花样彩灯.docx
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花样彩灯
1方案提出
本系统由控制电路、编码发生电路和输出驱动电路等组成。
控制电路为编码器提供所需要的节拍脉冲和驱动信号，控制整个系统工作；编码发生器要求花型按节拍送出八位状态的编码信号，以控制彩灯按规律亮灭。
因为彩灯路数少，花型要求不多，该题宜选用移位寄存器输出信号进而控制彩灯的亮灭。
总体框图如下：
图一总体框图
2电路基本组成及工作原理
2.1编码发生电路
编码发生电路是直接控制彩灯变换、亮灭的电路。
要求控制八盏彩灯，因此编码发生器要产生八位输出信号以控制彩灯亮灭。
由于要求花形种类不多，本次设计采用两片移位寄存器74LS194来输出信号，每片控制四盏灯。
74194具有异步清除和同步预置、左移、右移、保持等多种功能，控制方便灵活。
每个芯片的左移右移为两种花形，两片之间的组合共有四种花形。
题目要求每种花形循环两次，因此花形首末状态设计成一致更有利与循环。
综合上述及移位寄存器的功能，设计每片芯片的两种工作状态如下：
左移：
000000010011011111111110
110010000000
右移：
000010001100111011110111
001100010000
由上述工作状态可知，当芯片工作至状态1111时，控制端DSR和DSL需要由低电平变为高电平。
而容易看出，当芯片左移时，DSL控制端应根据输出端Q4的状态变化；而芯片右移时DSR控制端应根据输出端Q1的状态变化。
不难推出，在两端间加入反向器即可符合要求。
花形设计如下：
花形1——由中间到两边对称依次点亮，全部点亮后，仍由中间向两边熄灭。
花形2——8路彩灯分两半，从左至右依次点亮，再顺次熄灭。
花形３——8路彩灯分两半，从右至左依次点亮，再顺次熄灭。
花形４——由两边到中间对称依次点亮，全部点亮后，仍由两边向中间熄灭。
输出状态编码如下：
节拍
脉冲
编码L1L2L3L4L5L6L7L8
花形1
花形2
花形3
花形4
1
00000000
00000000
00000000
00000000
2
00011000
10001000
00010001
10000001
3
00111100
11001100
00110011
11000011
4
01111110
11101110
01110111
11100111
5
11111111
11111111
11111111
11111111
6
11100111
11101110
11101110
01111110
7
11000011
11001100
11001100
00111100
8
10000001
10001000
10001000
00011000
9
00000000
00000000
00000000
00000000
表一花形输出状态编码表
电路图如下
图二编码发生电路
2.2秒脉冲发生电路
秒脉冲发生电路用于产生电路中各芯片工作所需的时钟脉冲cp。
电路图如下：
图三秒脉冲发生电路
脉冲选用555定时器来构成多谐震荡器。
其组成原理如上图所示。
该电的输出脉冲周期为T=0.7*（R1+2R2）*C,若T=1，令C=10uf，R1=39K，则R2=51。
它是利用电容器的充放电来代替外加触发信号，所以，电容器上的电压信号应该在两个阈值之间按指数规律转换。
充电回路是RA、RB和C。
刚开始时相当输入是低电平，输出是高电平；当电容器充电达到
时，即输入达到高电平时，电路的状态发生翻转，输出为低电平，电容器开始放电。
当电容器放电达到
时，电路的状态又开始翻转。
如此不断循环。
电容器之所以能够放电，是由于有放电端7脚的作用，因7脚的状态与输出端一致，7脚为低电平电容器放电。
其波形图如下：
图四555波形图
2.3花形控制电路
花形控制电路是整个电路中的核心关键部分，用于控制花形产生所需的节拍脉冲和驱动信号，控制花形的循环和花形间的转换。
控制电路的功能有二：
一是按需要产生节拍脉冲，二是产生移存器所需要的各种驱动信号。
前者简单，后者较麻烦。
节拍脉冲的产生：
由设计要求可知，每种花形要循环两次，又由３.２２章节可知，一种花形循环一次需要８拍，每种花形循环两次需要１６拍。
完成一次四花形的大循环需要６４拍。
１６次脉冲的循环本次设计选用中规模集成四位同步二进制加法计数器，当PE、SR、CEP、CET端口均接高电平时，芯片实行二进制加法记数，由0000加到1111，共16拍。
当输出端口为1111时，进位信号Tc端口由0变为1。
驱动信号产生电路：
逐一分析单一花形运行时，移位寄存器工作的状态顺序。
花形1
图五花形1
花形2
图六花形2
花形3
图七花形3
花形4
图八花形4
由图分析得下表:
花形1
花形2
