多彩循环彩灯控制器设计.

1、武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书1设计意义及要求1.1设计意义（1）通过此次课程设计，加深同学们对理论知识的理解，培养同学们的动手动脑能力以 及解决实际问题的能力。（2）培养同学们之间相互学习、相互交流合作共同解决问题的能力。（3）培养同学们对电子设计的兴趣，查阅相关资料解决疑难的能力。（4）同学们自学protues仿真软件画电路图并进行仿真操作，培养学生的自学能力。（5）增强同学们的创新能力，鼓励同学们设计出属于自己的方案。1.2设计要求现有8只彩灯，试设计一控制器，要求彩灯能实现如下追逐图案：（1）使8只彩灯从右到左逐一循环点亮。（2） 使8只彩灯按照1110 1110左移循环点亮。

2、（3）使8只彩灯交替闪烁。（4） 接着重复以上的动作，这样一直循环下去。时间间隔为0.5秒。（5）严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。2方案设计2.1设计思路2.1.1设计方案一设计要求彩灯完成三个可以循环的功能，于是就把设计分为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。由555多谐振荡器产生脉冲，再用74LS161进行分频，为电路提供脉冲信号。 彩灯花样控制电路由74LS198和门电路构成。循环选择控制电路由74LS161和门电路组成图2.1多彩循环彩灯控制器设计方案一系统框图具体设计步骤：先将每个设计的功能要

3、求的单独电路画出来，通过74LS198双向移位寄存器来实现对彩灯的直接控制。在完成单个功能要求之后，通过计数器74LS161配合相应的门从而选择哪一个门电路结构工作，把预先存在相应门电路结构输入端的数据送到移位寄 存器74LS198的数据输入端，并对其进行置数。给移位寄存器加上相应的反馈，配合脉冲 工作，当移位寄存器输出一种彩灯花样结束后，就重新置一次数，切换一种工作状态，从 而实现在三种彩灯花样之间的循环。2.1.2设计方案二（小组方案）此方案运用AT89S52单片机，通过10 口直接驱动LED灯。通过编写相应的程序从而 实现在三种工作状态之间的切换。设计框图如图2.2所示：图2.2多彩循环

4、彩灯控制器设计方案二系统框图2.2方案设计2.2.1设计方案一电路图多彩循环彩灯控制器设计方案一电路原理图如图2.3所示：工作原理：一、接通电源，555多谐振荡器产生周期为0.5秒的脉冲信号，将脉冲信号分别送给计数器74LS161（ 1）和移位寄存器74LS198。计数器74LS161（ 1）按照反馈置数法连接成8进制计数器从而实现对脉冲信号周期的扩展，即将原脉冲进行8分频，得到周期为4秒的脉冲信号。用周期为4秒的脉冲信号触发下一个计数器74LS161（2），把74LS161（2）连接成3进制计数器，Q1Q0就有三种循环状态00,01，10，00二、将8个二输入与门7408作为一组，每个与门的

5、选出一个输入端口连接在一起， 接控制信号，一共放置3组，组成3个与门结构。每组的二输入与门的另一个输 入端分别接上移位寄存器 74LS198所需要的预置数，3组分别为00000001,11101110, 10101010。三组中相应的每三个输出通过三输入或门4075接到移位寄存器74LS198的数据输入端。0、74LS161（2）的数据输出端Q1Q0有三种循环状态00, 01, 10。Q1Q0输出通过一个二输入或非门7402接到第一组与门结构的控制信号输入端；Q0通过反相器4069取反与Q1接到第二组门结构的控制信号输入端；Q1通过反相器4069取反与Q0接到第三组门结构的控制信号输入端。这样

6、当计数器 74LS161（ 2）的输 出Q1Q0在00, 01,10间循环变化时。三组门结构分别循环被选通，预先存在输入 端的预置数被送到移位寄存器的数据输入端。每组门结构工作的周期为4秒，恰好为彩灯一种工作状态的时间。四、给移位寄存器74LS198加上四个反馈，当输出分别为 00000000,1000000Q01110111,01010101时使移位寄存器预置数。开始工作时，对移位寄存器进行清零。 当地一个0.5秒的脉冲到来时，第一组门结构被选通数据 00000001到达移位寄存 器数据输入端，并保持八个周期4秒，与此同时，移位寄存器预置数使输出为00000001。而后进入左移工作状态，依次

