可编程彩灯控制器原理及设计

1、一、课题设计任务及要求.3二、设计目的3三、优选设计方案4四、整体设计思想及原理框图5五、各模块设计与分析61、脉冲发生电路7 2、控制电路和译码电路103、存储电路12 4、数码管显示电路,14六、元器件清单15七、安装及调试中出现的问题和解决方法15八、设计感想17附录一、实验电路图20二、实验电路连接图.21三、参考文献21一、课题设计任务及要求课题名称：可编程彩灯控制器设计任务及要求：1、设计脉冲产生电路、图形控制电路和存储电路；2、用8x8led点阵作为显示电路，显示内容的动面感要强。3、能用按键切换不同的显示组合，至少有3个按键切换；4、每种组合至少有3种变化，每种组合内图形能连续

2、循环；5、要有数码管显示当前是第几种组合（或是第几个按键）；6、图形显示间隔（显示频率）至少有3种可选。控制器可有2种控制方式：（1）规则变化：变化节拍有0.5秒和0.25秒，交替出现，每种节拍可有 多种花样，各执行1或2个周期后轮换；彩灯变化方向有单向移动和双向移 动、跳跃移动等。（2）随机变化。变化花样相同，但节拍和花样的轮换随机岀现。7、完成电路全部设计后，通过实验箱验证设计课题的正确性。二、设计目的木课程设计主要是为了实现可编程彩灯控制的功能，且通过木次电子课程 设计，了解电子产品设计的一般过程，掌握电子线路设计的基础方法和一般过程, 能灵活运用已学过或者类似的集成块构成电路实现上述功

3、能，还能灵活掌握555 电路的应用方法。能用仿真软件对电子线路进行仿真设计，还能用portel等软 件绘制pcb图，掌握了电子电路调试的方法，且能独立解决设计与调试过程中岀 现的一般问题，并进一步掌握eeprom的编程方法和应用。三、优选设计方案方案a：根据设计要求，本系统由控制电路，编码发生电路和输出驱动电路等组成。其彩灯控制器的总体设计思想如下：1. 编码发生器编码发生器根据花形要求，按节拍送出64位状态编码信号，以控制彩灯按规律亮或灭。因为彩灯路数少，花形要求不多，可选用移位寄存器输岀64路数字信号，控制彩灯发光。编码发生器采用16片4位通用移位寄存器 74ls194来实现。74ls19

4、4具有异步清除和同步预置、左移、右移和保持等 多种功能，控制方便灵活。64路彩灯采用两片74ls194组成64位移位寄存 器，花形设计比较灵活。移位寄存器的64个输出信号通过驱动电路控制电 路来控制彩灯，编码器中数据输入端和控制端的接法由花形决定。根据选择 的花形，可列出移位寄存器（编码发生器）输出状态。2. 控制电路控制电路为编码器提供所需的节拍脉冲和驱动信号，控制整个系统工作。控 制屯路的功能有两个：一是按需要产生节拍脉冲；二是产生移位寄存器所需 要的各种驱动信号。控制电路设计通常按照下述步骤进行：逐一分析单一花 形运行，移位寄存器的工作方式和驱动要求，按照工作状态决定74ls194移 位

5、寄存器工作的状态顺序，同时是分析移位寄存器工作方式和驱动要求的依 据。方案b：采用555定时器输出脉冲，高频通过计数器控制电路和译码电路，不断刷新 显示矩阵的各列；而低频产生脉冲，决定显示哪一幅画面。由于需要产生64幅 以上的图形，可以设计一个64进制的计数器，即可显示64幅图，此低频接在 eeprom的高位，而高频计数器控制电路的输出接在eeprom的低三位。即高位决 定显示哪幅画，低位表示每幅图形的每列的显示。显然，方案b比较合理而且能实现课程设计的要求，采用方案b来进行课程 设计。四、整体设计思想及原理框图木系统可设计为四个模块:1脉冲发生电路采用两个555定时器组成振荡器，一个产生高频

6、和一个产生可调低频。高频通过计数器控制电路和译码电路，不断刷新显示矩阵的各列；而低频产生脉冲， 决定显示哪一幅画而。2.图形控制电路用74ls161芯片设计一个64进制的计数器，以显示64幅图，其屮低片计数 器构成16进制，高片计数器构成4进制，并且将低频通过计数控制电路接在 eeprom的高位，从而选择显示哪一幅画。而高频通过计数器控制电路接在eeprom 的低三位，不断刷新显示矩阵的各列，用以控制图形的显示。由于显示矩阵是由64个发光二极管组成，把译码器输出接在显示矩阵的阴级进行行控制，eeprom 接在显示矩阵的阳极进行列控制，只有同时导通时，二极管才亮。译码电路是低 电平有效，每次只有