花形3
花形4
74LS194
A
S0
0
1
0
1
S1
1
0
1
0
74LS194
B
SO
1
1
0
0
S1
0
0
1
1
表二四种花形的S0S1状态
由表格推出74LS194A的S0和S1端口每个花形变换一次，由3.22编码电路可知每个循环两次的花形需要16个时钟脉冲，因此74LS194A的S0和S1端口每16个节拍变换一次；而74LS194B的S0和S1端口在前两个花形中没有变化，后两个花形发生了翻转，由此可确定74LS194B的S0和S1端口每32个节拍变换一次。
又由S0和S1端口接高低不同的两个相反电平，每次发生变化都随信号翻转一次。
可设计由两片74LS74的两个相反输出端控制移位寄存器的左移右移控制端口。
将74LS163的进位信号端口tc与一片74LS74的clk端口连接，不难推出，每当74LS163经过16次脉冲信号输出端为1111时，tc由0变为1。
74LS74为上升沿有效芯片，此时将会发生翻转，而在其它时间保持稳定，由其控制的移位寄存器将正常工作。
将第一片74LS74的Q非端与第2片74LS74的clk端相连接，每当Q非端由0变为1时，第二片74LS74发生翻转。
因为第一片74LS74每16个脉冲翻转一次，所以第二片74LS74则每32个脉冲翻转一次。
74LS74的翻转控制，低电平有效端口CLR和PRE端口分别接地，而将D端口与Q非端口连接，每次clk接受0到1的上跳沿信号时，芯片发生翻转。
Qn+1=D=Qn非。
电路图如下：
图九花形控制电路
2.4电源电路
电源电路的设计可以采用两种方式来实现：
第一种是采用电池供电，需要注意的问题是选择合适电池的指数参数于电路相匹配。
第二种是采用直接从电网供电，通过变压器电路，整流电路，滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转化为+12V直流电压。
电路中变压器采用常规的铁心变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路C1,C2,C3,C4完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。
电路图如下所示：
图十电源电路
3元件的介绍
3.1主要的元件
74LS163（四位二进制同步计数器），74LS194（移位寄存器），74LS74，发光二极管，电容，电阻，反相器，变压器，整流二极管，滤波器和稳压器，555定时器。
3.2各元件的功能介绍
3.2.174LS163的引脚图
图十一74LS163的引脚图
注：
CLK是时钟脉冲输入端，上升沿有效；PE是低电平有效的同步清零端输入端；SR是低电平有效的同步置数输入端；CEP和CET是两个使能输入端；P0～P3是并行数据输入端；Q0～Q3是计数器状态输出端；
TC是进位信号输出端，当计数到1111状态是TC为1。
74LS163的功能表：
0
ⅹ
ⅹ
ⅹ
↑
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
0
0
0
0
同步清零
1
0
ⅹ
ⅹ
↑
D0
D1
D2
D3
D0
D1
D2
D3
同步置数
1
1
0
1
↑
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
Qn0
Qn1
Qn2
Qn3
保持
1
1
ⅹ
0
↑
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
Qn0
Qn1
Qn2
Qn3
保持TC＝0
1
1
1
1
↑
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
二进制
加法
计
数
计数
表三74LS163的功能表
3.2.274LS194（移位寄存器）
74LS194移位寄存器的控制输入端S1和S0是用来进行移位方向控制的，S0为高电平时，移位寄存器处于向左移位的工作状态，二进制数码在CP脉冲的控制下由高到低逐位移入寄存器，因此可以实现串行输入；在S1为低电平时，移位寄存器处于向右移位的工作状态，二进制数码在CP脉冲的控制下逐位移出寄存器（低位在前，高位在后）。
74LS194的逻辑符号及引脚排列：
图十二74LS194的逻辑符号及引脚排列
74LS194的功能表：
表四74LS194的功能表
其中D3、D2、D1、D0为并行输入端；Q3、Q2、Q1、Q0为并行输出端；SR为右移串行输入端，SL为左移串行输入端；S1、S0为操作模式控制端；
为无条件清零端；CP为时钟脉冲输入端。
74LS194有5种不同的操作模式：
即并行送数寄存，右移（方向由Q3->Q0），左移（方向由Q0->Q3），保持及清“0”。
