2024年彩灯控制器实验报告

電工電子課程设计试验汇报題目名称：彩灯控制器指导教師：宋學瑞姓名：學号专业班级：曰期：-06-27前言電子技术課程设计是配合電子技术基础課程与试验教學的一种非常重要的教學环节。它是電气信息类专业學生的重要基础实践課，也是工科专业的必修課，能巩固電子技术的理论知识，提高電子電路的设计水平，加强综合分析問題和处理問題的能力，深入培养學生的试验技能和動手能力，启发學生的创新意识及创新思维。完毕本次課程设计，對進行毕业设计及毕业後從事電子技术方面的工作均有很大的协助。近年来，由于集成電路的迅速发展，使得数字逻辑電路的设计发生了主线性的变化。在设计中更多的使用中规模集成電路，不仅可以減少電路组件的数目，使電路简捷，并且能提高電路的可靠性，減少成本。因此用集成電路来实現更多更复杂的器件功能则成為必然。現代生活中，彩灯越来越成為人們的装饰品，它不仅能美化环境，渲染气氛，還可用于娱乐場所和電子玩具中，現以该課題為例進行分析与设计可编程的彩灯控制的電路诸多，构成方式和采用的集成片种类、数目更是五花八门，并且有专门的可编程循环彩灯控制電路。绝大多数的彩灯控制電路都是用数字電路来实現的，例如，用中规模集成電路实現的彩灯控制器重要用计数器，译码器，分派器和移位寄存器等集成。本次设计的可编程彩灯控制電路就是用寄存器、计数器和译码器等来实現，其特點是用发光二极管显示，实現可预置编程循环功能。目录前言1一、課題设计任务及规定.3

二、设计目的3三、优选设计方案4四、整体设计思想及原理框图5五、各模块设计与分析61、脉冲发生電路72、控制電路和译码電路103、存储電路124、数码管显示電路.14六、元器件清單15七、安装及调试中出現的問題和处理措施15八、设计感想17附录一、试验電路图20二、试验電路连接图.21三、参照文献21課題设计任务及规定課題名称：可编程彩灯控制器设计任务及规定：1、设计脉冲产生電路、图形控制電路和存储電路；2、用8×8LED點阵作為显示電路，显示内容的動面感要强。3、能用按键切换不一样的显示组合，至少有3個按键切换；4、每种组合至少有3种变化，每种组合内图形能持续循环；5、要有数码管显示目前是第几种组合（或是第几种按键）；6、图形显示间隔（显示频率）至少有3种可选。控制器可有2种控制方式：（1）规则变化：变化节拍有0.5秒和0.25秒，交替出現，每种节拍可有多种把戏，各执行1或2個周期後轮换；彩灯变化方向有單向移動和双向移動、跳跃移動等。（2）随机变化。变化把戏相似，但节拍和把戏的轮换随机出現。7、完毕電路所有设计後，通過试验箱验证设计課題的對的性。二、设计目的本課程设计重要是為了实現可编程彩灯控制的功能，且通過本次電子課程设计，理解電子产品设计的一般過程，掌握電子线路设计的基础措施和一般過程，能灵活运用已學過或者类似的集成块构成電路实現上述功能，還能灵活掌握555電路的应用措施。能用仿真软件對電子线路進行仿真设计，還能用Portel等软件绘制PCB图，掌握了電子電路调试的措施，且能独立处理设计与调试過程中出現的一般問題，并深入掌握EEPROM的编程措施和应用。优选设计方案方案A：根据设计规定，本系统由控制電路，编码发生電路和输出驱動電路等构成。其彩灯控制器的總体设计思想如下：编码发生器编码发生器根据花形规定，按节拍送出64位状态编码信号，以控制彩灯按规律亮或灭。由于彩灯路数少，花形规定不多，可选用移位寄存器输出64路数字信号，控制彩灯发光。编码发生器采用16片4位通用移位寄存器74LS194来实現。74LS194具有异步清除和同步预置、左移、右移和保持等多种功能，控制以便灵活。64路彩灯采用两片74LS194构成64位移位寄存器，花形设计比较灵活。移位寄存器的64個输出信号通過驱動電路控制電路来控制彩灯，编码器中数据输入端和控制端的接法由花形决定。根据选择的花形，可列出移位寄存器（编码发生器）输出状态。控制電路控制電路為编码器提供所需的节拍脉冲和驱動信号，控制整個系统工作。控制電路的功能有两個：一是按需要产生节拍脉冲；二是产生移位寄存器所需要的多种驱動信号。