彩灯控制器实验报告.docx

1、彩灯控制器实验报告电工电子课程设计I题目名称：彩灯控制器 指导教师： 姓 名： 学 号： 专业班级： 日 期：电子技术课程设计是配合电子技术基础课程与实验教学的一个非常重要的 教学环节。它是电气信息类专业学生的重要基础实践课， 也是工科专业的必修课， 能巩固电子技术的理论知识，提高电子电路的设计水平，加强综合分析问题和解 决问题的能力，进一步培养学生的实验技能和动手能力， 启发学生的创新意识及 创新思维。完成本次课程设计，对进行毕业设计及毕业后从事电子技术方面的工 作都有很大的帮助。近年来，由于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规模集成电路，不

2、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。因此用集成电路来实现更多 更复杂的器件功能则成为必然。现代生活中，彩灯越来越成为人们的装饰品，它不仅能美化环境，渲染气氛, 还可用于娱乐场所和电子玩具中，现以该课题为例进行分析与设计可编程的彩灯 控制的电路很多，构成方式和采用的集成片种类、 数目更是五花八门，而且有专 门的可编程循环彩灯控制电路。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器主要用计数器，译码器，分配器 和移位寄存器等集成。本次设计的可编程彩灯控制电路就是用寄存器、计数器和 译码器等来实现，其特点是用发光二极管显示

3、，实现可预置编程循环功能、八前 言1一、课题设计任务及要求.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、脉冲发生电路72、控制电路和译码电路103、存储电路124 、数码管显示电路.14六、元器件清单15七、安装及调试中出现的问题和解决方法 15八、设计感想17附录、实验电路图20二、实验电路连接图.21三、参考文献21、 课 题设计任务及要求课题名称：可编程彩灯控制器设计任务及要求：通过对硬件编程，将图形、文字、动画存储在 E2PROM 中，通过计数器 控制图形、文字、动画的地址，在利用显示矩阵显示出来。系统所显示的内 容可反复循环，直至手动清零，

4、便可回到初始地址。1、设计脉冲产生电路、图形控制电路和存储电路；2、 用发光二极管点阵（8X 8）作为显示电路，显示内容的动面感要强。3、 图形能连续循环，图形大于64幅，图形显示间隔在20ms2s范围内连续 可调；4、 能手动清零功能，有自动选画功能；5、 完成电路全部设计后，通过实验箱验证设计课题的正确性。二、设计目的 本课程设计主要是为了实现可编程彩灯控制的功能，且通过本次电子课程 设计，了解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， 能灵活运用已学过或者类似的集成块构成电路实现上述功能， 还能灵活掌握 555 电路的应用方法。能用仿真软件对电子线路进行仿真设计，还

5、能用 Portel 等软 件绘制PCB图，掌握了电子电路调试的方法，且能独立解决设计与调试过程中出 现的一般问题，并进一步掌握 EEPRO的编程方法和应用。三、 优选设计方案方案 A：根据设计要求，本系统由控制电路，编码发生电路和输出驱动电路等组成。其彩灯控制器的总体设计思想如下:1.编码发生器编码发生器根据花形要求，按节拍送出 64位状态编码信号，以控制彩灯按规律亮或灭。因为彩灯路数少，花形要求不多，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来实现。74LS194具有异步清除和同步预置、左移、右移和保持等 多种功能，控制方便灵活

6、。64路彩灯采用两片74LS194组成64位移位寄存 器，花形设计比较灵活。移位寄存器的 64个输出信号通过驱动电路控制电 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。2.控制电路控制电路为编码器提供所需的节拍脉冲和驱动信号，控制整个系统工作。控 制电路的功能有两个：一是按需要产生节拍脉冲；二是产生移位寄存器所需 要的各种驱动信号。控制电路设计通常按照下述步骤进行：逐一分析单一花 形运行，移位寄存器的工作方式和驱动要求，按照工作状态决定 74LS194移位寄存器工作的状态顺序，同时是分析移位寄存器工作方式和驱动要求的依 据

7、。万案B：采用555定时器输出脉冲，高频通过计数器控制电路和译码电路， 不断刷新 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，可以设计一个 64进制的计数器，即可显示 64幅图，此低频接在EEPRO的高位，而高频计数器控制电路的输出接在 EEPRO的低三位。即高位决 定显示哪幅画，低位表示每幅图形的每列的显示。显然，方案B比较合理而且能实现课程设计的要求， 采用方案B来进行课程 设计。四、整体设计思想及原理框图本系统可设计为四个模块：1.脉冲发生电路采用两个555定时器组成振荡器，一个产生高频和一个产生可调低频。高频 通过计数器控制电路和译码电路，不断

8、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.图形控制电路用74LS161芯片设计一个64进制的计数器，以显示64幅图，其中低片计数 器构成16进制，高片计数器构成 4进制，并且将低频通过计数控制电路接在 EEPRO的高位，从而选择显示哪一幅画。而高频通过计数器控制电路接在 EEPROM 的低三位，不断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个发光二极管组成，把译码器输出接在显示矩阵的阴级进行行控制， EEPROM接在显示矩阵的阳极进行列控制， 只有同时导通时，二极管才亮。译码电路是低 电平有效，每次只有一个输出有效，所以需要快速进新刷新，故将高频通过计数