7、显示 00000010,0000010 0,00001000,00010000,00100000,01000000,100000Q0此即为第一种彩灯工作状态。当显示为10000000时，下一个脉冲到来时，移位寄存器重新进行预置数，而此时存在移位寄存器数据端的数据为1110111Q并保持八个周期4秒。置数后寄存器再次进入左移工作状态，依次显示 11011101, 10111011,01110111当2秒 后输出变为01110111时，再次置数1110111Q再工作2秒又变为01110111,重 新置数，此时输入端数据正好改变为第二组门电路传输过来的数据 10101010。这 时，第二种彩灯工作状

8、态，开始彩灯的第三种工作状态。寄存器再次执行左移，输出变为01010101,重新置数10101010,再左移01010101,又置数为10101010, 再左移为01010101，再置数为10101010,再左移为01010101。然后寄存器又该 进行置数，此时第三组门结构关闭，第一组被选通，置数为 00000001。就这样实 现了三种彩灯工作状态之间的循环，每种工作状态时间为 4秒，每个彩灯一次亮 或灭的时间为0.5秒。S39K.5 .LeLJ°苦V3 5图2.3多彩循环彩灯控制器设计方案一电路原理图2.2.2设计方案二电路图多彩循环彩灯控制器设计方案二电路原理图如图2.4所示：工

9、作原理：先用keil软件将C代码生成HEX文，件，将HEX文件下载到单片机AT89S52里面运行，就会出现彩灯的三种工作花样变化。单片机电路中晶振用来产生脉冲，开关 用来复位，单片机工作时应先进行复位操作。XTAliXTAL2RST10uF拧旳31士士±士pSenALEEAPCI艸曲 n iwn P02/AD2 PD3/AD3PDADS PDWAEMPO 7WD7P2.2JA10P2.3A11 F=2 4JA13P2&/A13P2.&A14API 0P1 1P1.2P1 3PI 4P1百P1fiP1 TPlfljRXD 昭.1JTXD P3.師而 pg.awfTR3

10、4/T0P3 5JT1P3 ZfRDATB9C51图2.4多彩循环彩灯控制器设计方案二电路原理图2.2方案比较方案一电路连接比较复杂，连线很多，需要的元器件很多，连接实物时由于导线和元 件较多，某一个出现错误就可能导致得不到正确的结果，所以实物较难实现，连接时一定 要细心、认真，要有一定的排除故障的能力。不过这种方案模块比较清晰，仿真调试比较 容易找出问题所在，易于理解。这种方案也能锻炼自己的画图能力，以及对芯片的功能的 理解能力。方案二由于单片机具有以下优点（1）、具有优异的性价比（2）、集成度高、体积小、可靠性高（3）、控制功能强（4）、低电压、低功耗使得电路简单，器件少，连线简单，但是使

11、用单片机，程序调试复杂，且不利于锻炼 硬件调试能力。由于方案一实物器件不足，实现连线等起来有一定难度，且本实验主要要求仿真出正 确结果，并熟练使用protues进行画图和仿真，因此我们小组方案选择实验二实现实物连接, 同时也锻炼同学们读程序、写程序的能力。3部分电路设计3.1多谐振荡器的设计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，电源电压范围宽，可在4.5V16V工作，其中7555可在318V工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出 可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。其成本低，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

12、冲产生与变换电路。其 内部原理图如下3.1所示：图3.1555多谐振荡器内部原理图它含有两个电压比较器，一个基本 RS触发器，一个放电开关T,比较器的参考电压由 三只5KQ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器 A1同相比较端和低电平比较器 A2 的反相输入端的参考电平为-：工和*- - 0A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电 管开关状态。当输入信号输入并超越- ：r时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电 平，同时放电，开关管导通；当输入信号自 2脚输入并低于1一上时，触器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止表3.1 555定时器功能表输入输出阈值输入（V11）触发值

13、（V12）复位（RD输出（vo放电管TXX00导通v(2/3)VCC<(1/3)VCC11截止>(2/3)VCC>(1/3)VCC10导通<(2/3)VCC>(1/3)VCC1不变不变由555定时器通过连接合适的电路变成一个多谐振荡器 （脉冲发生器），如下图所示电路：1 1R5k2 1R5kRo OQDCCVTRQ N 0TH5NE5550147u图3.2多谐振荡器电路接通电源后，电容C1被充电，当 V上升到2/3VCC时，触发器被复位，此时Vo为低 电压，同时放电BJT T导通，电容C1通过R2和T放电，使 V下降。当 V 下降到(1 Vcc时，触发器又被置位，

