简易彩灯控制器电路

1、第一章系统的方案的设计1.1课程设计的要求 1.要求电路能够控制8个以上的彩灯。 2.要求彩灯组成四种以上的花形，每种花形连续循环两次，各种花形轮流显示。1.2 课程设计的目的1.阅读相关科技文献，本次课程设计需要对电子线路的设计与分析有一定的了解，所以对学生查阅一些科技文献能力提出了要求。2.学习使用protel软件，本设计中需要画电路逻辑原理图，接线图，器件的引脚与功能图与功能表，真值表等的绘制，需要使用绘图软件。3.要求会总节设计报告，终结报告时我们的一项基本能力，对所用原件及原理图进行解释，便于查找错误，也便于他人的阅读和了解。培养了我们的综合分析，解决问题的能力。4.学会了解一些器件

2、的参数及功能，对各种芯片的功能有所里了解并能够简单的应用。5.培养电子设计的兴趣，有助于我们进一步了解数电课程。 1.3设计思路设计电路系统可以由四部分组成，分别是：1.脉冲发生器，由555定时器，电阻及电容构成；2.分频电路，由四位二进制计数器74LVC161组成，为D触发器提供时钟信号；3.状态机电路，由双D触发器组成；4）移位显示器，由双向移位寄存器74HC194和发光二极管组成，实现花型显示。1.4 设计框图 图1-4 把四花型彩光灯设计分为几个独立的功能模块进行设计，每个模块完成特定的功能，再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。系统可由四个模块组成。它们分别为：时钟振

3、荡电路，555定时器构成多谐振荡器；分频电路，由四位二进制计数器 74LS161组成， 为D 触发器提供时钟；状态机电路，由双 D 触发器组成；移位显示电路，由双向移位寄存器 74194 和发光二极管组成，实现花型显示。电路系统由四部分组成：1）时钟振荡电路 由555定时器，电阻及电容构成时钟振荡电路，为系统提供时钟；2）分频电路 由四位二进制计数器74LVC161组成，为D触发器提供时钟信号，为状态机提供时钟；3）状态机电路 由双D触发器74LS74组成；4）移位显示器 由双向移位寄存器74HC194组成。1.5 工作原理分析由555定时器构成的时钟振荡电路产生固定频率的脉冲，一方面作用于由

4、74161组成的分频电路，一方面作用于由74F194构成的移位输出电路，为他们提供时钟信号。由于74161是16分频计数器，故每十六个脉冲74LS161进位一次,致使触发器U1A翻转一次，而触发器U2A的3脚连接的是触发器U1A的5脚，实现了U1A的16分频和U2A的32分频。所以平均U1A翻转两次而U2A翻转一次。集成移位寄存器74194由个RS触发器及他们的输入控制电路组成，其中1和0是两个控制输入端。双触发器的输出端改变0,1的值，实现左右移动控制。可组成U1A左移，U2A右移；U1A右移，U2A右移；U1A左移，U2A左移；U1A右移，U2A左移四种花型。每十六个脉冲每种花型恰好循环两

5、次，而此时触发器翻转，转换为下一种花型。1.6 设计方案用移位寄存器来控制彩灯的左右移动，用触发器和计数器组成的周期性触发电路，而此电路中的CP脉冲用NE555定时器通过外接电路实现。此种电路的优点就是CP脉冲的频率稳定，彩灯花样变换的效果好，而且实现了自动控制，于预期控制。第二章:各部分工作原理分析2.1 时钟电路工作原理图（1）内部原理图图2-1（2） 555定时器555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T和缓冲器G组成，其内部结构如图2-3所示，功能表如表所示。 555定时器功能表 表2-1-2输入输出阈值输入Vi1触发输入Vi2复位Rd输出Vo放