9、 器控制电路接在译码电路的输入端。3.数码管显示电路当前8X8显示矩阵显示的是哪一幅画，可以通过2个数码管显示出来。其中 第一个数码管显示该画面所在的组别，另一个显示该幅画为这个组别的第几幅画。由于上面设计为16X4的64进制计数器控制显示画面。故可以设计四种组合, 每一个组合为16副画4.存储电路显示什么样的图形就决定于 EEPRO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端实现。手动选画功能： 当低频计数器的PE端为高电平时，图形自动连续循环；当PE端为低电平时，计 数器处于置数功能，可通过选画开关选择需要显示的图画， 其中高片计数通过置 数选择画面组

10、别，低频计数器通过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R，当R =0时，计数器实现清零功能。原理框图如下:五、各模块设计与分析根据设计要求，本系统由脉冲发生电路、控制电路、译码驱动电路、存储矩阵和显示电路等几部分构成可编程彩灯控制电路。A.脉冲发生电路1、555定时器的组成和功能内部组成框图：它主要由两个高精度电压比较器 A1、A2, 个RS触发器, 一个放电三极管和三个5KQ电阻的分压器而构成。（如下图所示）RdVcc8引脚图及其功能1脚：外接电源负端vss或接地，一般情况下接地3脚：输出端Vo2脚：TL低触发端i 6脚：TH高触发端4脚：Rd是直接清零端。当Rd端

11、接低电平，则时基电路不工作，此时不论 TL、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：Vco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0.01卩F电容接地，以防引入干扰。7脚：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。8脚：外接电源Vcc,双极型时基电路 VCC的范围是4.5 16V，CMO型时基电 路Vcc的范围为3 18V。一般用5V。功能介绍：在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器 A1、A2基准电压分别为2/3V，1/3V 的情况下，555时基电路的功能表如下表所示。清零端rd高触发端TH低触发

12、端tlQn+1放电管T功能00导通直接清零123Vcc1一 Vcc30导通置012Vcc3Vcc31截止置112Vcc3 CCVcc3 CCQn不变保持.555定时器构成的多谐振荡器工作原理 接通电源后，假定 Vd是咼电平，则T截止，电容C充电。充电回路是 W RR C-地，VC按指数规律上升，当VC上升到2/3Vcc时（THTL端电平大于2/3VQ，输出V0翻转为低电平。VC按指数规律下降，当翻转为高电平，放电管Vo是低电平，T导通，C放电，放电回路为C R2 T 地,Vc下降到1/3VccW（TH TL端电平小于1/3Vcc），Vo输出T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可

13、得:T R1 2R2输出方波的占空比2、本模块工作原理介绍脉冲发生电路主要用来产生时间基准信号（脉冲信号）。因为可编程循环彩灯对 频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以 采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。本系统采 用两片555定时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。由于人眼每秒可分辨出 24幅图，而高频计数器采用 8进制，作为刷新频率的脉冲，此高频刷新电 路输出脉冲的频率 应大于 24*8=192Hz,这样便可以显示整幅的画面。低频脉冲发生器用于提供计数电路的 脉冲，它能决定画面显示的

14、速率。速率的调节可通过调节滑动电阻（ 01M来实现1.74LS138功能介绍74LS138是一种常见的3线8线译码器，它的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平1,则芯片处于不工作状态；要么只有一个为低电平 0,其余7个输出引脚全为高电平1如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。其功能表如下:7T输tS-&監、打養札爲0疋X疋11111111声1KT声111111111100011111111a001101111111U0101iC1111LID111110111110100L1110111101011i111011011a11111101101L1L1111110当附加控制门的

15、输出为高电平（S= 1）时，可由逻辑图写出r 耳=44 =阿 = 44 =阻IKAAA g%=&召A二住K = A44 =汽霜=444 =聊由上式可以看出，输出是这三个输入变量的全部最小项的译码输出，所以也2.74LS161功能介绍74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能74LS161引脚图管脚图TC:进位输出(TC=Q0 Q1- Q2- Q3- ET)74LS161功能表清零控制信号预置端预賈数输人竭时钟输岀REp血PEPo P Pt 片CPQi Qi Qj0X XXX X X XX0 0 0 010P

16、a P Pa P4tPc Pi P2 E74LS1 从74L 161真值表si6i真值表X 0自功能表中口1以知述当青零端X X X XCR=X“0”,计数器输出Q11】1X X X Xt计数当R=0时，Q3 Q2 Q1、Q0立即为全“ 0”，这个时候为异步复位功能；当 R =1且PE=0时，在CP信号上升沿作用后，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的状态一样，为同步置数功能。而只有当r=pe=EP=ET=1 CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端TC,其逻辑关系是TC= Q0- Q1- Q2- Q3- ET

