简易彩灯控制器电路课程设计Word下载.docx
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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，高教出版社，2003
完成期限：
指导教师签章：
专业负责人签章：
简易彩灯控制器电路
摘要
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灯。
在现实生活中，大家都见过霓虹灯，它们闪烁着不同颜色的光，变换这不同的花型，在夜晚很是好看。
它是一种很好的照明娱乐工具本次设计的是简易彩灯控制器电路，采用电子元件制作的一个简易的具有四种变换花型的彩灯，但这是进行复杂设计的基础。
首先要分析设计要求，
（1）可以控制8个以上的彩灯；
（2）可以组成四种以上花型，并且每种花型能够连续循环两次，各种花型轮流显示。
通过分析问题和初步整体思考，设计如下方案：
整体功能的实现需要以下四个模块来实现：
它们是：
时钟振荡电路，分频电路，状态机电路，移位显示电路。
通过这些模块的整体组合，来实现课程设计。
关键词：
时钟脉冲；
分频；
双D触发器；
移位寄存器；
计数器
1.元器件选择
1.1元器件清单
表1.1-1元器件清单
元件种类
数量
74LS194
２个
74HC06
４个
74LS161
１个
74LS74
NE555
30K电阻
35K电阻
1K电阻
８个
LED发光二极管
整流桥
1000uF电容
10uF电容
0.1uF电容
0.33uF电容
100uF电容
1.274LS194
74LS194引脚图如下：
图1.2-1方框符号
图1.2-2拐角符号
集成移位寄存器74LS194由4个RS触发器及它们的输入控制电路组成。
其中两个控制输入端M1、M0的状态组合可以完成4种控制功能，其中左移和右移两项是指串行输入，数据是分别从左移输入端Dsl和右移输入端DsR送入寄存器的。
RD为异步清零输入端。
表1.2-374LS194真值表
CR
M1M0
DSLDSR
CP
D3D2D1D0
Q3Q2Q1Q0
×
×
0000
1
1（0）
11
DCBA
10
1×
1Q3Q2Q1
0×
0Q3Q2Q1
01
1
Q2Q1Q01
0
Q2Q1Q00
00
由上功能表知，第1行表示寄存器异步清零；
第2行表示当RD=1，CP=1（或0）时，寄存器处于原来状态；
第3行表示为并行输入同步预置数；
第4、5行为串行输入左移；
第6、7行为串行输入右移；
第8行为保持状态。
1.374LS161
74LS161的引脚图如下：
图1.3-174LS161引脚图
74LS161功能表如下所示：
表1.3-274LS161功能表
1.4D触发器
D触发器的引脚如下图：
图1.4-1是D触发器的逻辑符号，从图可看出CP是上升沿有效，当然，D触发器还有CP下降沿有效的，如图所示。
（a）（b）
图1.4-1维持阻塞D触发器逻辑符号
表1.4-2特征表
D
Qn
Qn+1
此表为D触发器的特征表，特征表就是Qn将也作为真值表的输入变量，而Qn+1为输出，此时的真值表称为特征表。
有特征表可得特征方程：
Qn+1=D
状态转换图和时序图
维持阻塞D触发器的状态转换图如图2-5所示，图（a）为状态转换图，图（b）为时序图。
（a）
（b）
图1.4-3D触发器的状态转换图和时序图
1.5555时基电路
-
图1.5-1555时基电路的电路结构及引脚图
上图为555时基电路的电路结构和8引脚双列直插式的引脚图，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
GND（或Vss）外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
VCC（或VDD）外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V,CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般为5V。
3脚：
OUT（或Vo）或输出端。
2脚：
TR低触发器。
6脚：
TH高触发器。
4脚：
R是直接清零端。
当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、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：
