四路彩灯控制器设计方案

四路彩灯控制器设计方案

1 前言

1.1序言

随着经济的发展，城市之间的灯光系统花样越来越多，用中规模集成电路设计并制作一个四路彩灯显示系统，可用于节日庆典，医院病房等多处地方，同用单片机控制相比，它具有准确，不易受外界干扰出错，因而得到了广泛的应用。小到人们日常生活中的电子贺卡，大到宾馆、医院等公共场所的大型数显电子钟。

1.2设计要求

用中规模集成电路设计并制作一个四路彩灯显示系统，要求如下：

1)开机自动置入初始状态后即能按规定的程序进行循环显示；

2)程序由三个节拍组成：第一节拍时，四路输出Q1～Q4依次为1，使第一路彩灯先点亮，接着第二，第三，第四路彩灯点亮。第二节拍时，Q4～Q1依次为0，使第四路彩灯先灭，然后使第三，第二，第一路彩灯灭。第三节拍时，Q1～Q4输出同时为1态0.5秒，然后同时为0态0.5秒，使四路彩灯同时点亮0.5秒，然后同时灭0.5秒，共进行4次。每个节拍费时都为4秒，执行一次程序共需12秒；

3)用发光二极管显示彩灯系统的各节拍。

1.3实施计划

根据课程设计要求，首先确定总设计方案，然后用EDA软件设计各单元电路并仿真分析，最后完善总体电路写出设计报告。

1.4必备条件

编辑说明书：Word 2003

绘制框图：SmartDraw 7

绘制原理电路：Protel、Altium、Multisim、Tina、Proteus等

仿真分析：Altium、Multisim、Tina、Proteus等

PCB：Protel、Altium、Multisim、Tina、Proteus等

设计所需软件用以上任意即可完成需求。

2 总体方案设计

通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。

图2.1 四路彩灯控制流程框图

2.1方案比较

2.1.1方案1

采用单片机控制电路为主实现四路彩灯显示。

运用C语言编程，然后编译，通过单片机部实现四路彩灯的显示，编译成功后通过下载机下载至芯片，然后连接即可实现预先功能。

图2.2 方案一的原理框图

2.1.2方案2

采用中规模数字芯片组合实现四路彩灯显示系统。

要实现本系统，需要设计时钟脉冲产生电路，循环控制电路和彩灯花样输出电路。中规模数字芯片的组合方式多种多样，本设计决定时钟脉冲产生电路由74LS161分频实现，循环控制电路由74LS161实现，彩灯花样输出电路由74LS194和相关逻辑门电路实现。

图2.3 方案二的原理框图

2.2方案论证

1)方案一

优点：连接线路较少简单，可以实现的功能更多，扩展性强。

缺点：编程较为麻烦，容易出错，不利于理解底层电路的连接和实现其功能。同时用单片机控制不宜体现数字电子技术基础运用实践的能力。

2)方案二

优点：不用编程，不用编译只要正确连接线路，元器件参数选择合适就能正常工作。

缺点：必须掌握所有芯片的引脚功能及作用，并且连线较为复杂。

2.3方案选择

本学期我们学习了数字电子技术，一直感觉数电学的不太好，很多概念模糊不清，尽管在学院创新实验室已经提前学习了单片机编程技术，但是为了打好基础，学好基础电子技术课程，我决定选择方案二。

3 单元模块设计

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

本系统主要分为三个单元模块，它们分别是：秒脉冲电路、模12计数器74LS163设计、和移位寄存器74LS194控制显示电路。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。

3.1.1 555定时器构成秒脉冲电路设计

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,对于彩灯控制器，我们需要 1Hz占空比为50%的方波信号，设计电路图如下：

图3.1 555定时器构成的秒脉冲电路

3.1.2模12计数器74LS163设计

模12计数器74LS163起节拍产生和控制作用，每4s一个节拍，3个节拍共12s后反复循环。设计电路图如下：

图3.2 74ls163构成模12计数器

3.1.3通用移位寄存器74LS194控制四个彩灯

通用移位寄存器74LS194控制四个彩灯连接原理图如下：

图3.3 74ls194构成显示控制电路

3.2元器件的选择和参数计算

下面就相关电路中的参数计算以及元器件的选择进行说明。

3.2.1秒脉冲电路

方案一：石英晶体振荡器；

此电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中的R、

C的值无关。所以此电路能够得到频率稳定性极高的脉冲波形，它的缺点就是

频率不能调节，而且频带窄，不能用于宽带滤波。此电路非常适合秒脉冲发生

器的设计，但由于尽量和课堂知识联系起来，所以没有采用此电路。

方案二：由555定时器构成的多谐振荡器；

由555定时器构成的多谐振荡器。555定时器的管脚图如图3.1所示。由于555

定时器部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且采用差分电路

形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响很小。所以由555定时器构成的

多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰。因此采用此方案。

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＝TP H＋TP L=0.7×（R1+R2+R3）×C＋0.7×（R1+0.79×R2）×C (1-1) 控制74LS161模12计数器电阻值和电容值可设为：

R1=4.2KΩ， R2=10KΩ，R3=10KΩ，C=47μF

由公式（1-1）计算得：T ≈ 1.1 S

3.2.2模12计数器74LS163设计

由一个74LS163、一个与门和一个与非门组成，这图用的是反馈置数法，

当输出端QD,QC,QB,QA为1011时，LOAD端接收到低电平0，此时74LS163输出

端就重新回到了0000状态。当然还可以用反馈清零法，既是将与非门的输出端

接在CLR端口，输出端QD,QC,QB,QA为1011时，将CLR置零，输出端为0000。

这样一次循环就完成。

3.2.3通用移位寄存器74LS194控制四个彩灯

在第一节拍中，S1S0=01，74194实现右移功能，即在时钟脉冲作用下，把

DSR=1逐次移进；在第二节拍中，S1S0=10，74194实现左移功能，即在时钟脉

冲作用下，把DSR=0逐次反方向移进。

3.3特殊器件的介绍

本系统中全部使用了如下功能器件： 74LS163 1个， 74LS194 1个，

74LS32 2个， 74LS04 1个， 74LS00 1个， 74LS08 1个，NE555 1个，

导线若干。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。