七彩循环灯单片机控制课程设计

1、引言 七彩循环装饰灯可广泛用于宾馆、饭店、酒吧、商店橱窗、家庭装饰和广告制作等场所，它能按主人意愿或快或慢地循环发出红、绿、黄、蓝、紫、青、白七色光；也可停留在主人所喜爱的某一颜色上不变化，形成一个彩色气氛，给人以梦幻般的享受。它通过巧妙构思与创作，可以做到广告、彩灯等作品色彩鲜艳，富有创意，变化形式丰富，起着宣传和美化环境的作用，营造文明亮丽氛围。本设计即试图利用简单的数字集成器件完成七彩序循环灯控制器的设计。1设计整体思路1.1设计目的1.了解并掌握电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力。2.熟悉七彩循环装饰灯控制器工作原理、电路的组成。 3.熟悉集成电路555定时器、74ls161、

2、晶闸管、整流、滤波电路的的组成、工作原理、特点及用途。4.掌握多谐振荡器、触发器、计数器的工作原理、使用方法、特点、用途。 5.学习ewb或其他仿真软件。1.2 设计要求根据三基色原理，以红、绿、蓝三种基色组成一个可变色彩单元，将三种基色灯装入磨砂玻璃罩内，通过灯罩的混色原理对外循环显示七种颜色。混色原理：红色+绿色=黄色，蓝色+红色=紫色，绿色+蓝色=青色，红色+蓝色+绿色=白色。1.2.1.整流滤波电路正弦信号输入电压：220v，50hz。整流滤波电路输出电压：5v，分压输出（供集成电路用）：一组采用稳压管5v；另一组采用集成稳压器。 1.2.2.调色时钟脉冲发生和灯光变色控制电路:时钟脉

3、冲振荡频率：灯光每隔 0.1s10s自动变换一种颜色，脉冲占空比： 60%。灯光变色控制电路：采用同步加法计数器。输出的高电平应满足晶闸管控制电平的要求。 1.2.3.负载电路红、绿、蓝 发光二极管： 3.6v要求控制器能长年通电使用，性能可靠。要求画出完整的设计电路图，计算电路各元器件参数，写出设计总结报告。集成电路采用cmos系列或 ttl系列。1.3设计整体思路1.3.1方案选择 方案主要由五部分构成，图1为简易系统框图。1.3.2系统框图图1 系统框图1.3.3直流电压的组成 组成电路基本思路如图2电源变压器：将电网交流电压（220v或380v）变换成符合需要的交流电压，此交流电压经过

4、整流后可获得电子设备所需的直流电压。因为大多数电子电路使用的电压都不高，这个变压器是降压变压器新艺图库。整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的50hz交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。滤波电路：利用储能元件电容器c两端的电压（或通过电感器l的电流）不能突变的性质，把电容c（或电感l）与整流电路的负载rl并联（或串联），就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。在小功率整流电路中，经常使用的是电容滤波。稳压电路：当电网电压或负载电流发生变化时，滤波电路输出的直流电压的幅值也将随之变化，因此，稳压电路的作用是使整流滤波后的直流电压基

5、本上不随交流电网电压和负载的变化而变化。 图2直流电压1.3.4方案细节直流电源：由整流、滤波、稳压电路组成；触发脉冲发生器：由555定时器组成的多谐振荡器构成；灯光变色控制电路：由集成芯片74ls161组成的循环计数器构成；构成负载电路：由电阻、发光二极管构成。2基本原理及框图2.1单相桥式整流电路工作原理及其应用单相桥式整流电路电路图及波形产生如图3，由图可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压u2的正半周内，二极管d1、d3导通，d2、d4截止，在负载rl上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，d1、d3截止，d2、d4导通，流过负

6、载rl的电流方向与正半周一致。因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载都有方向不变的脉动直流电压和电流。图3 单相桥式电路2.2 555定时器工作原理及应用：555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图2所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 rs 触发器，一个放电管 t