控制電路设计一般按照下述环节進行：逐一分析單一花形运行，移位寄存器的工作方式和驱動规定，按照工作状态决定74LS194移位寄存器工作的状态次序，同步是分析移位寄存器工作方式和驱動规定的根据。方案B：采用555定期器输出脉冲，高频通過计数器控制電路和译码電路，不停刷新显示矩阵的各列；而低频产生脉冲，决定显示哪一幅画面。由于需要产生64幅以上的图形，可以设计一种64進制的计数器，即可显示64幅图，此低频接在EEPROM的高位，而高频计数器控制電路的输出接在EEPROM的低三位。即高位决定显示哪幅画，低位表达每幅图形的每列的显示。显然，方案B比较合理并且能实現課程设计的规定，采用方案B来進行課程设计。整体设计思想及原理框图本系统可设计為四個模块：1.脉冲发生電路采用两個555定期器构成振荡器，一种产生高频和一种产生可调低频。高频通過计数器控制電路和译码電路，不停刷新显示矩阵的各列；而低频产生脉冲，决定显示哪一幅画面。2.图形控制電路用74LS161芯片设计一种64進制的计数器，以显示64幅图，其中低片计数器构成16進制，高片计数器构成4進制，并且将低频通過计数控制電路接在EEPROM的高位，從而选择显示哪一幅画。而高频通過计数器控制電路接在EEPROM的低三位，不停刷新显示矩阵的各列，用以控制图形的显示。由于显示矩阵是由64個发光二极管构成，把译码器输出接在显示矩阵的阴级進行行控制，EEPROM接在显示矩阵的阳极進行列控制，只有同步导通時，二极管才亮。译码電路是低電平有效，每次只有一种输出有效，因此需要迅速進新刷新，故将高频通過计数器控制電路接在译码電路的输入端。3.数码管显示電路目前8X8显示矩阵显示的是哪一幅画，可以通過2個数码管显示出来。其中第一种数码管显示该画面所在的组别，另一种显示该幅画為這個组别的第几幅画。由于上面设计為16X4的64進制计数器控制显示画面。故可以设计四种组合，每一种组合為16副画。4.存储電路显示什么样的图形就决定于EEPROM的编程，而最终显示在显示矩阵上。此外，暂停功能：控制低频计数器低位的EP和ET端实現。手動选画功能：當低频计数器的端為高電平時，图形自動持续循环；當端為低電平時，计数器处在置数功能，可通過选画開关选择需要显示的图画，其中高片计数通過置数选择画面组别，底片计数器通過指数选择此组合内的某一幅画。清零功能：控制低频计数器的清零端，當=0時，计数器实現清零功能。原理框图如下：显示矩阵存储單元译码驱動電路计数控制電路计数控制電路脉冲发生電路（低频）脉冲发生電路（高频）列控制行控制显示矩阵存储單元译码驱動電路计数控制電路计数控制電路脉冲发生電路（低频）脉冲发生電路（高频）列控制行控制低位高位五、各模块设计与分析根据设计规定，本系统由脉冲发生電路、控制電路、译码驱動電路、存储矩阵和显示電路等几部分构成可编程彩灯控制電路。脉冲发生電路1、555定期器的构成和功能⑴．内部构成框图：它重要由两個高精度電压比较器A1、A2，一种RS触发器，一种放電三极管和三個5KΩ電阻的分压器而构成。（如下图所示）⑵．引脚图及其功能Vo’VcoTHV。GNDVccVo’VcoTHV。GNDVcc1脚：外接電源负端VSS或接地，一般状况下接地。3脚：输出端Vo2脚：低触发端6脚：TH高触发端4脚：是直接清零端。當端接低電平，则時基電路不工作，此時不管、TH处在何電平，時基電路输出為“0”，该端不用時应接高電平。5脚：Vco為控制電压端。若此端外接電压，则可变化内部两個比较器的基准電压，當该端不用時，应将该端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干扰。7脚：放電端。该端与放電管集電极相连，用做定期器時電容的放電。8脚：外接電源Vcc，双极型時基電路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型時基電路Vcc的范围為3~18V。一般用5V。⑶．功能简介：在1脚接地，5脚未外接電压，两個比较器A1、A2基准電压分别為2/3V，1/3V的状况下，555時基電路的功能表如下表所示。