双色三循环方式彩灯控制器

摘要循环彩灯的电路很多，循环方式更是五花八门，而且有专门的可编程彩灯集成电路。绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的，例如，用中规模集成电路实现的彩灯控制电路主要用计数器，译码器，分配器和移位寄存器等集成。本次设计的双色循环彩灯控制器就是用计数器和译码器来实现，其特点用双色发光二极管，能发红色和绿色两色光。关键词：计数器，译码器，集成，双色发光二极管。目录TOC\o"1-5"\h\z一、 课题构思 3二、 方案设计 41、基本原理 42、计数器和译码器 5三、 单元设计 62、振荡器 6四、 系统完整电路及其原理说明 111、工作原理 11五、 仿真分析及结果 121、控制器（方式入）的仿真原理图 122、仿真结果 13六、 调式过程 15七、 心得体会 16八、 参考文献 17一、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0.2〜0.6S间可调，延时时间约在1〜6S间可调。6、要求用10V电源设计。二、方案设计近年来，由于中，大规模集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。在设计中更多的使用中。大规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简捷，而且能提高电路的可靠性，降低成本。因此，双色三循环方式彩灯控制器总体方案设计如下：1，根据总的功能和技术要求，把复杂的逻辑系统分解成若干个单元系统，单元的数目不宜太多，每个单元也不能太复杂，以方便检修。2,每个单元电路由标准集成电路来组成，选择合适的集成电路及器件构成单元电路。3，考虑各个单元电路间的连接，所有单元电路在时序上应协调一致，满足工作需求，相互间电气特性应匹配，保证电路能正常，协调工作。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，延时电路，蜂鸣器等组成，其框图如图1所示：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线一16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，Oo〜0扑保持EL置“0”前的电平;禁止端E为高电平时,。0〜0拓全为低电平;因此,CC4514作为译码器使用时，EL应接高电平，至应接低电平，CC4514的外引脚如图3所示。A■再aJ1111图2CC4514引脚图CPCEUP/DNPLMR功能XXX10置数，既把数PPPP送OOOO中3210 32 1 0XXXX1清零，即O3O2O]O0全为零X1X00不计数，即OgOz。]。。保持不变*0100加数器A0000减数器表1CC4516功能表三、单元设计1、1、LED显示电路LEDLED显示电路如图3所示OO14 O13OOO98151211OO14 O13OOO98151211101LED显示电路O0)〜OO0)〜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20〜30mA，发光二极管的压降约为2V,通过发光二极管的电流可取为10〜15mA,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）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(Ri+2R2)C。RESETVtC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=1UP/DN=O UP/DN=1起始计数(置“1OOO”f 加数^O15时计数OO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。^时变为减法计数，减法计数到O°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所示为由D触发器构成的二分频电路，O15和OO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“O”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。扑和O°可直接作为S与R的输入。图5⑹输入为低电平有效，。拓，O°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。

(b)(d)(b)(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 M加计数 AO15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，其中为微分电路，当七为窄脉冲触发时，匕和％可省略。。括的下降沿作为单稳态电路的触发信号，因此。扑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％对于％和％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1/3V，触发的时候电压小于DD1/3VDd。延时时间由RP和C2决定。图6图6微分型单稳态电路图7555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 A加计数——>O7时延时A |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、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PL=1,IC2计数器置数“1000”，电源接通瞬间，C2短路，触发器直接置零R=1,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R=0,不起作用。当计数器到”111T',O15=1,VD2导通，同时IC4a倒通，触发器翻转，UP/DN=0,计数器递减计数。选择方式B,指示灯LED。亮，VD20导通，开光刚接通瞬间，C4短路，PL=1,IC2计数器置数“1000”，电源接通顺间，C2短路，触发器R=1,触发器直接置零，UP/DN=1,出数器从”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，05=1,IC8B导通，当0拓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，Id*导通，CT］导通，蜂鸣器响。延迟时【匕导通,PL=1,计数器始终在置数“1000”，延迟结束时,E=0,计数又从“1000”开始计数。选择方式C,指示灯LED1°亮，开关刚接通瞬间，C3短路，MR=1,IC2计数器清零，电源接通瞬间，C2短路，触发器R=1,触发器直接置零，UP/DN=1,计数器从“0000”开始计数，当计数器到“0111”时，0=1,因ic8a导通，当o7从高电平变到低电平时，触发单稳态电路，七输出为高电平，E=1,IC3的O0〜。扑输出全为低电平，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1*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，D］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，LED15TLED14fTLED厂•••tLED1—LED0的规律变化，此时指示灯X2不亮。只要红色灯LED。亮，就会示D触发器置零，从而计数器递增计数，发光二级管灯亮按LED—LED—.—LED—LED—LED—LED1规律变化，此时指示灯X点亮。当0 1 7 8 14 5 2LED15亮示，三极管VT导通，继电器1*吸合，灯亳亮。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IC1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LED。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：.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。.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。.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VD「VD2、翅、％、武心等元器件。.接循环方式B，用万用表测量IC6的输出电压，检查挡计数器计数到“1111”，时，单稳态电路的输出是否从的电平变为高电平。如果单稳态电路的输出一直时低电平，则应测量ic6的第二脚时候一直为高电平而没有低电平触发信号，然后再检查周围相关的元器件。如果单稳态输出始终为高电平，可能是IC的第二脚电压一直是低电平所导致，说明6R20与R21的组织法选择不当。.接循环方式C，检查能否四灯红闪，四灯绿闪。检查IC4c,IC7,VT2等元器件。七、心得体会在课程设计的过程中，较多的时间是用来查阅资料，因为还是第一次做电子课程设计，图书馆的资料很有限，所以一般通过网上查阅，在此查阅期间，我学会了怎样使用超星阅读器和PDF阅读器。在调试过程中，故障是不可避免的，或者正如老师所说没有故障反而还不正常。产生故障的原因很多，情况也很复杂，有的是一种原因引起的简单故障，有的上多种原因相互作用引起的复杂故障，因此需要