彩灯控制器设计

课程设计名称：电子技术课程设计题目：彩灯控制器设计
学期：2016-2017学年第1学期
专业：电子信息科学与技术
班级： 2014级2班
姓名：乐庆胜李哲爽
学号：2014011385
指导教师：余平
课程设计任务书
一、设计题目
彩灯控制器设计
二、设计任务
1.有六只LED彩灯
2.控制顺序是：全亮---奇数灯依次灭---偶数灯依次灭---依次亮—依次灭
---全亮—全灭
3.彩灯点亮时间为0.5S。

三、设计计划
电子技术课程设计共2周。

1接受任务书，明确任务。

2查找相关资料，确定最终方案（需要仿真的要仿真出结果，对每个元器件十分了解）
3列出元器件清单（二份），指导老师签字
4到综合楼406处借元器件（周四上午开始）
5焊接组装电路（调试、测试、验收\411教室）
6满足任务要求，写设计报告
7交元器件。

抽回借条，交任务报告（答辩后交）
8答辩确认成绩（第18周上午）
9还万用表、电烙铁等工具
四、设计要求
1. 画出整体电路图。

2. 对所设计的电路全部或部分进行仿真，使之达到设计任务要求。

3. 写出设计说明书。

指导教师：余平
时间：2016年12月20日
摘要
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，实现可预置编程循环功能。

关键词：集成电路；计数器；译码器；分配器；移位寄存器
目录
1、综述 (1)
2、方案设计与分析 (2)
3、电路原理设计及参数计算 (3)
3.1 21进制计数器 (3)
3.2 5-32译码器 (4)
3.3 真值表 (3)
4、各个模块的制作 (5)
4.1 21进制计数器的实现 (5)
4.2 5-32译码器的实现 (6)
4.3 控制电路的实现 (7)
5、整体电路图及仿真 (8)
6、设计小结 (9)
7、参考文献 (10)
1、综述
实现彩灯控制的方法很多，如EPROM编程、RAM编程、单板机、单片机等，都可以组成大型彩灯控制系统。

因为本次实习要求设计的彩灯的路数较少，且花型变换较为简单，彩灯控制器可以自动控制多路彩灯按不同的节拍循环显示各种灯光变换花型，它广泛用于大型灯会、舞台灯光控制、体育馆灯光控制以及节假日灯光装饰中。

实现彩灯控制的方法很多，如用EPROM编程、单片机、纯硬件电路等。

当彩灯路数较少且花型变换较为简单时，可采用移位寄存器进行控制。

彩灯控制器以某种节拍按一定规律改变彩灯的输入电平值，控制彩灯的亮与灭，按预定规律显示一定的花型。

因此彩灯控制器需要一个能够按一定规律输出不同高低电平编码信号的编码发生器，同时还需要编码发生器所要求的时序信号和控制信号。

由于实际应用场合所带彩灯可能是功率较大的白炽灯或其它，因此还需要一定的驱动电路，实验中因采用发光二极管或指示灯，故可省略驱动电路
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，实现可预置编程循环功能。

2、方案设计与分析
方案一
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。

方案二
彩灯由发光二极管模拟替代，该电路由555定时器，7490计数器和74138译码器组成。

7490计数器的时钟信号由555振荡器提供，改变555振荡器的频率，即可控制彩灯闪烁的快慢。

计数器输出信号输送至74138译码器，由138译码，根据计数器输出不同的计数结果，即可控制138译码器译码得到不同的输出信号，决定控制彩灯的循环变化。

显然，不同的计数器与译码器电路得到的是不同的彩灯循环控制结果。

若译码器不变，在计数器的控制端输入不同的控制信号，进行不同的技术，则在输出端可见不同的彩灯循环输出。

方案三
采用DIP－18脚双列直式塑封结构。

该电路外围元件少，外接一只电位器RP与电容器C2，其阻容值就决定了内部振荡器的时钟频率。

通常电容器取0.1－0.22μF，电位器为1MΩ，通过改变其电阻值就可以改变闪光快慢，待调到理想闪光频率时再换用同阻值的固定电阻器。

集成电路有B1—B4四个花样选择端，通过其与不同电平连接，可组成众多变化的闪光花样。

Q1—Q8共八个输出端，可驱动八路彩灯，SE9201使用电源为3—8V，典型值为5V。

3、电路原理设计及参数计算
按课程设计题目来看，要求实现彩灯的21种状态（开始灯全部亮1种状态，奇数的灯依次灭3种状态，偶数的灯依次灭3种状态，然后依次亮6种状态，依次灭6种状态，然后再全亮1种状态，全灭1种状态，共21种）。

