对 卢 老师表示深深的谢意，感谢 他 陪伴我们的这两周，让我们在这短短的两周中，学到了许许多多的知识。 同时 ，我要感谢我寝室的同学们，因为有大家的共同努力，相互帮助，一起探讨，才有今天的成就。虽然我与大家不是一个组，选择了自己想做的题目，但是大家还是很支持我，在这次课程设计中，我们在一起探讨过如何使用 何用 一开始 我面对各种困难疑惑，到后来 我 都解决了每一个问题，得到了满意的结果。我通过互联网，图书馆等途径查阅自己 需要的资料，学会了信息的检索与整理。 设计的顺利完成 让我感觉到 了 团队的力量，让我明白大家团结在一起的重要性。 最后，再次感谢那些在这次 课程设计中 给予我帮助的老师和同学们 。 19 8 参考文献 1 康华光主编 高等教育出版社， 2002 2 康华光主编 高等教育出版社， 2002 3 朱清慧 张凤蕊 翟天嵩 王志奎编著 程 制版与仿真， 2011 4 21 ） 5 阎石数字电子技术基础第四版北京：高等教育出版社， 1998 6 陈明义主编 中南大学出版社， 2010 7 张文涛主编 真软件应用 2010