7、 及功率输出级。它提供两个基准电压vcc /3 和 2vcc /3。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 rs 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 c1 的同相输入端的电压为 2vcc /3，c2 的反相输入端的电压为vcc /3。若触发输入端 tr 的电压小于vcc /3，则比较器 c2 的输出为 0，可使 rs 触发器置 1，使输出端 out=1。如果阈值输入端 th 的电压大于 2vcc/3，同时 tr 端的电压大于vcc /3，则 c1 的输出为 0，c2 的输出为 1，可将 rs 触发器置 0，使输出为 0 电平

8、。图4 555内部电路框图2.3集成四位二进制计数器74ls161工作原理及其应用74ls161是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具有异步清零、同步并行置数 、保持等功能。74ls161的引脚排列图如图5所示，cr是异步清零端，ld是预置数控制端，d0 ，d1，d2，d3是预置数据输人端，p和t是计数使能端，c是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。其功能表如表1，故74ls161具有以下功能：（1）异步清零功能：当cr0时，不管其他输人端的状态如何（包括时钟信号cp），4个触发器的输出全为零。（2）同步并行预置数功能：在cr1的条件下，当ld0且有时钟

9、脉冲cp的上升沿作用时，d3，d2，d1，d0输入端的数据将分别被q3q0所接收。由于置数操作必须有cp脉冲上升沿相配合，故称为同步置数。（3）保持功能：在cr=ld1的条件下，当tp0时，不管有无cp脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变（停止计数） 。（4）同步二进制计数功能：当crldpt1时，74ls161处于计数状态，电路从0000状态开始，连续输入16个计数脉冲后，电路 将从1111状态返回到0000状态，状态表见表2。（5）进位输出c：当计数控制端t1，且触发器全为1时，进位输出为1，否则为零。表1 74ls161功能表图5 74ls161逻辑电路与引脚图3具体电路设计及单元电路3

10、.1 直流电源电路的设计：输入为正弦220v，频率50hz的电压，经整流电路后输出为5v的直流电。为提高整流电路的性能，抑制变压器的直流偏磁，减少对电路的不利影响，采用桥式整流电路，电路图如图6所示。桥式整流电路中，变压器没有中间抽头，制造工艺简单，故应用广泛。变压器选择：输出直流电压u0=0.9u2,故u2=12/0.9=13.33v，故变压器副绕线组的电压有效值为13.33v，由此可选择变压器。整流二极管d1-d4参数选择:考虑到电网电压波动约10%，故udr=1.1*1.1414*u2=20.7v，ur=1.5*udr=31.05v,故选择1n4001(1a,50v)作为电路的整流管可满

11、足要求。 图6 5v直流电输出图经整流电路后：经multisim仿真可得一路输出电压为5v，为芯片74ls161、555定时器供电，经multisim仿真测得输出电压为5v，满足要求。3.2 调色时钟脉冲发生电路:由555定时器和阻容元件构成多谐振荡器产生时钟信号，作为后续的计数器电路的时钟信号，可以控制彩灯循环变化的速度，使彩灯发光时间各不相同，从而起到变速循环的效果。来控制灯光的变换。由555定时器组成的多谐振荡器及工作波如图8所示，其中r1、r2和电容c为外接元件。由图可知，振荡周期。为电容充电时间，为电容放电时间。充电时间 放电时间 矩形波的振荡周期因此改变、和电容c的值，便可改变矩形

12、波的周期和频率。设计要求灯光每隔0.1s10s 自动变换一种颜色，即要求多谐振荡器的周期为0.1s10s，本设计设定灯光每隔0.1s变换一种颜色，则0.7（r1+2r2）c=0.1，取电容c为10uf，则r1+2r2=10k欧。图7所示电路输出矩形波的占空比。 设计占空比为0.7的多谐震荡器。由上述公式计算可得r2=4.28欧（图中r2为计算中的r1） r1=5.74欧（图中r3为计算中的r1）图7 555定时器构成多谐振荡器3.3负载控制电路:根据三基色原理，以红、绿、蓝三种基色组成一个可变色彩单元。将三种基色灯通过混色作用（混色原理是：红色+绿色=黄色，蓝色+红色=紫色，绿色+蓝色=青色，

