彩灯控制器.docx
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彩灯控制器
第1章课题构思
用集成电路设计一台彩灯控制器。
用计数器和译码器设计制作一个双色三循环方式彩灯控制器。
（1）控制器有8路输出，每路用双色发光二极管指示。
（2）控制器有3种循环方式：
方式A：
单绿左移一单绿右移一单红左移一单红右移；
方式B：
单绿左移一全熄延时伴声音；
方式C：
单红右移一四灯红闪、四灯绿闪延时。
（3）由单刀三掷开关控制3种方式，每种方式用单色发光二极管指示。
（4）相邻两灯点亮时间约在0.2～0.6s间可调，延时时间约在1～6s间可调。
（5）要求用10V电源设计。
第2章设计方案及选用
方案一：
采用16个限流电阻。
方案二：
采用8个限流电阻。
方案三：
采用一个限流电阻。
方案比较：
采用16个限流电阻时，各元器件均能很好的承受电路中的电流，不会超过额定电流范围，比较安全。
但是器件的数量过多，显的电路过于复杂，所以不予采用。
采用8个限流电阻时，每个电阻流过的电流一般为20～30mA。
一般发光二极管的极限电流为20～30mA，压降为2V，电流取为10～15mA以保证有足够的亮度，而且不会损坏发光二极管。
而采用1个限流电阻时，其中流过的电流会达到20ⅹ16=320mA，显然电流比较大，电阻会出现过热的现象。
综上所知选择采用8个限流电阻的电路更为合理。
第3章设计原理框图
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，因此，本课题选用中小规模集成电路来设计，以提高学生综合运用数字电路的能力。
本控制器应由方式选择、计数器、译码器、LED显示电路、振荡器、控制电路、延时电路、蜂呜器等组成，其框图如图2.1所示。
图2.1双色三循环方式彩灯控制器框图
第4章核心器件介绍
本控制器的核心元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位二进制加／减计数器（单时钟），其引脚如图6.35示。
CC4516有5种功能：
置数、清零、不计数、加计数、减计数，具体功能如表6-2所示。
CC4514是4位锁存／4线—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，O0～O15保持EL置“0”前的电平；禁止端/E为高电平时，O0～O15输出全为低电平；因此，CC4514若作为译码器使用时，EL应接高电平，E应接低电平，CC4514的外引脚如图4.1。
图4.1CC4516和CC4514引脚图
表6—2CC4516功能表
CP
CE
UP/DN
PL
MR
功能
×
×
×
1
0
置数，既把数P3P2P1P0送O3O2O1O0中
×
×
×
×
1
清零，即O3O2O1O0全为零
×
1
×
0
0
不计数，即O3O2O1O0保持不变
↑
0
1
0
0
加数器
↑
0
0
0
0
减数器
第5章设计过程及工作原理
5.1LED显示电路
LED显示电路如图5.1所示。
图5.1LED显示电路
O0～O15为译码器4514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5.1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、和1个限流电阻），奔控制器采用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。
5.2振荡器
振荡器有多种振荡器电路，图5.2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（R1+2R2）C。
5.3触发器
循环方式A的设计思路如下：
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O15时变为减法计数，减法计数到O0时再变为加法计数，这可用触发器控制计数器的UP／/DN端来实现。
图5.3（a）所示为由D触发器构成的二分频电路，O15和O0作为时钟信号，一个时钟触发器的状态翻转一次。
图5.3（b）是利用D触发器的直接置“1”端和直接置“0”端来实现触发器的状态转换。
图5.3（c）和（d）是由门电路组成的基本RS触发器，图5.3（c）RS输入为高电平有效，因此O15与O0可直接作为S与R的
（a）（b）
图5.2振荡器
（c）（d）
图5.3触发器控制电路
输入。
图5.3（d）输入为低电平有效，O15，O0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5.3所示的几种电路都能达到控制的作用。
5.4延时电路
循环方式B的设计思路如下：
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门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5.4为与非门构成的微分型单稳态电路，其中Cd，Rd为微分电路，当μi为窄脉冲触发时，Cd与Rd可省略。
O15的下降沿作为单稳态电路的触发信号，因此O15要经微分和限幅后再触发单稳态电路。
延时时间由RC决定。
555构成的单稳态电路如图5.5所示，C1R1和VD起微分限幅作用。
因为本电路要求低电平触发，没有触发的时候555的第2脚要为高电平，所以要接R2，对于Rl和R2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1／3VDD，触发的时候电压小于1／3VDD。
