【课程设计】节日彩灯控制器设计

1、x x x x 大 学 课 程 设 计 课 程 单片机课程设计 题 目 节日彩灯控制器设计 院 系 电气信息工程学院测控系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 2021年 4月 6日xxxx大学课程设计任务书课程 单片机课程设计 题目 节日彩灯控制器设计 专业 测控技术与仪器 姓名 学号 一、任务 设计一款节日彩灯控制器。二、设计要求1 运用555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，四选一数据选择器74LS153，八位移位存放器74LS164等电路元件组成彩灯控制电路。2由555振荡电路产生一矩形脉冲，在经74LS93分频后得到四路分频信号，由74LS7474LS1

2、53组成的电子开关去控制这四路分频信号，进而控制彩灯亮灭的顺序，从而出现彩灯四种把戏自动切换。3 写出详细的设计报告。4 给出全部电路和源程序。三、参考资料1 刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录M.北京：高等教育出版社，1957.15-18.2 刘润华,刘立山.模拟电子技术J.山东:石油大学出版社,2003.3 苏成富.彩灯控制器J.北京:电机电器技术,2000，01.4 祝富林.音乐彩灯电路CS9482J.北京:电子世界,1995，12.5 彭介华.电子技术课程设计指导J.北京:高等教育出版社,1997.完成期限 2021.3.28至2021.4.8 指导教师 专业负责人 2011年 3月

3、28 日目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc289625061 第1章 绪论 PAGEREF _Toc289625061 h 3 HYPERLINK l _Toc289625062 1.1 彩灯控制器概述 PAGEREF _Toc289625062 h 3 HYPERLINK l _Toc289625063 1.2 彩灯控制技术状况 PAGEREF _Toc289625063 h 3 HYPERLINK l _Toc289625064 1.3 本设计任务 PAGEREF _Toc289625064 h 4 HYPERLINK l _Toc289625065 第

4、2章 总体方案设计与论证 PAGEREF _Toc289625065 h 5 HYPERLINK l _Toc289625066 2.1 方案比拟 PAGEREF _Toc289625066 h 5 HYPERLINK l _Toc289625067 2.2 方案论证 PAGEREF _Toc289625067 h 6 HYPERLINK l _Toc289625068 2.3 方案选择 PAGEREF _Toc289625068 h 6 HYPERLINK l _Toc289625069 第3章 单元模块设计 PAGEREF _Toc289625069 h 7 HYPERLINK l _To

5、c289625070 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 PAGEREF _Toc289625070 h 7 HYPERLINK l _Toc289625071 功能器件的介绍 PAGEREF _Toc289625071 h 11 HYPERLINK l _Toc289625072 第4章 系统的调试 PAGEREF _Toc289625072 h 14 HYPERLINK l _Toc289625073 4.1 环境调试 PAGEREF _Toc289625073 h 14 HYPERLINK l _Toc289625074 4.2 硬件调试 PAGEREF _Toc289625074 h

6、 14 HYPERLINK l _Toc289625076 第5章 系统功能、指标参数 PAGEREF _Toc289625076 h 16 HYPERLINK l _Toc289625077 5.1 系统能实现的功能 PAGEREF _Toc289625077 h 16 HYPERLINK l _Toc289625078 5.2 系统指标 PAGEREF _Toc289625078 h 16 HYPERLINK l _Toc289625079 结 论 PAGEREF _Toc289625079 h 18 HYPERLINK l _Toc289625080 参考文献 PAGEREF _Toc2

7、89625080 h 19 HYPERLINK l _Toc289625081 附录1 程序 PAGEREF _Toc289625081 h 20 HYPERLINK l _Toc289625082 附录2 系统原理电路图 PAGEREF _Toc289625082 h 21 HYPERLINK l _Toc289625083 附录3 系统PCB图 PAGEREF _Toc289625083 h 22第1章 绪论彩灯是我国普遍流行的传统的民间的综合性的工艺品。彩灯艺术也就是灯的综合性的装饰艺术。新中国成立后，彩灯艺术得到了更大的开展，特别是随着我国科学技术的开展，彩灯艺术更是把戏翻新，奇招频出

8、，传统的制灯工艺和现代科学技术紧密结合，将电子、建筑、机械、遥控、声学、光导纤维等新技术、新工艺用于彩灯的设计制作，把形、色、光、声、动相结合，思想性、知识性、趣味性、艺术性相统一。在当今的社会里，彩灯已经成为我们生活的一局部，能给我们带来视觉上的享受还能美化我们的生活。1.1 彩灯控制器概述彩灯控制器主要是通过电路产生有规律变化的脉冲信号来实现彩灯的各种变化。它的主要器件是存放器。现如今存放器是数字系统常见的重要部件，除在计算机中广泛用于存放中间数据外，它在其他方面的应用，目前在教材中只介绍可构成环形或扭环形计数器。本次实验由于触发器具有记忆的功能，所以将移位存放器设计成彩灯控制电路。由于电