清零端高触发端TH低触发端Qn+1放電管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11Qn不变保持⑷．555定期器构成的多谐振荡器工作原理接通電源後，假定V0是高電平，则T截止，電容C充電。充電回路是VCC—R1—R2—C—地，VC按指数规律上升，當VC上升到2/3VCC時（TH、端電平不小于2/3VCC），输出V0翻转為低電平。V0是低電平，T导通，C放電，放電回路為C—R2—T—地，VC按指数规律下降，當VC下降到1/3VCC時（TH、端電平不不小于1/3VCC），V0输出翻转為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如此周而复始，产生振荡，經分析可得：输出高電平時间输出低電平時间振荡周期输出方波的占空比2、本模块工作原理简介脉冲发生電路重要用来产生時间基准信号（脉冲信号）。由于可编程循环彩灯對频率的规定不高，只要能产生高下電平就可以了，且脉冲信号的频率可调，因此采用555定期器构成的振荡器，其输出的脉冲作為下一级的時钟信号。本系统采用两片555定期器分别构成高频脉冲发生器和低频脉冲发生器。高频脉冲发生器是用555构成多谐振荡器。由于人眼每秒可辨别出24幅图，而高频计数器采用8進制，作為刷新频率的脉冲，此高频刷新電路输出脉冲的频率应不小于24*8=192Hz，這样便可以显示整幅的画面。低频脉冲发生器用于提供计数電路的脉冲，它能决定画面显示的速率。速率的调整可通過调整滑動電阻（0～1M）来实現。高频脉冲发生低频脉冲发生器R1=100KR1=750KR1’=0~1MR2=100KR0=R2=1KC1=C2=0.01UfC1=10UfC2=0.01Uff=476Hzf=0.18~0.33HzB.控制電路和译码電路1.74LS138功能简介74LS138是一种常見的3线8线译码器，它的八個输出引脚，任何時刻要么全為高電平1，则芯片处在不工作状态；要么只有一种為低電平0，其他7個输出引脚全為高電平1；假如出現两個输出引脚同步為0的状况，阐明该芯片已經损壞。其功能表如下：當附加控制门的输出為高電平（S＝1）時，可由逻辑图写出由上式可以看出，输出是這三個输入变量的所有最小项的译码输出，因此也把這种译码器叫做最小项译码器。74LS138的管脚图如右：2.74LS161功能简介74LS161是常用的四位二進制可预置的同步加法计数器，它可以灵活的运用在多种数字電路，以及單片机系统中实現分频器等诸多重要的功能。ET⑴74LS161引脚图管脚图ET74LS161EP74LS161EPCP：時钟P0~P3：四個数据输入端：清零端

EP，ET：使能端：同步置数端Q0~Q3：数据输出端

TC：進位输出(TC=Q0·Q1·Q2·Q3·ET)⑵74LS161功能表74LS161真值表從74LS161真值表功能表中可以懂得，當清零端CR=“0”，计数器输出Q3、當=0時，Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為异步复位功能；當=1且=0時，在CP信号上升沿作用後，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端P3，P2，P1，P0的状态同样，為同步置数功能。而只有當==EP=ET=1、CP脉冲上升沿作用後，计数器加1。74LS161尚有一种進位输出端TC，其逻辑关系是TC=Q0·Q1·Q2·Q3·ET。应用计数器的清零功能和置数功能，可实現本系统中清零、选画的功能。3、本模块工作原理简介⑴控制電路控制電路由3片74LS161计数器和3位二進制译码器74LS138构成，其中一片74LS161连接高频脉冲发生器和译码器74LS138，對显示矩阵電路進行行扫描和控制；另两片74LS161构成高下两片计数器，共同控制选画，置位，暂停等功能。⑵译码電路由一片74LS161和一片74LS138构成高频计数器和译码控制電路，由两片74LS161构成低频计数器本模块電路图如右：C.存储電路存储電路用芯片EEPROM2864来存储不一样画面的程序。