延时时间由RP和C2决定。
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的功能，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。
图5.4微分型单稳态电路图5.5555构成的单稳态电路
方式C的循环过程可表示为：
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种循环方式要相互隔离，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。
控制器的电原理图详见附录一。
5.5工作原理
选选择方式A，指示灯LED8亮，VDl9导通，开关刚接通瞬间C4短路，IC2的PL=l，IC2计数器置数“1000”，电源接通瞬间，C2短路，触发器直接置零端尺R=1，触发器直接置零，即IC2的UP／DN=1，计数器从“1000”开始计数，C2充电结束后，触发器R=0，不起作用。
当计数到“1111”时，O15=1，VD2导通，同时IC4A导通，触发器翻转，UP／DN=0，计数器递减计数。
当计数到“0000”时，O0=1，VDl导通，D触发器又翻转，UP／DN=1，计数器又开始递增计数。
也就是说，递增计数到“1111”时触发器翻转一次，递减计数到“0000”时触发器又翻转一次。
选择方式B，指示灯LED9亮，VD20导通，开关刚接通瞬间，C4短路，PL=1，IC2计数器置数“1000”，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“1000”开始计数，IC4A断开，D触发器输出不变，UP／/DN一直为“1”，计数器始终递增计数。
当计数到“1111”时，O15=1，IC8B导通，当O15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，IC8C导通，VTl导通，蜂鸣器响。
延迟时IC4C导通，PL=I，计数器始终在置数“1000”，延迟结束时，E=0，计数器又从“1000”开始计数。
选择方式C，指示灯LEDl0亮，开关刚接通瞬间，C3短路，MR=I，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，当计数到“0111”时，O7=1，因IC8A导通，当O7从高电平变为低电平时，触发单稳态电路，IC6输出为高电平，E=1，IC3的O0～O15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发射极输出脉冲信号送到双色发光二极管，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。
第6章仿真分析
对于本控制器的3种循环方式，若全部进行仿真，所画出的仿真电原理图很复杂，因此这里仅选择方式A进行仿真。
6.1控制器（方式A）的仿真电原理图
在EWB中，从元器件库中调出各种电阻、电容、集成块、发光二极管等元器件。
在EWB6.0版本中无双色三极发光二极管，可用两个发光二极管代替，其中一个用红色发光二极管，一个用绿色发光二极管。
在EWB6.0版本中，发光二极管亮时，红色发光二极管的双箭头会由空心变为红色实心，绿色发光二极管则由空心变为绿色实心。
元器件调出后，对元器件在平台上的位置做适当调整，使布局比较合理。
循环彩灯控制器仿真电原理图详见附录二。
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，高电平时指示灯亮，低电平时指示灯不亮。
灯泡Xl采用虚拟灯泡，双击灯泡将其工作电压设置为220V。
继电器K1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，将交流电源的工作电压设置为220V，工作频率设置为50Hz。
XSCl为示波器图标。
在画原理图时要注意，由于CMOS集成电路不用的输入端绝对不允许悬空，因此应根据逻辑要求将不用的输入端接高电平或低电平，如4013的CPl，D1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。
6.2仿真过程
检查电原理图无误后，可接通电源以模拟循环过程。
由于电源接通瞬间，电容C2，C3相当于短路，使D触发器直接置零端有效，CC4516的置数端PL有效，CC4516置数“1000”，使发光二极管从LED8开始点亮并往上移动。
但EWB6.0不能模拟电源接通瞬间电容相当于短路这一过程（在实际电路中是可行的），因此，电源接通后，发光二极管不一定从LED开始点亮，计数器可能递增计数也可能递减计数，但这种现象只会影响第一个循环周期，对循环过程没有影响。
只要绿色灯LEDl5亮，就会使D触发器置“1”，从而使计数器递减计数，发光二极管灯亮顺序按LEDl5→LEDl4→…→LED8→LED7→…→LEDl→LED0的规律变化，此时指示灯X2不亮。
只要红色灯LED0亮，就会使D触发器置“0”，从而使计数器递增计数，发光二极管灯亮顺序按LED0→LEDl→…→LED7→LED8→…→LEDl4→LEDl5规律变化，此时指示灯X2点亮。
当LEDl5亮时，三极管VT导通，继电器K1吸合，灯泡Xl亮。
说明8只双色发光二极管可以用16只彩灯代替。
按a键或A键，改变电位器的百分比值，观察灯移动的速度。
百分比值增大时，灯移动的速度应加快。
取不同的百分比值，用示波器测量振荡器的周期。
