四花样彩灯控制器实验报告.docx

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四花样彩灯控制器实验报告

课程设计说明书

课程设计名称：

电子技术（数字电路部分）课程设计

课程设计题目：

四花样彩灯控制器

学院名称：

信息工程学院

专业：

电子信息工程班级：

****

学号：

**姓名：

***

评分：

教师：

2014年6月10日

数字逻辑课程设计任务书

2013－2014学年第二学期　第15周－16周

题目

四花样彩灯控制器

内容及要求

内容：

设计一四花样自动切换的彩灯控制器，

要求：

（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1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭；

（5）四种花样自动变换；

进度安排：

1、根据任务要求，查阅相关资料，完成设计的前期工作；（两天）

2、根据资料，进行方案设计并对比论证，完成参数计算；（三天）

3、库房领取元器件，联接电路，完成电路调试；（五天）

4、检查完毕后，撰写实验报告。

学生姓名

指导时间

指导地点：

综合楼中509室

任务下达

2014年5月26日

任务完成

2014年6月6日

考核方式

1.评阅□　2.答辩□3.实际操作√　4.其它□

指导教师

系（部）主任

注：

1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、

第1章前言

彩灯控制器有着非常广泛的运用，如：

LED彩灯，音乐彩灯控制器，二维彩灯控制器等等。

随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。

LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。

但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。

优易LED全彩灯光控制系统由ColorEdit编辑软件、主控器、分控器和LED光源组成，广泛应用于城市景观、风景名胜、道路桥梁、建筑轮廓、娱乐场所、户外广告、室内装饰等美化、亮化工程。

二维彩灯控制器可控制五路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭。

若将一定数量的彩色灯组合联接，就能营造出平面上色彩变化的场景，这比通常控制一条线上的色彩流动更加丰富绚丽。

控制器采用数字集成块，外围元器件少、电路结构简单，只要元器件完好、装接无误，装后无须调试即可一举成功。

音乐彩灯控制器是专用于卡拉ok厅KTV包房的彩灯控制设备，其最大优点是不与电视音响等设备有任何连接，本设备通过检测包房里的环境音频信号强弱来控制通过彩灯的电流大小（即亮暗程度）来烘托娱乐的兴趣的目的，也就是随着声音的大小而使彩灯闪烁，歌声和彩灯一起跳动，从而让唱歌人激情高涨，留连忘返。

本课题研究的是四花样彩灯控制器，应用的是数字逻辑电路的有关知识，是进行复杂设计的基础，对进行复杂彩灯设计具有指导意义

1.1摘要：

彩灯控制器在我门日常生活中有重要的运用，如广告牌的设计和节日彩灯的设计都能运用到它的原理。

本次设计的四花样彩灯控制器是其中较简单的，但这是进行复杂设计的基础。

本次课程设计要设计一个四花样彩灯控制器。

首先要分析设计要求，从要实现四花样入手推导出要使用的芯片。

可通过八位右移寄存器74LS164实现八个彩灯的向右移动，从它的右移输入端输入四种码来实现它的四种花样。

根据四种花样确定这四种码，可通过模十六计数器74LS161的输出端接与门74LS08和非门74LS04产生。

要实现彩灯的自动转换，把四种码输入四选一数据选择器74LS153的四个输入端，它的地址输入端接双D触发器74LS74的两个输出端，74LS74可产生四种循环的状态，从而实现彩灯的自动转换。

时钟信号由两个555产生，一个产生周期为0.721秒的矩形脉冲控制模十六计数器74LS161和八位右移寄存器74LS164,另一个产生周期为14.01秒的脉冲控制双D触发器。

当彩灯完成一种花样时，双D触发器输出状态改变，数据选择器选择另一种码输出，彩灯变为下一种花样，直到完成四种花样再循环变化。

经实验验证，所设计的四花样彩器能完成四花样变换。

关键词时钟脉冲；分频；自动转换；控制器；数据选器

1.2设计要求：

基本要求：

设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现

（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1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭；

（5）四种花样自动变换；

1.3主要参考元器：

555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，与门74LS08，非门74LS04，四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164。

第2章系统组成及工作原理

把四花样彩灯设计分为几个独立的功能模块进行设计,每一个模块完成特定的功能,再把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，它们分别是：

四种码产生电路、开关电路、数据输出、时钟电路。

设计框图如图

2.1各模块的组成及功能分析：

1.四种码产生电路:

由模十六计数器74LS161、与门74LS08和非门74LS04组成，计数器的四个输出端接组合逻辑门从而产生四种码。

2.时钟电路：

由两个555和电阻电容组成，构成两个多谐振荡器，一个周期为0．721秒，控制计数器和寄存器，另一个周期为14.01秒，控制双D触发器。

3.数据输出电路：

由八位移位寄存器74LS164和八个彩灯组成，选择输出的每一种码输入到寄存器的数据输入端，使码在寄存器的八个输出端自左向右移动，实现彩灯的花样。

4.自动转换控制电路：

由双D触发器74LS74和四选一数据选择器74LS153组成，双D的两输出端接数据选择器的地址输入端，它能产生两位循环二进制码，每改变一种状态，数据选择器选择一种码输出，使彩灯花样自动循环。

2.2工作原理分析：

从多谐振荡器出来的脉冲信号分为两路：

一路作为计数脉冲送到模十六计数器；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器。

调节多谐振荡器的电阻可以改变震荡频率，即改变彩灯移动的速度，得到不同的动态效果。

多谐振荡器、双D触发器、数据选择器共同组成一个电子开关。

多谐振荡器输出的计数脉冲经双D触发器两位二进制计数器，在它的两个输出端得到00、01、10、11四种逻辑状态。

这四个状态作为数据选择器的四个数据通道选择信号，对应从模十六计数器输送到数据选择器的QA，QB，QC，QD四个分频信号。

其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。

当双D触发器输出为“00”时，数据选择器输出10000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样一；为“10”时，数据选择器输出11000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样二；为“01”时数据选择器输出11110000序列脉冲，为八分频信号，实现花样三；为“11”时数据选择器输出1111111100000000序列脉冲，为十六分频信号，实现花样四。

调节开关电路的CP脉冲产生电路的电阻，可以改变开关的切换时间用以选择每种花样出现时间的长短。

数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端，在时钟脉冲的作用下，数据在移位寄存器的八位并行输出端从Q0到Q7顺序移动。

移动的八位控制信号直接控制发光二极管的亮灭，就出现了八路四花样自动循环切换的流水彩灯。

第3章电路设计

3.1电路图设计：

将各单元电路组织起来就得到了系统电路图，如附录1所示：

本电路图设计简单、结构清晰，可分为四种码产生电路、开关电路、输出电路和时钟电路这四个模块。

四种码产生电路由模十六计数器和组合逻辑门构成，开关电路由双D触发器和数据选择器构成，输出电路由移位寄存器和彩灯构成，时钟电路由两个555构成。

通过改变多谐振荡器的电阻可改变彩灯流动的速度和各花样持续的时间，实现了彩灯花样的动态变化，增强了控制器的灵活性。

彩灯控制器电原理图如图所示。

ICl、IC2由555接成多谐振荡器。

IC3由4位2进制计数器74LS93接成16进制计数器，其4个输出端可分别输出对计数脉冲的2、4、8、16分频信号。

IC4是双D触发器74LS74，在这里接成两位2进制加法计数器。

IC5是双4选l数据选择器74LSl53，这里只用了它的一组4选1数据通道。

IC6是3位单向移位寄存器74LSl64，它是产生移动灯光信号的核心器件。

驱动电路用8只三极管组成8路射随器作缓冲放大，去触发作电流开关的8只双向可控硅，以控制彩灯发光。

电路的十5V电源由220V／9V变压器降压，经D1一D4桥式整流，7805稳压后给控制电路供电。

电路图如图

比较方案2电路图

优点:

本电路图设计简单、结构清晰，可分为四种码产生电路、开关电路、输出电路和时钟电路这四个模块。

通过改变多谐振荡器的电阻可改变彩灯流动的速度和各花样持续的时间，实现了彩灯花样的动态变化，增强了控制器的灵活性。

缺点：

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，使彩灯的一种花样完成后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，使得一种花样完成后，数据选择器地址输入端状态改变，正好选择另一组码输出，彩灯花样改变

第4章单元电路设计与计算

4.1时钟脉冲产生电路

时钟脉冲产生电路由NE555定时器、两个电阻和两个电容构成。

555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它可以方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，由于使用灵活、方便，所以555定时器再波形的产生与变换、测量与控制等多种领域都得到广泛应用。

时钟脉冲产生电路主要由555定时器芯片来实现，555芯片管脚图如图4-1所示。

图4-1NE555定时器

555定时器内部机构如图4.1所示，它主要有以下部分组成：

（1）电阻分压器。

由3个5KΩ的电阻组成。

（2）电压比较器。

由C1和C2组成，当控制输入端悬空时，C1和C2的基准电压分别是2/3Vcc和1/3Vcc。

（3）基本RS触发器。

由两个与非门G1和G2构成，对两个比较器输出的电压进行控制。

（4）放电三极管VT。

VT是集成极开路的三极管，VT的集成极作为定时器的引出端D。

（5）缓冲器。

由G3和G4构成，以提高电路的负载能力。

引脚功能:

1脚位接地端；2脚是低电平触发端入端；3脚是输出端；4脚是复位端；5脚是电压控制端；6脚是高电平触发端入端；7脚是放电端；8脚是电源端。

4.2工作原理:

多谐振荡器的输出波形图，如图所示。

接通电源后，VCC经R1，R2给电容C充电。

由于电容上电压不能突变，电源刚接通时Vc=0，当Vc上升到大于Vcc／3时，RD=1，SD=1，基本RS触发器状况不变，即输出端Q仍为高电平，当VC上升到略大于2VCC／3时，Rn=0，SD=1，基本RS触发器置0，输出端Q为低电平。

这时Q=1，使内部放电管饱合导通。

于是电容C经R2和内部放电管放电，Uc按指数规律减小。

当Vc下降略小于Vcc／3时，内部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，基本RS触发器置1，输出高电平。

这时，Q=0，内部放电管截止。

于是C结束放电并重新开始充电。

如此循环不止，输出端就得到一系列矩形脉冲。

4.3时钟电路图如图

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

要用两个555产生两个时钟脉冲,两个时钟电路是相同的。

一个控制74LS161模十六计数器和八位移位寄存器,要能看到彩灯的流动,电阻值和电容值可设为：

R1=1KΩR2=51KΩC=0.1μf

由公式计算得：

T=0.7（1+2*51）*1000*0.1*0.000001=0.0714/S

时钟电路的输出一路作为计数脉冲送到模十六计数器74LS161；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器74LS164。

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=1KΩR2=1MΩC=10μF

由公式计算得：

T=0.7（1+2*1000）*1000*0.1*0.000001=1.428/S

4.4四种码产生电路

四种码产生电路的核心器件是74LS161构成十六位计数器，模十六计数器74LS161芯片管脚图如图4-4所示。

74LS161具有以下功能：

1.同步并行预置数。

当

=1，

=0时，再输入脉冲CP上升沿的作用下，并行输入端的数据dcba被置入计数器的输出端，即（QDQCQBQA）=dcba。

由于这个操作要与CP上升沿同步，所以称为同步预置数。

2.异步清零。

当

＝0，不管其他输入端的状态如何，不论有无时钟CP，计数器输出将直接置零（QDQCQBQA）=0000，称为异步清零。

3.计数。

当

＝

=EP=ET=1时，在CP端输入计数脉冲作用下，计数器进行二进制加法器计数。

4.保持。

当

＝

=1，且EP*ET=0，则计数器保持原状态不变。

这时，如EP＝0、ET=0，则进位信号Oc（Oc=QDQCQBQAET）保持不变；如ET=0则不管EP状态如何，进位信号Oc=0。

74LS08是2输入四正与门集成电路芯片,74LS04是带有4个非门的芯片。

四种码产生电路如图

工作原理：

花样

状态要求

周期（位）

码

一亮一灭，从左向右移动

10000000

两亮两灭，从左向右移动

11000000

四亮四灭，从左向右移动

11110000

从1～8从00左到右逐次点亮，然后逐次熄灭

1111111100000000

四种码产生电路由74LS161构成十六位计数器。

74LS08是2输入四正与门集成电路芯片,74LS04是带有4个非门的芯片，用来控制和改变74LS161输出的数据，使计数器迅速复位。

最终产生四种不同的码，来实现彩灯的四花样。

数据从74LS161十六位计数器的输出端QA，QB，QC，QD输出，经过与门和非门用来控制和改变74LS161输出的数据，最终输入到四选一数据选择器74LS153的数据输入端1C0，1C1，1C2，1C3。

4.5彩灯开关电路

要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、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，实现彩灯的四花样循环。

开关电路图如图4.3所示：

彩灯自动转换控制电路由双D触发器和双四选一数据选择器74LS153，双四选一数据选择器74LS153芯片管脚图如图所示。

设双D触发器的初始状态Q1Q2=00可得，Q1、Q2的状态变换顺序为00—>01—>11—>10—>00，实现四分频。

用双D触发器的输出端Q1、Q2控制选择器的地址输入端，使数据选择器自动选择一种码输出，实现彩灯花样的自动控制。

要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4，也就要使它的地址输入端输入四种状态并循环转变，可用双D触发器实现。

Q1Q2=AB，74LS153数据选择器的功能表如表4-3所示。

表4-3数据选择器功能表

B（Q2）

A（Q1）

工作原理：

数据从多谐振荡器的输出端输出，输入到双D触发器的时钟信号输入端，然后从双D触发器的输出端，输出到双四选一数据选择器74LS153的地址输入端。

由表4-3可知，A、B循环转变，输1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四花样自动循环改变。