S1、S0和
端的控制作用如上表所示。
3.2.374LS74（双D触发器）
74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字，从而简化了程序，节约了单片机的IO开销。
因此是一个非常好的芯片！
图十三74LS74引脚图
74LS47译码器原理：
译码为编码的逆过程。
它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。
实现译码的逻辑电路成为译码器。
译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。
74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，下表列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。
表五74LS74功能表
3.2.4555定时器
555定时器的引脚图：
图十四引脚图555定时器
注：
1－GND、2-触发输入（VI2）、3－输出（Vo）、4－复位（RD）、5－控制电压（VIC）、6－阀值输入（VI1）、7－放电端（V′O）、8-电源（VCC）。
555定时器的功能表:
输入
输出
阀值输入（VI1）
触发输入（VI2）
复位（RD）
输出（V0）
放电管（）T
X
X
0
0
导通
<2/3VCC
<1/3VCC
1
1
截止
>2/3VCC
>1/3VCC
1
0
导通
<2/3VCC
>1/3VCC
1
不变
不变
表六555定时器的功能表
3.2.5发光二极管
发光二极管简称LED，采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。
当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光。
3.3元件清单
元件名称
元器件序号
元器件说明
数量
74LS194
U5
DIP16
1
74LS194
U6
DIP16
1
NE555
U2
DIP8
1
74LS163
U3
DIP16
1
非门
V1A-V4A
4
74LS74
U3A
DIP14
1
74LS74
U4A
DIP14
1
二极管
2W04
4
电阻
R1
39Ω
1
电阻
R2
51Ω
1
电容
C1
470uF
1
电容
C2
0.1uF
1
电容
C3
47uF
1
电容
C4
0.1uF
1
电容
C5
10uF
1
电容
C6
0.01uF
1
发光二极管
8
变压器
1
三端稳压器
U1
MC78L12CP
1
表七元件清单
4总结
课程设计刚开始时，心里一直很疑惑，大四做课程设计还要三个月，对我们这些仅仅大二的学生来讲，一个星期做一个课题不是天方夜谭吗？
但任务已经下达只好努力去研究了。
我很清楚课程设计不同于实验课，电路图都要自己设计。
于是静下心来，仔细分析题目，再加上同组人的交流和讨论，最后大家都有了大概的思路。
最终我的方案是将整个系统根据不同的功能化分成模块，再分别进行设计，逐个攻破，最后再将其整合即可。
通过这次彩灯控制器的课程设计，在课程设计的过程中，通过从设计电路的方法到设计电路的原理，都是要自己亲手动手去做的，这样不但锻炼了我们的动手能力和动脑思维，还熟悉了工程实践中电子电路的设计方法和规范，达到综合应用电子技术的目的。
在设计中，遇到陌生的元件，还要动手查找数据手册和在电脑上通过检索相关的内容，这样不但让我们了解了更多的相关知识，有助于增加我们的数电知识面，还让我们学习文件的检索和查找数据手册的能力。
设计中要画原理图，这样只有学习protel软件才能把图画出来，所以这次课程设计还让我们学会了用protel软件画工程图。
因为这是一次课程设计，遇到问题都得自己一点一点的去查资料去做分析然后找老师求证，但是时间有点紧迫，还要复习考试内容，所以总体设计的不是很完美，但基本上是合理的的。
完善的。
无论如何，这是自己大学的第一份作品，这一个星期的时间自己确实花费了许多精力和时间，希望老师不吝指导并给与肯定。
参考文献
1.何小艇，《电子系设计》，浙江大学出版社，2001年6月
2.姚福安，《电子电路设计与实践》，山东科学技术出版社，2001年10月
3.王澄非，《电路与数字逻辑设计实践》，东南大学出版社，1999年10月
4.李银华，《电子线路设计指导》，北京航空航天大学出版社，2005年6月
5.康华光，《电子技术基础》，高等教育出版社，2003年7月
6.陈有卿，《新颖电子灯光控制器》，机械工业出版社，2004年1月
附录
总电路图：
图十五总电路图
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