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1、彩灯循环设计一、课题构思1、用中小规模集成电路设计一台彩灯控制器。用计数器和译码器设制作一个双色三循环方式彩灯控制器。2、控制器有8路输出，每路用双色发光二极管指示。3、控制器有3重循环方式：方式A：单绿左移-单绿右移-单红左移-单红右移；方式B：单绿左移-全熄延时伴声音；方式C：单红右依-四灯红闪，四灯绿闪延时。4、由单刀掷开关控制3种方式，每种方式用单色发光二极管指示。5、.两灯点亮时间约在0.20.6S间可调，延时时间约在16S间可调。6、要求用10V电源设计。二、方案设计1、基本原理设计任务中所要求的3种循环方式并不复杂，用中小规模集成电路就能实现。本控制应由方式选择，振荡器，控制电路

2、，延时电路，蜂鸣器等组成，其框图如图1所示： 方式选择振荡器控制电路计数器译码器LED显示延时电路蜂鸣器 图1 双色三循环方式彩灯控制器框图2、计数器和译码器本控制器的核心器件为计数器和译码器，分别采用CMOS中规模集成电路CC4516和CC4514。CC4516为16脚双列直插的中规模集成可预置数的4位二制加/减计数器（单时钟），其引脚如图2所示。CC4516有5中功能：置数，清零，不计数，加计数，减计数，具体功能如表1所示。CC4514是4为锁存/4线16线译码器，其输出为高电平有效。CC4514具有数据锁存，译码和禁止输出3种功能。数据锁存功能由EL端施加电平实现，EL=0时，O0 O1

3、5保持EL置“0”前的电平；禁止端）E为高电平时，O0O15全为低电平；因此，CC4514作为译码器使用时，EL应接高电平，E应接低电平，CC4514的外引脚如图3所示。 图2 CC4514引脚图 CPCEUP/DNPLMR功能×××10置数，既把数P3P2P1P0送O3O2O1O0中××××1清零，即O3O2O1O0全为零×1×00不计数，即O3O2O1O0保持不变0100加数器0000减数器表1 CC4516功能表三、单元设计1、 LED显示电路LED显示电路如图3所示。O15 O14 O13 O12

4、 O11 O10 O9 O8 O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 图3 LED显示电路O0）O15为译码器的输出。4514共有16个输出，而双色发光二极管只有8个，因此每两个输出接同一个发光二极管，接法如图3所示。发光二极管为双色三极发光二极管，其限流电阻有3种连接方法（16个限流电阻，8个限流电阻，1个限流电阻），本控制器采用8个限流电阻的方法。发光二极管的极限电流一般为2030mA，发光二极管的压降约为2V，通过发光二极管的电流可取为1015mA，以保证发光二极管有足够的亮度，而且这样又不易损坏发光二极管。2、振荡器振荡器有多种振荡器电路，图4所示的振荡器比较简单常用，其中（a

5、）图为CMOS非门构成的振荡器，（b）图为555构成的振荡器。CMOS非门构成的振荡器的振荡周期T=1.4RC，555构成的振荡器的振荡周期T=0.7（R1+2R2）C。 图4振荡器3、触发器循环方式A的设计思路如下： PL=1 UP/ DN=1 UP/ DN=0 UP/ DN=1起始计数（置“1000” ） 加数器 O15时计数器 O0时计数器本循环彩灯控制器方式A的设计难点就是控制电路（循环功能能否实现在于控制电路是否起作用）。要实现循环功能，计数器既要加法计数，也要减法计数，即加法计数到O15时变为减法计数，减法计数到O0再变为加法计数，这可用触发器控制计数器的UP/DN端来实现。 图5

6、所示为由D触发器构成的二分频电路，O15和O0作为时钟信号，一个时钟触发器的状态翻转一次。图6（b）是利用D触发器的直接置“1”端和直接置“0”端来实现触发器的状态转换。图5（c）和（d）是由门电路组成的基本RS触发器，图5（c）RS 输入为高电平有效，因此O15和O0可直接作为S与R的输入。图5（d）输入为低电平有效，O15，O0反向后作为触发器输入。除以上几种电路外，也可以直接用RS触发器或JK触发器来实现。经实践，图5所示的几种电路都能达到控制的作用。 (a) (b) (c) (d)图5 触发器控制电路4、延时电路循环方式B的设计思路如下： PL=1 UP/ DN=1 E=1置1000