6、电管T*00导通<2Vcc/3<Vcc/311截止>2Vcc/3>Vcc/310导通<2Vcc/3>Vcc/31不变不变（3）555定时器构成时钟电路 图2-1-3 时钟电路当Vc上升到2VCC/3时，使Vo为低电平，同时放电二极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降。当Vc下降到VCC/3时，Vo翻转为高电平。当放点结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，Vc上升。当Vc上升到2VCC/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。2.2 分频电路工作原理（1）分频电路引脚图 图2-2-1（2）

7、74161是4位二进制同步加计数器。其中1脚是异步清零端，9脚是预置数控制端，P1、P2、P3、P4是预置数据输入端，CO是进位输出端，7脚和10脚是计数控制端。由其功能表可知：1.异步清零当1脚为低电平时，不管其他输入端的状态如何，计数器将被直接置零；2.同步并行预置数在1脚接高电平的条件下，当9脚接低电平且有时钟脉冲CLK上升沿的作用下，P1、P2、P3、P4输入端的数据将分别被Q1、Q2、Q3、Q4所接收。3.保持在1和9脚同时接高电平时，当两个计数使能端中有一个接低电平时，不管有无脉冲CLK的作用，计数器都将保持原来的状态不变。4.计数当9脚，1脚，7脚，10脚均接高电平时，74161

8、处于计数状态。当时钟电路给计数器十六个脉冲时，计数器进位端进1，促使D触发器翻转或者截止。2.3状态机电路（1）状态机电路图 图2-3-1（2）由两个双D触发器组成。U3的5脚与U4的3脚连接，从而实现了U3的16分频和U4的32分频。状态机电路由两个触发器组成。触发器U1A的脚与触发器的U2A的3脚连接，从而实现U1A的16分频和U2A的32分频。触发器为上升沿出发，当脉冲由低电平变为高电平时，触发器发生翻转。本电路中，假设开始时U1A的脚为高电平，则U2A的3脚也为高电平，分频电路16拍进位一次，促使触发器U1A发生翻转使脚变为低电平则U2A的3脚也变为低电平。当分频电路经过第二个16拍时

9、，再次进位，U1A的脚为高电平而此时U2A的2脚也再次变为高电，此过程中U2A经历了一个上升沿触发，翻转一次，从而实现四种花型的轮流变换。2.4移位输出电路(1)移位输出电路 图2.4.1 移位输出电路 （2）74LVC194由4个RS触发器及它们的输入控制电路组成。其中S0和S1是两个控制输入端，A、B、C、D是并行输入端。它们的状态组合可以完成四种控制功能，其中左移和右移两项是串行输入，数据是分别从左移输入端7引脚和右移输入端2引脚送入寄存器的。1引脚是异步清零输入端。本电路中要求移位过程中数据不能丢失，仍然保持在计数器中，所以在电路中采用将移位寄存器的最高位输出端15引脚和最低位输入端2

10、引脚连接以及让移位寄存器的最低位输出端12引脚和最高位输入端7引脚连接，形成环形计数器。从而实现了四种花型轮流转化。74LS194功能表如下:表2-4-2第三章主要芯片功能介绍3.1 D触发器 D触发器的引脚如下图： 图2-4是D触发器的逻辑符号，从图2-4可看出CP是上升沿有效，当然，D触发器还有CP下降沿有效的，如图2-4（b）所示。 （a） (b)图2-4 维持阻塞D触发器逻辑符号 表2-4 特征表DQnQn+1101010000111此表为D触发器的特征表，特征表就是Qn将也作为真值表的输入变量，而Qn+1为输出，此时的真值表称为特征表。有特征表可得特征方程：Qn+1=D状态转换图和时

11、序图维持阻塞D触发器的状态转换图如图2-5所示，图（a）为状态转换图，图(b)为时序图。 （a） (b) D触发器的状态转换图和时序图3.2 555时基电路的电路结构及引脚图 -图3-2-1上图为555时基电路的电路结构和8引脚双列直插式的引脚图，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。它的各个引脚功能如下：1脚：GND（或Vss）外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：VCC（或VDD）外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.516V,CMOS型时基电路VCC的范围为318V。一般为5V。3脚：OUT（或Vo）或输出端。2脚