17、。应用计数器的清零功能和 置数功能，可实现本系统中清零、选画的功能。3、本模块工作原理介绍控制电路控制电路由3片74LS161计数器和3位二进制译码器74LS138组成，其中一 片74LS161连接高频脉冲发生器和译码器 74LS138，对显示矩阵电路进行行 扫描和控制；另两片74LS161构成高低两片计数器，共同控制选画，置位， 暂停等功能。(2)译码电路由一片74LS161和一片74LS138构成高频计数器和译码控制电路，由两片74LS161构成低频计C. 4 .Jf, J.I L2TH-I恤T95#C.存储电路存储电路用芯片EEPROM286来存储不同画面的程序。EEPROM28的低三位

18、地址线AO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EEPROM286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11000000447E40000020000001818000000300001824241800004003C424242423C0053C4281999981423C600001824241800007003C424242423C0083C4281999981423C9000018242418000010003C424242423C00113C42818181

19、81423C12003C424242423C0013000018242418000014000000181800000015000018242418000016003C424242423C001720000F292929E00001820F0200000000000190000020F02083C082020F0200000083C08210000020F020000002220F0220F02083C0823000000000000000024星星闪烁20F0220F02083C082520F0200000000000260000020F02083C082720F0200000083C082

20、80000020F020000002920F0220F02083C083000000000000000003120F0220F02083C083200000000000000003330000929292FE0000340000F8000800000035000078080800000036000078090800000037000038090C00000038000018090E00000039贪000008090F00000040食040008090F00000041蛇040001090F00000042040101010F000000430501010107000000440701010

21、10300000045070101010B000000460F01010109000000470F09010108000000480F0909000800000049400181412FF10100050040000000000000051040200000000000052040202000000000053依 次040202040000000054040202040400000055a040202040402000056画040202040402020057出040202040402020458笑 脸040222040402020459040222440402020460040222444

22、402020461040222444422020462040222444422020463宀 完1692F61F1FF69296641692F61F1FF69296D.存储电路实验中用以两个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是一个二-十进制译码器，其输出端直接接到数码管即可，设计的电路如 下：GND六、元器件清单元器件名称件数555定时器274LS161374LS1381EEPROM286418*8显示点阵1100K电阻21K电阻2750K电阻1滑动变阻（01M110uF电容10.01uF电容3开关9七、安装及调试中出现的问题和解决方法1.遇到的问题：连了

23、一部分线后，发现有的芯片放哪都不合适，怎么着都不 能避免交叉。解决方法：整体结构布局是很重要的，这直接影响以后的连线，在开始连 线之前一定要合理的规划好如何放置每个芯片。首先要保证电路功能和性能 指标，在此基础上满足工艺性的要求。用 Portel画电路图时注意芯片的布局，尽量避免电线相交叉。然后按电路图所示，分高频低频两大块，安排好各芯片的位置。2. 遇到的问题： 连线时发现好多地方不可避免出现了交叉的现象。 解决方法：连线要求保持导线横平竖直，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，清楚的知道哪些孔之间是 相互接通的，遇到导线要交叉时，便可将导线剪断，再巧

24、借面包板上的孔在 内部将导线连起来。一般来说，先接一些地线和电源线，因为所有芯片都要 接地和电源的，然后按照电路图和整体结构布局用导线依次连接各管脚。如 无避免交叉则应不同类别的导线用不同的颜色那样即使交叉了也容易分辨。3. 遇到的问题： 显示矩阵上有几个点总是不会亮。 解决方法：利用老师给我们的显示矩阵管脚对每个二极管的控制关系，用 万用表测试，若二极管还是不亮，说明给二极管已坏，是显示矩阵本身的问 题；若二极管亮了，说明是接线问题，就要再检查连线。检查连线时，用一 根导线，一端接地，一段分别接触 138 和 2864 的各个与点阵相连的管脚， 查看是哪一个管脚没有连接好。哪一行或者那一列不

25、亮时为连接不好。4.遇到的问题： 线路正确连接完毕后，打开电源，但是显示矩阵的显示并不 是理想设计的连续状态，而是断续的杂乱无章的。解决方法：有可能是74LS161计数芯片不起作用，所以在实验开始之前要对 各元件认真检查并进行检测，确保元件完好，可以避免出现坏的元件给以后 的调试带来麻烦。而此次实验最大的败笔就在于此。由于事先没有认真检查 芯片，而后得不到正确的结果都还以为是连线的问题， 从而浪费很多的时间， 做了很多的无用功。对于 74LS161,我们就将其输出接到四个高低电平指示 灯上，给各脉冲，看是否是 16 进制顺序计数。至于电阻，我们不但会观察 其色环，还会用万用表直接测其阻值 。 检查过后才发现原来实验室里面有一 个批次的 161 可能都存在问题，它的计数不是规律的 16 进制，然后我们把 这个问题反映给了老师。5.遇到的问题：显示矩阵只会显示一幅图案，不是正常的循环显示所有图