示波器扫描时间的设置以示波器屏幕上显示2～3个周期的波形为宜。
通过电流表显示通过发光二极管的电流，改变限流电阻的阻值，观察发光二极管亮时毫安表数值的变化。
将ICl的第4脚复位端接地，用示波器观察555的第3脚输出端，此时振荡器没有振荡信号产生，LED0～LEDl5中某个灯亮。
将ICl的第4脚复位端接VDD，将4514的第1脚接地，观察发光二极管灯亮的现象，此时LED0～LEDl5中某个灯亮。
若将4514的第23脚禁止端E接VDD，此时LED0—LED15全部不亮。
第7章安装、调试及功能实现
7.1安装
根据PCB图制作印制板，根据工艺要求和电路原理图正确安装元器件，焊接MOS集成电路时，要求烙铁接地良好，最好断开电源用烙铁余热焊接。
在焊接音乐片上的三极管和音乐片的引线时，烙铁速度要快。
7.2调试
搭接完毕后先检查是否多线、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。
三脚双色发光二极管中间的最长脚为公共负极，第二长的脚为红色正极，最短的脚为绿色正极。
通电调试主要从以下几个方面进行：
（1）检查振荡器是否振荡。
如果双色发光二极管灯亮并左右移动，说明振荡器已工作；如果双色发光二极管只有固定的某一盏灯亮，则应检查振荡器是否振荡。
可用示波器检测振荡器的输出，或用指针式万用表直流电压挡测量振荡器输出。
如果示波器能检测出振荡波形，或万用表指针左右摆动，则说明振荡器已工作。
（2）观察计数器能否置数，若不能置数，检查C4是否接错或损坏，若置数的时间太久（LED7绿灯亮太久），则应减小C4的容量或R19的阻值。
接循环方式C，检查计数器能否清零，若不能，检查C3，R5等元器件。
（3）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，则应先检测D触发器是否损坏，再检查VDl，VD2，R2，R3，IC4A等元器件。
（4）接循环方式B，用万用表测量IC6的输出电压，检查当计数器计数到“1111”时，单稳态电路的输出是否从低电平变为高电平。
如果单稳态电路的输出一直为低电平，则测量IC6的第2脚电压是否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。
如果单稳态电路的输出始终为高电平，可能是IC6第2脚电压一直为低电平所导致，说明R20与R21的阻值选择不当。
（5）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。
7.3功能实现及拓展
各项调整完毕后，观察彩灯循环方式是否正确，切换循环方式，观察彩灯循环方式是否正常。
根据长期实践，利用原理图（附录一）制作的双色三循环方式彩灯控制器，循环方式多样，工作可靠。
第8章元器件清单
集成块：
NE555×2CC4013CC4066CC4081CC4514CC4516
三极管VT：
9013×2二极管VD：
×21
可变电位器RP：
10K470K
电阻R：
680Ω×111.2K×44.3K×15.1K×3
11K×230K×3100K×2
电容C：
103F10μF33μF47μF100μF
二极管：
双色发光二极管LED×8单色发光二极管LED×3
第9章心得体会
通过电子线路课程设计，我了解了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，能用仿真软件对电子线路进行仿真设计，能用Portel等软件绘制PCB图、装配图，掌握了电子电路调试的方法，能独立解决设计与调试。
通过对原理图分析，把系统分成不同功能的电路模块，通过逐一测量找出故障模块，然后再对故障模块加以测量找出故障，排除故障，这样可以提高我分析问题和解决问题的能力，因此我把这次的设计当成一次发的学习的机会。
在这一过程中出现的一般问题，较多的时间是用来查阅资料，因为这还是第一个次做电子课程设计，能正确选用元器件与材料，能对所设计电路的指标和性能进行测试并提出改进意见。
这次课程设计终于顺利完成，在设计中我遇到了很多的问题，最后在指导老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。
同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识。
在此，我表示感谢！
同时，对给予我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
参考文献
陈晓文主编 《电子线路课程设计》 电子工业出版社 2007
王浩全傅英明主编 《ProtelDXP电路设计与制版》人民邮电出版社2007
杨志忠主编《数字电子技术》高等教育出版社2007
胡宴如主编《模拟电子技术》高等教育出版社2006
廖先芸主编《电子技术实践与训练》高等教育出版社2006
李银华主编《电子线路设计指导》北京：
北京航空大学出版社2005
陈振源主编《电子线路课程设计》北京：
电子工业出版社2007
杨元挺主编《电子技术技能训练》 北京：
高等教育出版社 2008
高吉祥主编《基础电子电路设计与实践》北京：
国防工业出版社2004
孙燕，刘爱民编著《Protel设计实例》北京：
机械工业出版社2003
张友汉主编《电子技术实验与实训》北京：
高等教育出版社2003
梁宗善主编《电子技术基础课程设计》武汉：
华中理工大学出版社2000
附录一电原理图
附录二仿真电原理图
附录三PCB印制板图
附录四装配图
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