4.6花样输出电路设计

花样输出电路由由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。

位移位寄存器74LS164芯片管脚图如图4-8所示。

当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA-QH）均为低电平，串行数据输出端（A，B）

可控制数据。

当A,B任意一个为低电平时，则禁止新的数据输入，在时钟端（CLEAR）脉冲作用下ＱＡ为低电平，当A、B有一个为高电平时则另一个就允许输入数据，并在CELAR上升沿作用下决定QA的状态。

74LS164的引脚功能：

CLOC：

时钟输入端；CELAR：

清除端（低电平有效）；A、B：

行数据输入端；

QA－QH：

输出端

花样输出电路如图所示。

当输入移位寄存器数据输入端的码为10000000时，清零后在移位脉冲CP的作用下，寄存器数码移动情况如表4-4所示。

工作原理输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。

寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。

由表4-4可看出，输入码中的那位高电平“1”从寄存器的输出端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花样。

当输入另外的三种码时，寄存器的数码移动原理相似.

第5章整机电路设计

根据单元电路可得到整机工作原理图，如图

四花样彩灯循环的整机电路图

5.1整机电路工作原理：

由两个多谐振荡器输出脉冲信号，从一个多谐振荡器出来的脉冲信号分为两路：

一路作为计数脉冲送到模十六计数器的时钟脉冲CP端；数据从74LS161十六位计数器的输出端QA，QB，QC，QD输出，经过与门和非门用来控制和改变74LS161输出的数据，最终输入到四选一数据选择器74LS153的数据输入端1C0，1C1，1C2，1C3。

另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器的时钟脉冲信号输入端。

调节多谐振荡器的电阻可以改变震荡频率，即改变彩灯移动的速度，得到不同的动态效果。

从另一个多谐振荡器出来的脉冲信号，输出到双D触发器的时钟信号输入端，由双D触发器实现四分频，用双D触发器的输出端Q1、Q2控制选择器的地址输入端，使数据选择器自动选择一种码输出，实现彩灯花样的自动控制。

然后，从输出端输出到四选一选择器的输入端A，B。

最终，从四选一选择器的输出端输出到八位寄存器的输入端，寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。

第6章结果的调试及分析

6.1.调试使用的主要仪器:

数字万用表直流稳压电源示波器函数信号发生器

6.2测试电路的方法和技巧:

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，用数字万用表检查各模块的功能，发现并改正错误，直到符合要求为止。

6.3.调试中出现的故障、原因及排除方法：

（1）彩灯只有一种花样变化，没有其它的花样：

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，彩灯就能四花样变化。

（2）彩灯的四种花样都有，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，使彩灯的一种花样完成后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，使得一种花样完成后，数据选择器地址输入端状态改变，正好选择另一组码输出，彩灯花样改变。

（3）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是否周期性的高低电平变化，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。

6.4结论：

设计电路关键在于对设计要求的理解分析以及对基本电路相关知识的熟练掌握。

设计电路时，将总体的功能分成若干个部分来实现，是简化电路设计思路的很好方法；且搞清各个模块的功能与实现要求操作的具体方法，对电路故障的检查也是很有帮助。

通过这次设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，与实际设计的结合锻炼了我综合运用所学的专业基础知识的能力，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力、抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。

这是我们都希望看到的也正是我们进行课程设计的目的所在

此外，这次课设还让我们学到很多，包括焊接技术。

也吸取了很多教训。

真正提高了动手能力，学会获取资料，活跃了自己的思维，巩固了所学知识。

第7章电路仿真

仿真电路

本设计采用MULTISIM仿真软件对硬件部分进行仿真。

仿真电路图如图6-1所示。

（1）当U3A和U3B为低电平时，1个彩灯亮。

如图所示。

（2）当U3A为高电平，U3B为低电平时，2个彩灯亮。

如图所示。

（3）当U3A为低电平，U3B为高电平时，4个彩灯亮。

如图所示。

（4）当U3A和U3B为高电平时，8个彩灯全亮。

如图所示。

参考文献

1.康华光.数字电子技.高等教育出版社，2002

2.王毓银.数字电路逻辑设.北京：

高等教育出版社，2006

3.雷勇,电工电子技术实验.成都：

四川大学出版社，2002

5.宋万年.模拟数字电路实验.上海：

复旦大学出版社，2004

6.陈先龙.电子技术基础实验.北京：

国防工业出版社，2006

附录元器件明细表

项目

代号

名称、型号、规格

数量

备注

更改

电阻器

R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8

GB8551-87

RT―0.125―b―0.47kΩ―±10%

R9、R11

GB8551-87

RT―0.125―b―1kΩ―±10%

R10

GB8551-

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