7、一个输岀有效，所以需要快速进新刷新，故将高频通过计数 器控制电路接在译码电路的输入端。3.数码管显示电路当前8x8显示矩阵显示的是哪一幅画，可以通过2个数码管显示出来。其中 第一个数码管显示该画面所在的组别，另一个显示该幅画为这个组别的第几幅 画。由于上而设计为16x4的64进制计数器控制显示画而。故可以设计四种组合, 每一个组合为16副画。4 存储电路显示什么样的图形就决定于eeprom的编程，而最终显示在显示矩阵上。此外，暂停功能：控制低频计数器低位的ep和et端实现。手动选画功能： 当低频计数器的西端为高电平时，图形自动连续循环；当元端为低电平时，计 数器处于置数功能，可通过选画开关选择

8、需要显示的图画，其中高片计数通过置 数选择画面组别，底片计数器通过指数选择此组合内的某一幅画。清零功能：控 制低频计数器的清零端瓦，当巨二0时，计数器实现清零功能。原理框图如下:脉冲发生电 路（咼频）计数控制电路脉冲发生电 路（低频）计数控制电路,译码驱动电路低位k存储单元高位行控制”显示矩阵列控制五、各模块设计与分析根据设计要求，本系统由脉冲发生电路、控制电路、译码驱动电路、存储矩 阵和显示电路等几部分构成可编程彩灯控制电路。a.脉冲发生电路1、555定时器的组成和功能（1）.内部组成框图：它主要由两个高精度电压比较器al、a2, 一个rs触发器,一个放电三极管和三个5kq电阻的分压器而构成

9、。（如下图所示）.引脚图及其功能vccvo'thvcoi脚：外接电源负端vss或接地，一般情况下接地。3脚：输出端vo2脚：龙低触发端 6脚：th高触发端4脚：巨d是直接清零端。当rd端接低电平，则时基电路不工作，此时不论兀、 th处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：vco为控制电压端。若此端外接电压，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0.01p f电容接地，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。8脚：外接电源vcc,双极型时基电路vcc的范围是4. 5 16v, cmos型时基电 路vcc

10、的范围为3 18vo 一般用5v。.功能介绍：在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器al、a2基准电压分别为2/3v, 1/3v的情况下，555时基电路的功能表如下表所示。清零端瓦d高触发端th低触发端迁qn+l放电管t功能0xx0导通直接清零1>vcc0导通置011截止置11中cc4v-qn不变保持.555定时器构成的多谐振荡器工作原理接通电源后，假定v。是高电平，则t截止，电容c充电。充电冋路是vcr r?c地,按指数规律上升，当vc上升到2/3vcc时（tii、tl端电平大于2/3vq, 输出v。翻转为低电平。v。是低电平，t导通，c放电，放电回路为crlt地,w按指数规律下降，当

11、vc下降到l/3vy时（th、兀端电平小于1/3%）, v。输出 翻转为高电平，放电管t截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分 析可得:输出高电平吋间tph =°7（r1 +r2）c输出低电平时间rpl =0*7r2c振荡周期 t = tph +tpl =°7（r1 +2r2）cd=（ph= r+r?输出方波的占空比一r|+2r22、本模块工作原理介绍脉冲发生电路主要用来产生时间基准信号（脉冲信号）。因为可编程循环彩灯对 频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以 采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。本系统采

12、 用两片555定时器分别构成高频脉冲发生器和低频脉冲发生器。高频脉冲发生器 是用555构成多谐振荡器。由于人眼每秒可分辨出24幅图，而高频计数器采用 8进制，作为刷新频率的脉冲，此高频刷新电路输出脉冲的频率应大于 24*8二192hz,这样便可以显示整幅的画面。低频脉冲发生器用于提供计数电路的脉冲，它能决定画面显示的速率。速率的调节可通过调节滑动电阻（01m）来低频脉冲发生器r1=75okr1二0 imr0=r2二1kcl = 10ufc2=0.01uff二 0.180.33hz实现。高频脉冲发生rl=100kr2=100kcl=c2=0.01uff=476hzb.控制电路和译码电路1.74l

13、s138功能介绍74ls138是一种常见的3线8线译码器，它的八个输出引脚，任何吋刻要么全 为高电平1,则芯片处于不工作状态；要么只有一个为低电平0,其余7个输出 引脚全为高电平1；如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。其功能表如下:输入输出&焉+危企£企uxxxx11111111x1xxx1111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110当附加控制门的输出为高电平（s=l）时，可由逻辑