9、路本身实用，如果再通过计算机仿真，就可以直观地看到循环彩灯控制效果。如果稍微改动控制电路，就可以改变电路的不同工作状态，控制彩灯变幻出不同的闪烁效果。1.2 彩灯控制技术状况彩灯控制电路是由单元电路组合而成的，主要由555振荡电路产生一矩形脉冲，在经74LS93分频后得到四路分频信号，由74LS7474LS153组成的电子开关去控制这四路分频信号，进而控制彩灯亮灭的顺序，从而出现彩灯四种把戏自动切换。1.3 本设计任务运用555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，四选一数据选择器74LS153，八位移位存放器74LS164等电路元件组成彩灯控制电路，并用Proteus等

10、软件仿真，做出其PCB图。第2章 总体方案设计与论证通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比拟它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。 方案比拟方案一只能实现稍微比拟简单的一些功能，能到达预期目的。结构较单一，为了更好的了解所学知识，稳固已学知识选择方案二，它能很好的完成任务211 方案一方案一原理框图如图2-1所示。分频计数器数据选择器移动存放器输出开关电路图2-1 方案一的原理框图方案一：用模十六计数器74LS161的输出端的最高位QD作为双D触发器的时钟，可以只用一个555

11、定时器。计数器每计八个数，QD由低电平变为高电平，双D触发器的状态改变，四选一数据选择器74LS153选择下一种码输出，彩灯变为另一种把戏，以后四种把戏循环改变，变化比拟单一。212 方案二方案二原理框图如图2-2所示。图2-2 方案二的原理框图方案二：彩灯控制器原理框图如图2-2所示。用555构成多谐振荡器。用4位2进制计数器74LS93接成16进制计数器，其4个输出端可以分别输出对计数脉冲的2、4、8、16分频信号。用双D触发器74LS74接成2进制加法计数器。数据选择器由双4选174LS153构成，并且只用它的一组4选1数据通道。移位存放器选择八位74LS164，它是产生移动灯光信号的核

12、心器件。 方案论证如果按方案一连接电路，彩灯无法完成第四种把戏依次点亮，依次熄灭，只能完成一半，依次点亮或依次熄灭，局部实现了设计要求。 方案选择结合我们已学知识，为使实验更加成功，我觉得更适合做方案二，而不采用方案一。第3章 单元模块设计主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为3个单元模块，它们分别是：时钟脉冲产生电路模块、彩灯开关电路模块和把戏输出电路模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.1.1 时钟脉冲产生电

13、路模块设计用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为:T=0.7(R1+2R2)C(3-1)要用两个555产生两个时钟脉冲,一个控制74LS161模十六计数器和八位移位存放器,要能看到彩灯的流动,其周期设为1秒左右, 电阻值和电容值可设为：R1=1K ， R2=51KF电路图如图3-1所示:图3-1 时钟电路另一个555产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换,其周期设为模十六计数器的20倍,改变R1、R2的阻值即可，可设为：R1=1K ， R2=1M ，F 彩灯开关电路模块设计要实现彩灯四把戏的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、

14、Z4。使双D触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双D触发器能产生00、01、10、11这四钟循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四把戏循环。IC2、IC4、IC5共同组成了一个电子开关。IC2输出的计数脉冲经IC4两位二进制计数，在IC4的两个输出端共可得到“00“114个逻辑状态。这4个状态作为IC5的4个数据通道选择信号，对应从IC3输送到IC5的QA、QB、QC、QD4个分频信号。其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。当IC4输出为“00时，选通IC5的脚；为“01时，选定IC5的脚。调节RW2改变IC2的输出脉冲周期，可以改变开关的切换时间，用以选择

15、每种把戏出现时间的长短开关电路图如图3-2所示：图3-2 开关电图令Q1Q2=AB，74LS153数据选择器的功能表如图3-3所示图3-3 数据选择器功能表由表3-3可知，数据选择器的地址输入端A、B循环转变，输出端1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四把戏自动循环改变。3.1.3 把戏输出电路模块设计输出电路由八位移位存放器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成如图3-4所示。存放器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位存放器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯把戏。图3-4 输出电路驱动电路用8只三极管组成8路射随器作缓冲放大，去触发作电流开关

16、的8只双向可控硅，以控制彩灯发光。电路的十5V电源由220V9V变压器降压，经D1一D4桥式整流，7805稳压后给控制电路供电。从IC5第脚输出的数据信号送到IC6的输入端第脚，在时钟脉冲作用下，数据在IC6的8位并行输出端从Q0一Q7顺序移动。这一移动的8位控制信号经功率驱动电路去推动8路彩灯，就出现了8路4把戏自动循环切换的流水彩灯。当输入移位存放器数据输入端的码为10000000时，清零后在移位脉冲CP的作用下，存放器数码移动情况如图3-5所示CPRiQAQBQCQDQEQFQGQH111000000 02001000000300010000 0400 00100005000001000

17、600000010070000000108000000001图3-5 存放器数码移动情况表由表3-5可看出，输入码中的那位高电平“1 从存放器的输出端QA经八个移位脉冲CP作用后逐渐到了QH，使输出端所连接的彩灯依次点亮，实现了彩灯依次点亮的把戏。当输入另外的三种码时，存放器的数码移动原理相似，所以就不累赘了。功能器件的介绍本系统中主要使用了如下一些功能器件：555定时器、8位移位存放器74LS164、双四选一数据选择器74LS153。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。3.2.1 555定时器如图3-6所示：图3-6 555定时器由于555定时器内部的比拟器灵敏度较高，而