7、加计数器 O15时延时延时电路可采用单稳态电路，O15的下降沿作为单稳态电路的触发信号。根据功能要求。可采用微分型单稳态电路，555构成的单稳态电路及分立元器件构成的单稳态电路，而下降沿触发的与非构成的微分型单稳态电路和555构成的单稳态电路较为理想。图6为与非构成的微分型单稳态电路，其中Cd，Rd为微分电路，当ui为窄脉冲触发时，Cd和Rd可省略。O15的下降沿作为单稳态电路的触发信号，因此O15要经微分和限幅后再触发单稳态电路。延时时间有RC决定。555构成的单稳态电路如图7所示，C1R1和VD起微分限幅作用。因此本电路要求低电平触发，没有触发的时候555的第2脚要为低电平，所以要接R2，

8、对于R1和R2的阻值比要求比较严格，要保证没有触发的时候第2脚电压大于1/3VDD,触发的时候电压小于1/3VDD。延时时间由RP和C2决定。 图6微分型单稳态电路 图7 555构成的单稳态电路在循环方式C中，要实现单红右移，计数器应从“0000”开始递增，因此应先清零再加法计数。根据计数器和译码器本身无法使输出实现四灯红闪，四灯绿闪，因此，可通过延时电路给8个双色发光二极管加上振荡信号来解决。方式C的循环过程可表示为: MR=1 UP/ DN=1 E=1消零 加计数器 O7时延时在设计时要注意，要求是在同一个电路中通过方式选择来实现3种循环功能，而不是设计3个电路。3种循环方式要互相隔离，如

9、按方式A工作时则不能有方式B现象出现，因此可采用双向模拟开关CC4066进行隔离。四、系统完整电路及其原理说明1、控制器的电路图:如图8所示2、 工作原理选择方式A，指示LED8灯亮，VD19导通，开关刚接通瞬间C4短路，IC2的PL1，IC2计数器置数“1000”，电源接通瞬间，C2短路，触发器直接置零R1，即IC2的UP/DN=1,j计数器从“1000”开始计数，C2充电结束后，触发器R0，不起作用。当计数器到”1111”,O151，VD2导通，同时IC4A倒通，触发器翻转，UP/DN0，计数器递减计数。选择方式B，指示灯LED9亮，VD20导通，开光刚接通瞬间，C4短路，PL1，IC2计

10、数器置数“1000”，电源接通顺间，C2短路，触发器R1，触发器直接置零，UP/DN1，计数器从”1000”开始计数，IC4A断开，D触发器输出不变， UP/DN一直为一，计数器始终递增计数。当计数到“1111”时，O151，IC8B导通，当O15从高电平变为低电平时，触发单稳态电路，IC6输出变为高电平，E=1,灯全部熄灭，IC8C导通，CT1导通，蜂鸣器响。延迟时IC4C导通，PL1，计数器始终在置数“1000”，延迟结束时，E0，计数又从“1000”开始计数。选择方式C，指示灯LED10亮，开关刚接通瞬间，C3短路，MR1，IC2计数器清零，电源接通瞬间，C2短路，触发器R1，触发器直接

11、置零，UP/DN1，计数器从“0000”开始计数，当计数器到“0111”时，O71，因IC8A导通，当O7从高电平变到低电平时，触发单稳态电路，IC6输出为高电平，E1，IC3的O0O15输出全为低电平，IC4B导通，延迟时计数器清零，IC7与非门输出脉冲信号，VT2发射级输出脉冲信号送到双色发光二级管，使8盏灯四灯红闪四灯绿闪。延迟结束，计数器又从“0000”开始计数五 、仿真分析及结果 对于本控制器的三种循环方式，只选择A进行仿真。1、控制器(方式A)的仿真原理图从元器件库中调出各种电阻、电容、集成块. 发光二级管等元器件,元器件调出后，对元器件的位置进行调整，使布局比较合理。循环彩灯控制