14、图写出人=aa4 =视x=aa4 =叫z=aa4 =叫人=aa4 =叫乙=a44 =m$k =aa4 =叫 筲=a44 =m?n蓝£爲£爲£ x由上式可以看出，输岀是这三个输入变量的全部最小项的译码输出，所以也 把这种译码器叫做最小项译码器。74ls138的管脚图如右:16 15 14 13 12 11 10 974ls1381 2 3 4 5 6 7 8州a禺鸟爲$ e gnd2. 74ls161功能介绍74ls161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可以灵活的运用 在各种数字电路，以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能。(1) 74ls161引脚

15、图管脚图vcc tc qo q! 02 q3 et pe崗 両pt両雨nn冋rn、74ls16112345678*rcp pop1p2 p3 ep gndcp：时钟p0>3：四个数据输入端r :清零端ep,rt：使能端pe：同步置数端q0q3：数据输出端tc：进位输出(tc=qo qi q2 q3 et)(2) 74ls161 功能表清零控制信号预置端预置数输入端时钟输出rep etpepo pi p2 pacpq qi q q0x xxx x x xx0 0 0 01x x0po p】p2 p3tpo pl p2 p310 x1x x x xxi1x 01x x x xx/保持11 1

16、1x x x xt计数当瓦二0时，q3、q2、qi、qo立即为全“0” ,这个时候为异步复位功能；当瓦二1 且西二0时，在cp信号上升沿作用后，74ls161输出端q3、q2、qi、q0的状态 分别与并行数据输入端p3, p2, pl, p0的状态一样，为同步置数功能。而只有当r=pe=ep=et=1> cp脉冲上升沿作用后，计数器加1。74ls161还有一个进位置数功能，可实现本系统中清零、选画的功能。3、本模块工作原理介绍(1)控制电路控制电路由3片74ls161计数器和3位二进制译码器74ls138组成，其中一 片74ls161连接高频脉冲发生器和译码器74ls138,对显示矩阵电

17、路进行行 扫描和控制；另两片74ls161构成高低两片计数器，共同控制选画，置位， 暂停等功能。(2)译码电路本模块电路图如右:c 存储电路由一片74ls161和一片74ls138构成高频计数器和译码控制电路，由两片74ls161构成低频计数器(dio)ot存储电路用芯片eeprom2864来存储不同画面的程序。eeprom2864的低三位地址线a0到a2接在高频计数器输出端，显示每列的图形；高三位地址线a3到a8接低频计数器的输出，决定显示的哪幅画。由eepr0m2864屮的代码來决定图形的形状。编程如下表:形 图列 第列2 第列3 笫列4 笫列5 笫列6 第列7 笫列8 笫1-100000

18、0447e4000002圆开放收缩两遍0000)0880000)03000082424800004003c424242423c0053c4281999981423c60000824248000073c424242423c83c4281999981423c900008242480000o h003c424242423c00h3c4281818181423c2003c424242423c003000082424800004000000880000005000082424800006u003c424242423c0072f292929e08星星闪烁20f020000000000019000002of

19、02083c082020ro200000083c0821000002of0200)0)02220f022of02083c082300000000000000002420f022of02083c08252020000000000026000002of02083c082720fo200000083c0828000002of020000002920fo22of02083c083000000000000000003120fo22of02083c0823)03330000929229fe000034贪食蛇0000f80008000000530000870808000000630078)9080000)0

20、3783)9)c830000809oe0000009300000809of0000004004000809of000()004104000109of0000004204010101of00000043050101010700000044070101010300000045070101010b000()00460f0101010900000047of0901010800000048of0909000800000049400181412ff10100050依次二画岀笑脸040()0()00()00000005104020000000000005204020200000000005304020204

21、0000000054040202040400000055040202040402000056040202040402020057040202040402020458040222040402020459040222440402020460040222444402020461040222444422020462040222444422020463完1692f6ififf69296641692f6ififf69296d存储电实验屮用以两个8段led数码管分别显示图形所在组次和组次屮的第几副，其屮 74ls48是一个二-十进制译码器，其输出端直接接到数码管即可，设计的电路如 下：gnd六、元器件清单元

22、器件名称件数555定时器274ls161374ls1381eepr0m286418*8显示点阵1100k电阻21k屯阻2750k电阻1滑动变阻（01m）110uf电容10. oluf电容3开关9七、安装及调试中出现的问题和解决方法遇到的问题:连了一部分线后，发现有的芯片放哪都不合适，怎么着都不能避免交叉。解决方法:整体结构布局是很重要的，这育接影响以后的连线，在开始连线之前一定要合理的规划好如何放置每个芯片。首先要保证电路功能和性能指标，在此基础上满足工艺性的要求。用portel画电路图时注意芯片的布局，尽量避免电线相交叉。然后按电路图所示，分高频低频两大块，安排好各芯片的位置。2.遇到的问题