此处可以用一个21 进制的计数器实现，从0到20 种状态来控制这21 种状态（00000－10110），然后把计数器用译码器译成可以实现的高低电平。

再写出这21种状态和计数器数字对应的真值表，计算出逻辑式，便可实现题目要求的彩灯控制。

由上分析可知需要一个21进制的计数器，然后需要一个5-32译码器，然后在由门电路连接LED 灯。

总体设计思路图如下所示：
图3-1 总体设计思路图
3.1 21进制计数器
用2 个74161N （异步清零，同步置数的功能）扩展成21进制计数器，采用并行进位方式、整体置数。

因为计数器需要21种状态（00000-10110），所以，我先用两片74161连接成256（16*16）进制计数器，然后在输出为10100（20）时，用与非门来控制两计数器的LDN 端清零，同时清零信号可以作为进位信号输出。

6
个LED
灯
各个门电路的连接
5-32
译码器
发生函数信号器
21
进制计数器
3.2 5-32译码器
用5 个74LS138 实现5-32 译码功能，左边的一片74LS138芯片用于控制
选择右边的四个芯片的打开或者闭合，右边的四个芯片中的前三个每个都控制八
种状态，共二十四种状态，题目要求为二十一种，所以把最后的三种状态都设置
为灯全部灭，即灯全部灭的时间是其他状态的时间的两倍，当接通时，先通过左
边的芯片进行右边芯片的选择，然后右边的芯片再进行位移控制终端的状态，从
而实现二十一种状态的循环。