CO（或VC）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0.01mF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
D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。
电阻分压器由三个5K的等值电阻串联而成。
电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；
低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。
基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如下表所示：
表1.5-2555时基电路的功能表
1.6发光二极管
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；
简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中国电子和空穴多处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
发光二极管的反向击穿电压约5伏。
它的正向伏安特性很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
图1.6-1发光二极管
它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
2.设计过程
2.1系统结构框图
把四花型彩光灯设计分为几个独立的功能模块进行设计，每个模块完成特定的功能，再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。
它们分别为：
时钟振荡电路，555定时器构成多谐振荡器；
分频电路，由四位二进制计数器74LS161组成，为D触发器提供时钟；
状态机电路，由双D触发器组成；
移位显示电路，由双向移位寄存器74194和发光二极管组成，实现花型显示。
如下图：
图2.1-1系统组成框图
2.2工作原理
由555定时器构成的时钟振荡电路产生固定频率的脉冲，一方面作用于由74LS161组成的分频电路，一方面作用于由74LS194构成的移位输出电路，为他们提供时钟信号。
由于74161是16分频计数器，故每十六个脉冲74LS161进位一次,致使触发器U1A翻转一次，而触发器U2A的3脚连接的是触发器U1A的5脚，实现了U1A的16分频和U2A的32分频。
所以平均U1A翻转两次而U2A翻转一次。
集成移位寄存器74LS194由RS触发器及他们的输入控制电路组成，其中Ｓ1和Ｓ0是两个控制输入端。
双Ｄ触发器的输出端改变Ｓ0,Ｓ1的值，实现左右移动控制。
可组成U1A左移，U2A右移；
U1A右移，U2A右移；
U1A左移，U2A左移；
U1A右移，U2A左移四种花型。
每十六个脉冲每种花型恰好循环两次，而此时Ｄ触发器翻转，转换为下一种花型。
四种花型如下：
花型一：
四个灯为一组，两组均从右向左亮起，再从右向左灭掉。
花型二：
四个灯为一组，两组均向中间亮起，再从两边向中间灭掉。
花型三：
四个灯为一组，两组均从左向右亮起，再从左向右灭掉。
四个灯为一组，两组均从中间向两边亮起，再从中间向两边灭掉。
表2.2-1
节拍脉冲
编码D1D2D3D4D5D6D7D8
花型一
花型二
花型三
花型四
00000000
2
00010001
10000001
10001000
00011000
3
00110011
11000011
11001100
00111100
4
01110111
11100111
11101110
01111110
5
11111111
6
7
8
9
2.3各模块电路原理图介绍
2.3.1电源电路
图2.3.1-1电源电路
如图2-2所示，电源电路是由220V工频电源，RC滤波电路，变压器，桥式整流电路，NPN管，稳压管，滤波电容组成。
电源电路本可以采用两种方法实现，第一种方法是通过电池供电，但是考虑到需要选择合适电池的指标参数与电路相匹配，故不如利用现成的电网供电更方便。
如图采用220V电网电源，先经过熔断器以防止电路出现短路对其他元件造成损害。
然后与一个RC滤波电路相连进行第一次滤波。
这是考虑到电网电压中实际上含有一定成分的高次谐波，因此先行滤波再用变压器变压。
变压后经过桥式整流电路，C5电容滤波后电压相对稳定。
此时经过7.5V稳压管分压，BG4的B极为7.5V，C极为12V，由此可推出BG4导通，E极为6.8V。