14、Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为：tPL=R2Ciln2 可近似看成 tPL=0.7R2Ci当C1放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C充电，V 由(1/3) Vcc 上升到(2/3)Vcc所需的时间为：tPH=(Ri+R2)Ciln2可近似看成 tPH=0.7(Ri+R2)Ci而当V上升到(2/3)Vcc时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为f=1/( tPL +tPH)可近似看成 f=1.43/(Ri+2R2)Ci在设计中，我们要得到周期为0.5秒的脉冲信号，令R1=R2=5.1k, C1=47uF。从而得 周期为T=0.503秒，约等于要求

15、的0.5秒的周期。3.2分频器的设计74LS161的清零端是异步的。当清零端 CR为低电平时，不管时钟端 CP状态如何， 即可完成清零功能。74LS161的预置数是同步的。当置入控制器LOAD为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端 QA QD与数据输入端A D相一致。当ENP、ENT均为高 电平时，在CP上升沿作用下QA QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖 峰。利用反馈清零法或者反馈置数法可以实现分频作用。其功能表及引脚图如下：表3.2 74LS161功能表输入输出CRCPLDEPETD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00000010dcbadcba1T10Q3Q2QiQ01T10Q

16、3Q2QiQ01111状态码加1)图3.3 74LS161引脚图U24:A3.3 门电路循环选择电路的设计将8个二输入与门7408作为一组，每个与门的选出一个输入端口连接在一起，接控 制信号，一共放置3组，组成3个与门结构。每组的二输入与门的另一个输入端分别接上 移位寄存器74LS198所需要的预置数，3组分别为00000001,11101110 10101010。三组中 相应的每三个输出通过三输入或门4075接到移位寄存器74LS198的数据输入端。将另一个74LS161设计成3进制计数器，输出的三种状态分别使一组门电路被选通，将三种状态 循环置入移位寄存器中，电路原理图如下所示：图3.5门

17、电路选择结构电路3.4 移位寄存器的设计74LS198为8位双向移位寄存器，其功能引脚图如下:图3.6 74LS198引脚图当清除端（CR）为低电平时，输出（Q0Q7）均为低电平。当工作方式控制端（MO、M1） 均为高电平时，在时钟（CP）上升沿作用下，并行数据（DOD7）被送入相应的输出端 Q0 Q7。此时串行数据（DSR、DSL）被禁止。当M0为高电平、M1为低平时，在CP上升沿作 用下进行右移操作，数据由DSR送入。当M0为低电平、M1为高电平时，在CP上升沿 作用下进行操作，数据由 DSR送入。当M0和M1均为低电平时，CP被禁止。只有当 CP为高电平时M0和M1才可改变。利用反馈法可

18、以实现循环左移置数或循环右移置数， 也可以用反馈法使输出为某一数值时重新置数。INPUTSMRCPSo*SiJLXXXHHHH-TLHH-THLHXLLRESPONSE表3.3 74LS198功能表Asynchronous Rnset; Outputs 二 LOW Parallel Load; Pn OnShift Right; Dsr Qo4 Qo<Shift Left; Dsl 6, Qz Q靳 et Hold此设计步骤中用四个8输入或非门和一个4输入或门接到S0进行反馈，当输出为000 00000,10000000,01110111,0101010其中任一种状态时移位寄存器重新置数

19、， 所置的数据为 当前存在数据输入端的数据。当移位寄存器的数据输出端不为这四种状态时，移位寄存器 执行左移功能。因为输出Q0反馈到Sl，所以执行的为循环左移功能。有移位寄存器构成的输出电路如下图 3.4.3所示：U23A12 14 a Q d Q卜rt-T-lTJ.1M图3.7 由74LS198构成的输出电路3.5 LED显示电路的设计LED显示电路是该次设计的直接输出，该灯的特点是当正极电压高于负极电压时就会 发光，试验中所用为红色LED灯。当移位寄存器输出为高电平时，相应接口处的 LED灯 就发亮。LED灯显示电路如下图3.8所示:R3R4R5R6R7R8R9200200200200200

20、200200200R10®D1D2 D3 D4 D5 D6 D7 冷 D8LED-REkqn/ LEDLED ftnfz LEDLED-Kgr/ LED Kqp/ LED-RDrz LED0AAi图3.8 LED显示电路通过仿真和实物连接可以看到8只彩灯按照三种工作状态循环工作，呈现出实验所要求的多彩循环彩灯的效果4调试与检测4.1调试中的故障及解决办法在仿真过程中每种状态工作的时间不一样长，经过检查发现分频器接成了9分频电路，从而打乱了移位寄存器的置数功能。将分频电路改为8进制后，彩灯按照要求正常循环发光，每种状态工作4秒，每个灯亮或灭的时间为0.5秒。4.2调试与运行结果打开pr