3.3 真值表
由21进制计数器输入一个五位二进制数（00000－10110），输出彩灯所对
应的状态（1表示灯亮，0表示灯灭），对应的真值表如下：
L0 L1 L2 L3 L4 L5
0 1 1 1 1 1 1
1 1 0 1 1 1 1
2 1 0 1 0 1 1
3 1 0 1 0 1 0
4 0 0 1 0 1 0
5 0 0 0 0 1 0
6 0 0 0 0 0 0
7 1 0 0 0 0 0
8 1 1 0 0 0 0
9 1 1 1 0 0 0
10 1 1 1 1 0 0
11 1 1 1 1 1 0
12 1 1 1 1 1 1
13 0 1 1 1 1 1
14 0 0 1 1 1 1
15 0 0 0 1 1 1
16 0 0 0 0 1 1
17 0 0 0 0 0 1
18 0 0 0 0 0 0
19 1 1 1 1 1 1
20 0 0 0 0 0 0
4、各个模块的制作
4.1 21进制计数器的实现
21进制计数器是由两个16进制计数器构成，并且将21进制计数器的每个状态输出，令其对应LED 的每一种状态，计数器实现如下图:
U1
74LS161N
QA 14QB 13QC 12QD 11RCO
15
A 3
B 4
C 5
D 6ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK
2
U2
74LS161N
QA 14QB 13QC 12QD 11RCO
15
A 3
B 4
C 5
D 6ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK
2
1
10
4
6
7
U3A 74HC01N_2V
5
8
2
XFG1
3
VCC
5V
图4-1 21进制计数器
4.2 5-32译码器的实现
5-32译码器是由5个74LS138实现，它的实现原理同用2个74LS138实现4-16译码器的原理，设计图如下图：
图4-1 5-32译码器
U1
74LS138D
Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7
7
A 1
B 2
C 3
G16~G2A 4~G2B
5
U2
74LS138D
Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7
7
A 1
B 2
C 3G16~G2A 4~G2B
5
U3
74LS138D
Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7
7
A 1
B 2
C 3
G16~G2A 4~G2B
5
U4
74LS138D
Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7
7
A 1
B 2
C 3
G16~G2A 4~G2B
5
U5
74LS138D Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7
7
A 1
B 2
C 3
G16~G2A 4~G2B
5
5
3
2
7
4
68
11
1214151617181920
2122232425262728
2930383940414243
10
1VCC
5V
9
图5-2 555定时器
4.3 控制电路的实现
由真值表可得到各个LED 灯的逻辑表达式如下：
L 0=M0+M1+M2+M3+M7+M8+M9+M10+M11+M12+M19； L 1=M0+M8+M9+M10+M11+M12+M13+M19；
L 2=M0+M1+M2+M3+M4+M9+M10+M11+M12+M13+M14+M19； L 3=M0+M1+M10+M11+M12+M13+M14+M15+M19；
L 4=M0+M1+M2+M3+M4+M5+M11+M12+M13+M14+M15+M16+M19； L 5=M0+M1+M2+M12+M13+M14+M15+M16+M17+M19；
U1A 74HC08N_2V U2A 74HC08N_2V
U3A
74HC08N_2V
U4A 74HC08N_2V U5A 74HC08N_2V
U6A 74HC08N_2V U7A 74HC08N_2V
U8A
74HC08N_2V
U9A
74HC08N_2V
U10A
74HC08N_2V U11A 74HC08N_2V
69
10
11
13
1415
16
17
18
19
22U12A
74HC08N_2V
U13A 74HC08N_2V
U14A
74HC08N_2V
U15A
74HC08N_2V
U16A
74HC08N_2V
U17A
74HC08N_2V
U18A
74HC08N_2V
U19A
74HC08N_2V
U20A 74HC08N_2V U21A
74HC08N_2V 25
26283123
33
2434
35
202138U22A 74HC08N_2V
U23A
74HC08N_2V
U24A
74HC08N_2V
U25A
74HC08N_2V
U26A
74HC08N_2V
U27A 74HC08N_2V
U28A
74HC08N_2V
U29A 74HC08N_2V
U30A
74HC08N_2V
U31A
74HC08N_2V 40413243124647
48
39
52
42
53U32A
74HC08N_2V
U33A 74HC08N_2V
U34A 74HC08N_2V 54
555745
U35A
74HC08N_2V U36A
74HC08N_2V
U37A 74HC08N_2V
U38A 74HC08N_2V
60
55161
63
64
27
65
U39A
74HC04N_2V
37
U40A
74HC04N_2V
U41A
74HC04N_2V
U42A
74HC04N_2V U43A
74HC04N_2V
U44A
74HC04N_2V
44
36
5056
66
LED1
67
LED2
68
LED3
69
LED4
70
LED571
LED6
72
5、整体电路图及仿真
图5 整体电路仿真图
U1
74LS161N
QA
14QB 13QC 12QD
11
RCO 15
A 3
B 4
C 5
D 6ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK
2U2
74LS161N
QA 14QB 13QC 12QD
11
RCO 15A 3B 4C 5D
6ENP 7ENT 10~LOAD 9
~CLR 1CLK
2
U3A 74HC01N_2V
9
21U4
74LS138D
Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7
7
A 1
B 2
C 3G16~G2A 4~G2B
5
U5
74LS138D Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7
7
A 1
B 2
C 3
G16
~G2A 4~G2B
5
U6
74LS138D Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7
7
A 1
B 2
C 3G16~G2A 4~G2B
5
U7
74LS138D
Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7
7
A 1
B 2
C 3
G16~G2A 4
~G2B
5
U8
74LS138D
Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7
7
A 1
B 2
C 3
G16~G2A 4
~G2B
5
VCC
5V
10
44
43424113
14
1211181920
7
8
U9A
74HC08N_2V
U10A
74HC08N_2V U11A
74HC08N_2V U12A 74HC08N_2V U13A
74HC08N_2V U14A 74HC08N_2V U15A 74HC08N_2V
U16A
74HC08N_2V
U17A
74HC08N_2V
U18A
74HC08N_2V U19A 74HC08N_2V U20A 74HC08N_2V
U21A 74HC08N_2V
U22A
74HC08N_2V
U23A
74HC08N_2V
U24A 74HC08N_2V
U25A 74HC08N_2V
U26A
74HC08N_2V
U27A
74HC08N_2V
U28A 74HC08N_2V U29A
74HC08N_2V U30A 74HC08N_2V
U31A
74HC08N_2V
U32A
74HC08N_2V
U33A
74HC08N_2V
U34A
74HC08N_2V
U35A 74HC08N_2V
U36A
74HC08N_2V
U37A
74HC08N_2V U38A
74HC08N_2V
U39A
74HC08N_2V U40A
74HC08N_2V
U41A 74HC08N_2V
U42A 74HC08N_2V U43A
74HC08N_2V U44A 74HC08N_2V
U45A 74HC08N_2V
U46A 74HC08N_2V
U47A
74HC04N_2V
U48A
74HC04N_2V
U49A
74HC04N_2V
U50A 74HC04N_2V U51A
74HC04N_2V
U52A
74HC04N_2V
LED1
LED2LED3
LED5
LED6
111
108
107106
105
104
103102
101
100
999896959493
8392
91
85908988
87
78868482
81
80767574
737258
71706867
6665
64
63626160595756172122
232425262728
2949697997
55
5453
525150
77
XFG1
3
LED4VCC
5V
4
5
6、设计小结
该电路的设计基本上完成了课程设计题目所要求的功能，但是仍然存在一定的不足之处，例如，在灯按照序号从L0到L9依次灭的时候，在灯L2、L3、L4灭的时候会出现短暂的闪烁。