12、：TR低触发器。6脚：TH高触发器。4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、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：CO(或VC)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0.01mF电容接地，以防引入干扰。7脚：D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。电阻分压器由三个5K的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输

13、入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如下表所示： 表3-2-1 3.3发光二极管 它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中国电子和空穴多处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能

14、量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。   图2-7 发光二极管它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，

15、少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。3.4 74LS161 74LS161的引脚图如下： 图3-4-1 74LS161功能表如下所示： 表3-4-1由表可知，74161具有以下功能： 1、异步清零：当RD=0时。不管其他输入端的状态如何，计数器将直接输出0。 2、同步并行预置数：在RD=1的条件下，当LD=0、且有时钟脉冲CP上升沿作用的时候，P0、P1、P2、P3输入端的数据将分别被Q0Q3所接收

16、。由于这个置数操作要与CP脉冲上升沿同步，且P0P3的数据同时置入计数器，所以称为同步并行预置。 3、保持：在RD=LD=1时，当ET*EP=0,即两个计数使能端有0时，不管有无CP脉冲的作用，计数器都将保持原有状态不变，当EP=0，ET=1时，进位输出RCO也保持不变，当ET=0时，不管EP状态如何，进位输出RCO=0。4、计数：当RD=LD=EP=ET=1时，处于计数状态。3.5 74LS194 74LS194引脚图: 图3-574LS194真值表: 表3-5 集成移位寄存器74194由4个RS触发器及它们的输入控制电路组成。其中两个控制输入端S1、S0的状态组合可以完成4种控制功能，其中

17、左移和右移两项是指串行输入，数据是分别从左移输入端DSL和右移输入端DSR送入寄存器的。MR为异步清零输入端。由功能表知，第1行表示寄存器异步清零；第2行表示当MR=1，CP=1(或0)时，寄存器处于原来状态；第3行表示为并行输入同步预置数；第4、5行为串行输入左移；第6、7行为串行输入右移；第8行为保持状态。心得与体会通过课程设计我学到了很多，学会了分析、设计、解决问题的能力。学习到了以前所不曾接触的东西。会用protel画电路图了，会检索资料了，同时更重要的是我能真正的学以致用，学会用数电的知识去解决一些基本问题。体会到了其中的趣味，让我增强了学习数电的兴趣。本课程设计运用了74系列中规模

18、逻辑芯片74HC194，74LVC161，74LS74及555定时器，发光二极管，电阻，电容等器件，是我进一步加深了对这些元件的理解和认识，以及它们的应用方法和注意事项，为以后分析这些元件的工作特性打好了基础，同时巩固和加深了对数点知识的理解。课程设计中，原理图的设计是灵魂。根据要实现的功能，思考设计思路，选择器件，全面考虑后得到设计的原理图。接着就是验证了原理图的正确性，完善设计了。对于一个复杂的系统来说，要在复杂的元器件和线路中迅速、准确地找出问题是很不容易的事。要通过对原理图的分析，把系统分成不同功能的电路模块，通过逐一分析找出有问题的模块，然后再对故障模块内部加以分析找出问题，查找问题

19、，分析问题和排除问题，并通过做出功能表时序图等协助分析。 通过电子线路课程设计，我了解了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，能用设计软件对电子线路进行设计，能用绘图软件绘制原理图，掌握电子电路设计的方法，能独立解决设计过程中出现的一般问题，能正确选用元器件，能对所设计电路的功能作用有深刻的理解，能查阅各种有关手册和正确编写设计报告。 由于这次的课程设计是分小组来作一个课题，所以我们是采用以自学为主，然后组里的成员聚到一块儿一起探讨的学习方法。这样不仅锻炼了我们的自学努力，而且更锻炼了我们的团队合作精神。相信会为我们以后的生涯带来很大的益处。单纯的理论学得再好如果不能用到实践中去等于没学。通过此次的课程设计，真正提高了我们动手能力，学会获取资料，活跃了自己的思维，巩固了我们所学