23、:连线时发现好多地方不可避免出现了交叉的现象。解决方法:连线要求保持导线横平竖直，紧贴面包板，尽量使其不要交叉,使得工艺美观，故连线之前要熟悉面包板的特性，清楚的知道哪些孔之间是相互接通的，遇到导线要交叉时，便可将导线剪断，再巧借面包板上的孔在内部将导线连起来。一般來说，先接一些地线和电源线，因为所有芯片都要接地和电源的，然后按照电路图和整体结构布局用导线依次连接各管脚。如无避免交叉则应不同类别的导线用不同的颜色那样即使交叉了也容易分辨。3.遇到的问题:显示矩阵上有几个点总是不会亮。解决方法:利用老师给我们的显示矩阵管脚对每个二极管的控制关系，用 万用表测试，若二极管还是不亮，说明给二极管已坏

24、，是显示矩阵木身的问 题；若二极管亮了，说明是接线问题，就要再检查连线。检查连线时，用一根导线，一端接地，一段分别接触138和2864的各个与点阵相连的管脚,查看是哪一个管脚没有连接好。哪一行或者那一列不亮时为连接不好。4遇到的问题:线路正确连接完毕后，打开电源，但是显示矩阵的显示并不是理想设计的连续状态，而是断续的杂乱无章的。解决方法:有可能是74ls161计数芯片不起作用，所以在实验开始之前耍对各元件认真检查并进行检测，确保元件完好，可以避免出现坏的元件给以后的调试带来麻烦。而此次实验最大的败笔就在于此。由于事先没有认真检查芯片，而后得不到正确的结果都还以为是连线的问题，从而浪费很多的时间

25、,做了很多的无用功。对于74ls161,我们就将其输出接到四个高低电平指示 灯上，给各脉冲，看是否是16进制顺序计数。至于电阻，我们不但会观察 其色环，还会用万用表直接测其阻值。检查过后才发现原来实骑室里面有一 个批次的161可能都存在问题，它的计数不是规律的16进制，然后我们把这个问题反映给了老师。显示矩阵只会显示一幅图案,不是正常的循环显示所有图形。解决方法:正常工作状态下，显示矩阵应该是自动、连续循环eeprom内的图形，检查后发现显示矩阵只会显示一幅图形是因为74ls161的置数端被置 为有效，则此时本系统有是在执行选画功能，可以通过改变选画开关来选画。 说明：本系统中开关较多，有6个

26、选画开关、1个暂停开关、1个清零开关和 1个选画开关，我们应该弄懂各开关闭合、断开与其所对应的系统的工作状态之间的关系，才能在调试时得到想要的结果。6遇到的问题:对eeprom编程后，接到面包板上看结果，但是只能显示所编的一部分图形，并且每个图形显示一次z后总会出现一次全亮的状态，才会再显示下一个图形。解决方法:这是编程出了问题，eeprom内一个单元有16位，但是编写一个图形只要8位，我们在编程时输入8位后就进入下一个单元的输入，直到最后输入64幅图的程序。用电脑读出之前写入eeprom的程序，发现后面图形 的程序已经超出系统对eeprom的寻址范围，所以这些图形是无法显示的；在 每个单元没

27、编的后8位默认是高电平，故每次显示完一幅图就会显示一次全 亮的状态，正确的编程方法是在一个单元内写入两幅图形的程序，那么图形 就会连续显示了。八、课程设计感想为期两周的电子电工课程设计结束了，本次课程设计分为两个阶段。1 理论设计阶段：要求同学们根据课题自行设计电路，选择元件，确定调试和测 试方案。这是整个课程设计的基础，把电路设计好了，才谈得上实现功能；同吋 这也是最难的一个部分，以前我们接触的那些实验都是很短、很基础的，而且都 有了原理图，只要我们连接线路将其功能实现出来就可以了，但是这次在课程设计屮我们要把原来的许多知识组合起来才能完成的任务，这对我们來是说是一次考验。所以在这个星期里我

28、和同组的同学到图书馆借来很多参考书，还上网找了 一些资料，我们对相似的实验进行分析，一步步搞懂，把能借鉴的地方用到自己 的实验中来，终于设计出电路图。2.实际动手装配、调试、测试及验收阶段：来到实验室看到样品，觉得好复杂 啊，那么多线，还不能交叉，既要实现功能还要保证工艺美观，不容易啊，不过 我们会全力以赴做到最好。我们以最快的速度接好线，开始了课程设计中的乂一 个难题，就是调试。打开开关后显示矩阵并不正常，故按照模块，一块一块地检 查。从脉冲发生器开始，先对比电路图看是否接错，然后用示波器接到其输出端 看输出波形是否是方波，并且可以从示波器上读出周期与理论值相比较；检查计 数器就把其输出端接到八段数码显示管上，看其计数是否正确。在检查完各芯片 以后还是不正常，可利用万用表测电位来查找错误之处，而且电位的检查从电源 和地开始。另外，