13、红色+蓝色+绿色=白色）对外循环显示七种颜色，即红、蓝、绿、紫、青、黄、白。故需要计数器实现的真值表如表2表2 计时器真值表 cp输出 12 3 4 5 6 7 8 q1 1 0 1 0 1 0 1 1 q2 01 100110 q3 0 0 01 1 1 1 0 q4 00000000用74ls161来实现此计数功能。设计方法：使用74ls161的置数端ld来设计。计数器实现的循环为0001到0111，用ld端设计的电路图如图8所示：计数器从0001开始计数，到0111时，通过与非门对ld端输入一个低电平，从而使计数器重新从0001开始计数。图8 计数器电路图3.4负载电路负载电路的连接如图

14、9所示：图9 负载电路的连接led1，led2,led3分别发出蓝，绿，红光，其额定电压为0.7v。因此负载端的工作情况为：由多谐振荡器送来的正脉冲在计数器内部进行二进制编码，并使q1 q4 输出端的状态发生循环组合变化。从真值表中可以看出，当cp 端输入一个时钟脉冲时，其q1 输出高电平，d7受触发导通，led1 通电发出蓝光；当第二个时钟脉冲到来时， q2 端输出高电平，d8 受触发导通，led2 通电发出绿光；当第三个时钟脉冲到来时， q1、q2 端同时输出高电平，d7、d8均触发导通，led1、led2同时通电点亮，根据混光原理，灯箱对外变青色；依次类推， q1、q2 、q3 端有8

15、种逻辑状态，可使“三基色”灯顺序产生7 种色光（红、绿、红+绿=黄、蓝、红+绿=紫、绿+蓝=青、红+绿+蓝=白）来。当第八个时钟脉冲到来时， q1、q2 、q3 端均输出低电平，led1、led2、led3 全部点亮片刻；同时q4 端输出高电平，其信号直接送入清零端r，使其内部电路复位；第九个时钟脉冲送入时，循环上述过程，由此即形成了七彩灯的循环。3.5总设计电路图将以上各单元电路图进行组合即可得总的设计电路图，用multisim仿真得仿真图如图10所示图10 七彩灯循环控制器电路仿真图4仿真分析41直流电源电路42脉冲触发电路 43总设计电路5元器件分析元器件列表如下图器件名称型号参数个数5

16、55定时器lm555cm1同步十进制计数器74ls16113输入与非门4023bp-51电阻15.74134.2814r6500欧3电容100uf1c10uf1c30.1uf1电感l1h1变压器t11发光二极管led1（蓝）1led2（绿）1led3（红）1整流器mda35101a.50v1导线436设计心得体会作为一名大三的学生，在做这次课程设计以前，我都是在教室学习理论知识。这次课程设计让我深深的感受到“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。让我懂的了实际问题是源于课本，但高于课本的。课本只能引你入门，深入的研究只能靠自己。现在讲讲我“艰难”的设计过程。在接到实验任务的时候，自认为这个题目简单

17、，用一个161芯片就可以解决问题，没多细想。可当深入研究的时候，问题就一一浮出水面。就说74ls161芯片必须要有直流工作电压，而家用电为交流电，所以，必须要把交流电变为低压直流电。这就必须用到降压、整流、滤波、稳压的电路。而161芯片的时钟脉冲触发又必须要有单独的触发电路，这就用到了555定时器构成的多谐振荡器。当我们逐步理清这些线时，自以为快成功时，仿真这一难题成了我的当路虎，我满心期待的一次又一次的仿真面对的却是一次又一次的失败，这个过程真可谓困难重重。所幸的是我最终成功了。当然在艰难的设计过程中我也收获颇多。首先，在遇到问题时，我们必须找到突破点，例如这次设计中，我认为74161就说一

18、个突破点。找到突破点我们必须通过它逐步的往外延伸，慢慢理清设计的框架。然后再对框架进行细节的处理。其次，在细节处理中，必须要认真、要有耐心，要对电路的多方面进行思考，还要善于发现电路的不足，比如在直流电路的设计中，整流、滤波、稳压电路缺一不可，而且对其中的参数也要细细研究。最后，在电路的仿真中对于元器件的选取和参数的设定也颇有讲究，一旦参数不合适它是不会出现结果的，比如在负载电路中和发光二极管串联的电阻阻值需要合适如果太大发光二极管是不会亮的。在仿真中还有就是对万用表、示波器的灵活运用，这会让仿真省不少力。总之，这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展，让我认识到怎么把理论知识