同时，在设计这个电路的时候遇到了许许多多的问题，例如：怎样能使10路彩灯能够自动循环点亮，又怎样控制，怎样把这些模块电路连接起来等等问题。

这些问题都是要经过上网查找资料，了解芯片的功能，在草稿纸上一遍又一遍的画出电路图，经过化简后再在软件multisim10上做出相应的电路图。

在这次的课程设计中，我收获很大，具体有以下几方面：
1. 学以致用。

在学习数字电路的过程中，上课我们都是些理论上的东西，并且在做实验的过程中也是照着书本上给出设计好的电路连线，不需要自己设计，一直都没有运用到自己所学的知识来设计一个电路。

而这次的课程设计真正让我们通过自己的知识和努力，通过自己查阅资料、分析来解决问题。

这不但能巩固我们所学的理论知识，又能提高我们的实践能力。

2. 学会分析解决设计上的问题。

在设计电路的过程中，每一步都要自己去思考分析，遇到问题时，经常都要经过多次的尝试来解决改善问题，有时一点微小的错误都会影响到结果的正确以否，而这些微小的错误经常都是很难发现，这就需要我们学会仔细分析问题。

3. 懂得了如何去安装调试电路。

设计电路，关键步骤还在于解决实际遇到的问题，安装调试出正确的结果，这一步是至关重要也是最为困难的。

很多时候，理论分析正确，调试却不一定正确，这关键也在于调试过程是否正确。

我们必须遵循一些安装调试步骤，先单个调试，然后再整体调试，先局部再整体，切不可一次安装后调试，因为这样是很难查出错误来。

总之，这次的课程设计的收获是很大的，通过这几天的努力，终于设计出“彩灯控制器”的电路。

从开始的无从下手到熟悉各种芯片的功能，到尝试着设计各个单元电路，再到每个细节问题错误的改进和矫正，这里的每一步都是一个大大的提高，特别是许多的细节问题都是很棘手的。

但是结果证明，只要不断地努力，不断地思考，目标是一定会实现的。

参考文献
【1】童诗白，华成英模拟电子技术基础第4版北京：高等教育出版社2006.5 【2】何云强，电子线路设计、检验、测试实习手册2009（07）
【3】张国军，马玉芳，朴忠学电子技术实验指导书电工与电子技术实验中心2013.3 【4】李远文，胡筠，电子线路技术指导北京：人民邮电出版社1984
【5】张慎旂，常用数字集体电路应用手册北京：高等教育出版社1990
【6】王广武，数字电子技术基础实验与综合训练科技资讯2007（19）。