12、器仿真原理图如图9所示。将电位器的操作键由空格键改为a键，按a键或A键可改变电位器的阻值。X2为电平指示灯，高电平示指示灯亮，低电平示指示灯不亮。灯泡X1采用虚拟灯泡，双击灯泡使其工作电压设置为220V。继电器K1采用常开触点的继电器，注意继电器的脚号连接要正确。双击交流电源U2，将交流电的工作电压设置为220V，工作频率设置为50HZ。XSC1为示波器图标。在画原理图时要注意，由于CMOS集成电路的输入端不允许悬空，因此应工具逻辑要求将不用的输入端接高电平或低电平，如4013的CP1，D1不用，应接地，4516的MR，CE接地，4514的数据锁存端EL接电源，禁止端E接地。2、仿真结果检查电

13、路图无误后，可接通电源以模拟循环过程。由于电源接通瞬间，电容C2，C3相当与短路，使D触发器直接置零端由效，CC4516的置数端PL有效，CC4516置数“1000”,使发光二级管从LED8开始电亮并往上移。但EWB不能模拟电源接通瞬间电容相当于短路这一过程，因此，电源接通后，发光二级管不一定从LED8开始点亮，计数器可能递增计数也有可能递减计数，但这种现象只会影响第一个周期，对循环过程没有没有影响。只要绿LED15亮，就会使D触发器置1，从而使计数器递降计数，发光二极管灯亮顺序为，15LED14LED8LED1LED0的规律变化，此时指示灯X2不亮。只要红色灯LED0亮，就会示D触发器置零，

14、从而计数器递增计数，发光二级管灯亮按LED0LED1. LED7LED8LED14LED15规律变化，此时指示灯X2点亮。当LED15亮示，三极管VT导通，继电器K1吸合，灯X1亮。说明8只双色发光二级管可以用16只彩灯代替。按a键或A键，可以改变电位器的百分值，观察灯移动的速度。百分比值增大时，灯移动的速度应加快。取不同的百分值，用示波器测量振荡器的周期，将结果填入表3中。示波器的扫描时间的设置以示波器的屏幕上显示2到3 个周期波形为宜。表2振荡周期PR01030507090100周期T计算值测量值通过电流表显示通过发光二级管的电流，改变限流电阻的阻值，观察发光二级管时毫安表数值的变化。将I

15、C1的第4脚复位端接地，用示波器观察555的第三脚输出，此时振荡器没有振荡信号产生，LED0到LED15中某个灯亮。将IC1的第四脚复位端接VDD，将4514的第一脚接地，观察发光二级管灯亮的现象，此时LED0到LED15中某个灯亮。若将4514的第23脚禁止端E非接VDD，此时LED0到LED15全部不亮。六、调式过程搭完毕后检查是否有多线，少线错线，元器件的位置。极性是否正确，检查正确后再通电调试。三脚双色发光二级管中间的最长脚为公负极，第二长脚为红色正极，最短的脚为绿色正极。通电调试主要从以下几个方面进行：1). 检查振荡器是否振荡。如果双色发光二级管灯亮并且左右移动，说明振荡器工作；如果双色发光二级管只有固定的一盏灯亮，则应检查振荡器是否振荡。用示波器检查振荡器的输出，或用指针式万用表直流电压挡测量振荡器输出。如果示波器能检查出振荡波形，或万用表指针左右摇摆，则说明振荡器已经工作。2). 观察计数器能否计数，若不能计数，检查C4是否接错或已经损坏，若置数得的时间太久（LED7绿灯两地太久），则应减少C4的容量或R19的阻值。接循环方式C，检查计数器能否置零，若不能，检查C3，R5等元器件。3). 接循环方式A，检查D触发器在一循环周期内能否翻转两次，若不能翻转，则应现检测D触发器是否已经损坏，再检查VD1、VD2、