EEPROM2864的低三位地址线A0到A2接在高频计数器输出端，显示每列的图形；高三位地址线A3到A8接低频计数器的输出，决定显示的哪幅画。由EEPROM2864中的代码来决定图形的形状。编程如下表：幅数图形编码第1列第2列第3列第4列第5列第6列第7列第8列11000000447E4000002圆開放收缩两遍0000001818000000300001824241800004003C424242423C0053C4281999981423C600001824241800007003C424242423C0083C4281999981423C9000018242418000010003C424242423C00113C4281818181423C12003C424242423C0013000018242418000014000000181800000015000018242418000016003C424242423C001720000F292929E000018星星闪烁20F0200000000000190000020F02083C082020F0200000083C08210000020F020000002220F0220F02083C082300000000000000002420F0220F02083C082520F0200000000000260000020F02083C082720F0200000083C08280000020F020000002920F0220F02083C083000000000000000003120F0220F02083C083200000000000000003330000929292FE000034贪食蛇0000F8000800000035000078080800000036000078090800000037000038090C00000038000018090E00000039000008090F00000040040008090F00000041040001090F00000042040101010F00000043050101010700000044070101010300000045070101010B000000460F01010109000000470F09010108000000480F0909000800000049400181412FF10100050依次“画”出笑脸040000000000000051040200000000000052040202000000000053040202040000000054040202040400000055040202040402000056040202040402020057040202040402020458040222040402020459040222440402020460040222444402020461040222444422020462040222444422020463完1692F61F1FF69296641692F61F1FF69296D.存储電路试验中用以两個8段LED数码管分别显示图形所在组次和组次中的第几副，其中74LS48是一种二-拾進制译码器，其输出端直接接到数码管即可，设计的電路如下：六、元器件清單元器件名称件数555定期器274LS161374LS1381EEPROM286418*8显示點阵1100K電阻21K電阻2750K電阻1滑動变阻（0～1M）110uF電容10.01uF電容3開关9七、安装及调试中出現的問題和处理措施1.碰到的問題：连了一部分线後，发既有的芯片放哪都不合适，怎么著都不能防止交叉。处理措施：整体构造布局是很重要的，這直接影响後来的连线，在開始连线之前一定要合理的规划好怎样放置每個芯片。首先要保证電路功能和性能指標，在此基础上满足工艺性的规定。用Portel画電路图時注意芯片的布局，尽量防止電线相交叉。然後按電路图所示，分高频低频两大块，安排好各芯片的位置。2.碰到的問題：连线時发現好多地方不可防止出現了交叉的現象。