再经过C3、C4的高频及低频滤波，最终给其他电路输出一个6.8V的直流电源。
2.3.2时钟脉冲产生电路
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。
电路图如图所示:
图2.3.2-1 由555定时器构成的多谐振荡器
接通电源后，电容Ｃ5被充电，当２管脚处的电压上升到２Ｖcc/3时，使Ｖo为低电平，同时放电三极管Ｔ导通，此时电容Ｃ５通过ＲB和Ｔ放电，Ｖc下降。
当Ｖc下降掉Ｖcc/3时，Ｖo翻转为高电平。
振荡器的振荡频率为1.43/（R1+R2+R2）C5。
2.3.3分频电路的工作原理
图2.3.3-1 74LS161引脚图
74LS161是4位二进制同步加计时器。
其中1脚是异步清零端，9脚是预置控制端，P0,P1,P2,P3是预置数据输入端，RCO是进位输出端，7和10脚是计数控制端。
（1）异步清零：
当1脚接低电平时，不管其他输入的状态如何，计数器直接清零。
（2）同步并行预置数；
在1脚接高电平的条件下，当9脚接低电平且有时钟脉冲时P0,P1,P2,P3输入端的数据分别被Q0,Q1,Q2,Q3所接收。
（3）保持：
1和9脚同时接高电平，两个记数使能端有一个接低电平时，不管有无脉冲，记数器都保持原状态不变。
（4）记数：
当1,7,9,10管脚都接高电平时，计数器处于记数状态。
当时钟电路产生16个脉冲时，计数器进位端进1，促使D触发器翻转或截止。
2.3.4状态机电路
图2.3.4-1状态机电路图
状态机电路由两个Ｄ触发器组成。
触发器U1A的５脚与触发器的U2A的3脚连接，从而实现U1A的16分频和U2A的32分频。
Ｄ触发器为上升沿出发，当脉冲由低电平变为高电平时，Ｄ触发器发生翻转。
本电路中，假设开始时U1A的５脚为高电平，则U2A的3脚也为高电平，分频电路16拍进位一次，促使触发器U1A发生翻转使５脚变为低电平则U2A的3脚也变为低电平。
当分频电路经过第二个16拍时，再次进位，U1A的５脚为高电平而此时U2A的2脚也再次变为高电，此过程中U2A经历了一个上升沿触发，翻转一次，从而实现四种花型的轮流变换。
2.3.5移位输出电路
图2.3.5-1 移位输出电路电路图
集成移位寄存器74194由4个RS触发器及他们的输入控制电路组成，其中Ｓ1和Ｓ0是两个控制输入端,A、B、C、D是并行输入端。
如表１所示，他们的状态组合可以完成四种控制功能，其中左移和右移两项是串行输入，数据是分别从左移输入端7引脚和右移输入端2引脚送入寄存器中的。
1引脚为异步清零。
如图U1B,本电路中要求移位过程中数据不丢失，故采用将移位寄存器的最高位输出端12脚和最低位输入端2引脚连接以及让移位寄存器的最低位输出端15引脚和最高位输入端7引脚连接。
，形成环形计数器。
从而实现四种花型的循环输出。
表2.3.5-2 74194双向移位寄存器控制端的逻辑功能
2.4总设计电路图
设计电路图中所用元件引脚图：
3.总结
这一周的课程设计，在老师的指导下，我收获很多很多，不仅加深了对书上及老师所讲的知识的理解，而且还扩展了我的思维能力和创造设计能力。
在这次电路的学习和研究中我学到了许多在书上学不到的东西。
我们知道，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，学到了很多东西，如查找资料，设计比较，Protel软件制图，整理资料。
另外，从这次课程设计中，我还发现了自己的许多不足，如对课本知识的疏忽和理解不透彻，以前只注重理论知识的学习，认为只要理论知识学好就可以了，但这次课程设计实习后我深深地体会到自己学的东西是多么的少，只学习理论知识是远远不够的，他只是一部分，还要理论联系实际，在实践中运用才是最重要的，同时在实践在加以运用也是我们的目的，所以在以后的学习中，我要更加好好学习基础知识和基本技能，并与实践相结合，为以后的学习工作打好良好的基础。
4.参考文献
[1]李银华.电子线路设计指导.北京航空航天大学出版社，2005,6
[2]康华光.电子技术基础.高教出版社，2003
[3]谢自美.电子线路设计、实验、测试.华中理工出版社
[4]王澄飞.电路与数字逻辑设计实践.东南大学出版社，1999,10
[5]何小艇.电子系统设计.浙江大学出版社，2001,10
[6]姚福安.电子电路设计与实践.山东科学技术出版社，2001,10
[7]编委会.灯光控制应用电路集萃.机械工业出版社，1998,10
[8]徐国华.模拟及数字电子技术实验教程.北京航空航天大学出版社,2004,08
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