18、且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。555定时器有二个比拟器A1和A2，有一个RS触发器，R和S高电平有效。三极管VT1对清零起跟随作用，起缓冲作用。三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比拟器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器，由此可以获得 和 两个分压值，一般称为阈值。555定时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端TR，3脚是输出端OUT，4脚是去除端R，5脚是电压控制端CV，6脚是高触发端TH，7脚是放电端DC，8脚是电源端VCC。555定时器的输出端电流可以到达200mA，因此可以直接驱动与这个电流数值相当

19、的负载，如继电器、扬声器、发光二极管等。3.2.2 8位移位存放器74LS164芯片管脚图如图3-7所示：图3-7 74LS164移位存放器主要参数及特点串行输入带锁存 时钟输入,串行输入带缓冲 异步去除 最高时钟频率可高达36Mhz 功耗：10mW/bit 74系列工作温度： 0C to 70C Vcc最高电压：7V 输入最高电压：7V 最大输出驱动能力： 高电平：0.4mA 低电平：8mA 移位存放器属于同步时序电路，在同一时钟脉冲作用下，可以将存放的二进制代码或数据依次移位，用来实现数据的串行/并行或并行/串行的转换、数值运算以及其他数据处理功能。3.2.3 双四选一数据选择器74LS1

20、53芯片管脚图如图3-8所示图3-7 74LS153数据选择器数据选择是指经过选择，把多路数据中的某一路数据传送到公共数据线上，实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器。它的作用相当于多个输入的单刀多掷开关。本设计只用到了其中一组4选一开关。第4章 系统的调试对开关电路实行调试看是否可以让74LS153循环的输出4个信号。双D触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双D触发器能产生00、01、10、11这四钟循环的状态，即观察上下电平的变化。从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四把戏循环。IC2、IC4、IC5IC2和IC4为D触发器，IC5为四选一数据选择器共同组成了一个电子开关

21、。IC2输出的计数脉冲经IC4两位二进制计数，在IC4的两个输出端共可得到“00”“11”4个逻辑状态。这4个状态作为IC5的4个数据通道选择信号，对应从IC3输送到IC5的QA、QB、QC、QD4个分频信号。其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。当IC4输出为“00”时，选通IC5的脚；为“01”时，选定IC5的脚。调节RW2改变IC2的输出脉冲周期，可以改变开关的切换时间，用以选择每种把戏出现时间的长短。最后运行程序观察彩灯的变化情况。可根据先检查各芯片的电源和地是否接上，检查线路是否连好；前面的检查无问题后，再根据彩灯的变化情况，确定可能的原因，分析是哪个功能模块出了问题。4.1

22、 环境调试Proteus 是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。4.2 硬件调试通过对总系统的各个模块的调试可能出现了一些问题：1彩灯只有一种把戏变化，没有其它的把戏：原因可能是双D触发器74LS74不能产生周期性的两位二进制码或是555

23、不能产生触发双D触发器的CP脉冲，使双D触发器维持在一种状态。可换一片好的74LS74芯片或检查555CP脉冲产生电路，看是否产生周期性的CP脉冲，使双D触发器产生四种循环的状态，彩灯就能四把戏变化。2彩灯无规律变化：原因可能是四种码的产生电路不能产生符合要求的四种码，检查模十六计数器的CP脉冲是否稳定，看74LS161是否能计数，即QA、QB、QC、QD是否周期性的上下电平变化，前面没问题，再检查与门74LS08和非门74LS04是否能实现它们逻辑功能。3彩灯的四种把戏都有，但中间有一些混乱的状态：原因可能是数据选择器输出的两种码之间的间隔大于彩灯每一种状态持续的时间，使彩灯的一种把戏完成后

24、并没有进入另一种状态，当进入另一种状态时上一种状态的多余码进入下一个状态，故出现了混乱的状态。可改变双D触发器的CP脉冲，即改变多谐振荡器的电阻，使得一种把戏完成后，数据选择器地址输入端状态改变，正好选择另一组码输出，彩灯把戏改变。第5章 系统功能、指标参数5.1 系统能实现的功能 设计的彩灯控制器实现(1) 彩灯一亮一灭,从左向右移动；(2) 彩灯两亮两灭，从左向右移动；(3) 四亮四灭，从左向右移动；(4) 从18从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭；(5) 四种把戏自动变换。5.2 系统指标我们对数据选择器和移位存放器进行了测试，主要是观察运行后上下电平的变换记录表格。数据选择器记录表格如5-1所示、移位存放器如表5-2所示。BQ2AQ11Y0110000110Y1Y2Y3Y4Y1表5-1 数据选择器运行参数数据选择器的地址输入端A、B上下电平循环转变，输出端1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四把戏自动循环改变。CPRiQAQBQCQDQEQFQGQH111000000 02001000000300010000 0400 00100005000001000600000010070000000108000000001表5-2 移位存放器移动上下电平变化结