处理措施：连线规定保持导线横平竖直，紧贴面包板，尽量使其不要交叉，使得工艺美观，故连线之前要熟悉面包板的特性，清晰的懂得哪些孔之间是互相接通的，碰到导线要交叉時，便可将导线剪断，再巧借面包板上的孔在内部将导线连起来。一般来說，先接某些地线和電源线，由于所有芯片都要接地和電源的，然後按照電路图和整体构造布局用导线依次连接各管脚。如無防止交叉则应不一样类别的导线用不一样的颜色那样虽然交叉了也轻易辨别。3.碰到的問題：显示矩阵上有几种點總是不會亮。处理措施：运用老師給我們的显示矩阵管脚對每個二极管的控制关系，用萬用表测试，若二极管還是不亮，阐明給二极管已壞，是显示矩阵自身的問題；若二极管亮了，阐明是接线問題，就要再检查连线。检查连线時，用一根导线，一端接地，一段分别接触138和2864的各個与點阵相连的管脚，查看是哪一种管脚没有连接好。哪一行或者那一列不亮時為连接不好。4.碰到的問題：线路對的连接完毕後，打開電源，不過显示矩阵的显示并不是理想设计的持续状态，而是断续的杂乱無章的。处理措施：有也許是74LS161计数芯片不起作用，因此在试验開始之前要對各元件认真检查并進行检测，保证元件完好，可以防止出現壞的元件給後来的调试带来麻烦。而本次试验最大的败笔就在于此。由于事先没有认真检查芯片，而後得不到對的的成果都還认為是连线的問題，從而挥霍诸多的時间，做了诸多的無用功。對于74LS161，我們就将其输出接到四個高下電平指示灯上，給各脉冲，看与否是16進制次序计数。至于電阻，我們不仅會观测其色环，還會用萬用表直接测其阻值。检查過後才发現本来试验室裏面有一种批次的161也許都存在問題，它的计数不是规律的16進制，然後我們把這個問題反应給了老師。5.碰到的問題：显示矩阵只會显示一幅图案，不是正常的循环显示所有图形。处理措施：正常工作状态下，显示矩阵应當是自動、持续循环EEPROM内的图形，检查後发現显示矩阵只會显示一幅图形是由于74LS161的置数端被置為有效，则此時本系统有是在执行选画功能，可以通過变化选画開关来选画。阐明：本系统中開关较多，有6個选画開关、1個暂停開关、1個清零開关和1個选画開关，我們应當弄懂各開关闭合、断開与其所對应的系统的工作状态之间的关系，才能在调试時得到想要的成果。6.碰到的問題：對EEPROM编程後，接到面包板上當作果，不過只能显示所编的一部分图形，并且每個图形显示一次之後總會出現一次全亮的状态，才會再显示下一种图形。处理措施：這是编程出了問題，EEPROM内一种單元有16位，不過编写一种图形只要8位，我們在编程時输入8位後就進入下一种單元的输入，直到最终输入64幅图的程序。用電脑讀出之前写入EEPROM的程序，发現背面图形的程序已經超過系统對EEPROM的寻址范围，因此這些图形是無法显示的；在每個單元没编的後8位默认是高電平，故每次显示完一幅图就會显示一次全亮的状态，對的的编程措施是在一种單元内写入两幅图形的程序，那么图形就會持续显示了。八、課程设计感想為期两周的電子電工課程设计結束了，本次課程设计分為两個阶段。1.理论设计阶段：规定同學們根据課題自行设计電路，选择元件，确定调试和测试方案。這是整個課程设计的基础，把電路设计好了，才談得上实現功能；同步這也是最难的一种部分，此前我們接触的那些试验都是很短、很基础的，并且均有了原理图，只要我們连接线路将其功能实現出来就可以了，不過這次在課程设计中我們要把本来的許多知识组合起来才能完毕的任务，這對我們来是說是一次考验。因此在這個星期裏我和同组的同學到图書馆借来诸多参照書，還上网找了某些资料，我們對相似的试验進行分析，一步步搞懂，把能借鉴的地方用到自已的试验中来，终于设计出電路图。2．实际動手装配、调试、测试及验收阶段：来到试验室看到样品，覺得好复杂啊，那么多线，還不能交叉，既要实現功能還要保证工艺美观，不轻易啊，不過我們會全力以赴做到最佳。我們以最快的速度接好线，開始了課程设计中的又一种难題，就是调试。打開開关後显示矩阵并不正常，故按照模块，一块一块地检查。從脉冲发生器開始，先對比電路图看与否接錯，然後用示波器接到其输出端看输出波形与否是方波，并且可以從示波器上讀出周期与理论值相比较；检查计数器就把其输出端接到八段数码显