21、otues仿真电路图，开始仿真部分结果截图如下：分结果截图如下:图4.1 8只彩灯从右到左逐一循环点亮截图14武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书#武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书图4.2 8只彩灯按照11101110左移循环点亮截图 D8 D7 . D6 D5 D4 D3 . D2 . D1 lezd-AMF led-rHFleHB图4.3 8只彩灯交替闪烁截图5仿真操作步骤及使用说明一各部件说明：DO-D7为八个LED丁显示。二操作说明：点击仿真运行按键后，8个灯将会按照下面的顺序进行亮灭：（其中1为亮） 花样一（8只彩灯从右到左逐一循环点亮）：00000001 000000100

22、00001000100000010000000花样二（8只彩灯按照11101110左移循环点亮）11101110110111011011101101110111重复一遍花样三（8只彩灯交替闪烁）:1010101001010101循环4次然后循环到第一个花样，接着重复以上的动作，这样一直循环下去，每个灯时间间 隔为0.5秒，每一个花样持续时间为4秒。由仿真结果可知，仿真正确，电路连接正确，可以进行下一步实物的连接与调试6结束语体会与总结两个星期的电工电子综合坑设计我感触颇深。两个星期看似时间很长，其实做起来时 间还是挺紧的。我们不但要对以前的模电知识和数电知识加以回忆和复习，还要查阅相关 的书籍

23、资料，还要学习以前并不熟悉的软件protues。正因为任务艰巨，所以我们才能从中学习到更多的知识，了解到电子技术的魅力，增加对电子技术的兴趣。自我感觉数电理论知识学习的还不错，但是刚选好题目的时候，一时间不知道从何下 手。但是静下心来仔细分析一下设计要求，渐渐地也就有思路了。但是只想不做终究只是 空的。然后就看老师的课件学习 protues的使用，要想熟练掌握protues的应用一俩天显 然是不够的。但是掌握了它的一些基本操作，设计仿真此次设计的电路已经足够了。画电 路的时候我先把每个工作模块分别画出来，然后再将它们连接起来构成总的电路原理图。 调试的过程并不是一帆风顺的，但是皇天不负有心人，

24、在自己的一遍遍努力中，终于仿真 出了正确的实验结果。努力之后的快乐，只有努力过的人才能感受到。我也领悟到，遇到 问题不能先认为自己不行，而是应积极面对，查阅资料、询问他人，这样才能更好的锻炼 自己，更好的掌握知识。此次课程设计既锻炼了自己独立思考解决问题的能力，也给了同学们之间相互学习， 共同进步的机会。设计要求每个人设计出一种方案，四个人一个小组再设计出一个小组方 案。每个人设计出电路之后，大家之间相互交流，比较自身的电路有哪些优点和缺点，女口 何改进，争取把自己的方案简化的结构清晰、功能明确。课程设计设计出电路原理图是其中很重要的一部分，写好课程设计报告也是不可或缺 的。因为你设计的东西别

25、人想弄清出是怎么工作的，会从设计报告上去看。所以写实验报 告时一定要格式规范，思路清晰，易于理解。只有能被别人广泛接受的新事物、新发明， 才能得到人们的推广。课程设计也为我们以后搞科技发明打下一定的基础，锻炼我们解决 问题的思维及方法。要想学好电工电子技术，不仅要学好理论知识，还要经常实践，并进行一些创新设计。 这样才能根深的理解电工电子技术中的相关知识，并熟练的应用所学过的元器件。纸上得 来终觉浅，绝知此事要躬行。学到的知识就是用来实际应用的，所以以后要乐于做实验、 搞设计，这也可以激发自己去学习新的知识，达到新的高度。未来的工作比的是创新，我们现在应该抓住机会锻炼自己，这样才不至于落伍。参

26、考文献1 康华光电子技术基础-数字部分（第五版），高等教育出版，2006.12 祁存荣，陈伟.电子技术基础实验（数字部分）武汉理工大学教材中心3 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，4 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社， 包亚萍主编.数字逻辑设计与数字电路实验技术.中国水利出版社， 陈永甫主编.数字电路基础及快速识图.人民邮电出版社，2006.57 周惠朝.常用电子元件及典型应用.电子工业出版社，2005刘修文主编.实用电子电路设计制作300例.中国电力出版社，200517武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书18武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书附录一方案一电路图附录二方案二原理图C1C31&JFX1CrystalU1R9utIi=d 12-士士士XTAJL1KTAJLiRSTPQg/ADO PD VADl PDSTAC