循环彩灯控制器

课程设计
课程名称EDA技术
题目名称循环彩灯控制器
专业班级2014级电子信息工程1班学生姓名俞媛媛
学号***********
指导教师罗少轩
二零一六年六月二十号
目录
引言 (1)
1 设计要求 (2)
1.1 基本要求 (2)
1.2 主要参考元器 (2)
1.3 元器件要求 (2)
2 系统组成及工作原理 (3)
2.1 系统组成框图 (3)
2.2工作原理分析 (3)
3 单元电路模块与计算 (5)
3.1 时钟脉冲产生电路模块 (5)
3.2 四种码产生电路模块 (6)
3.3 彩灯开关电路模块 (7)
3.4 花样输出电路模块 (8)
4 实验调试及测试结果分析 (9)
心得 (10)
参考文献 (11)
附录1 循环彩灯控制器电路原理总图 (12)
附录2 循环彩灯控制器PCB原理总图 (13)
附录3 元器件清单 (14)
引言
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色霓虹灯。

LED 彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。

但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。

优易LED全彩灯光控制系统由Color Edit编辑软件、主控器、分控器和LED光源组成，广泛应用于城市景观、风景名胜、道路桥梁、建筑轮廓、娱乐场所、户外广告、室内装饰等美化、亮化工程。

二维彩灯控制器可控制五路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭。

若将一定数量的彩色灯组合联接，就能营造出平面上色彩变化的场景，这比通常控制一条线上的色彩流动更加丰富绚丽。

控制器采用数字集成块，外围元器件少、电路结构简单，只要元器件完好、装接无误，装后无须调试即可一举成功。

音乐彩灯控制器是专用于卡拉OK厅 KTV包房的彩灯控制设备，其最大优点是不与电视音响等设备有任何连接，本设备通过检测包房里的环境音频信号强弱来控制通过彩灯的电流大小（即亮暗程度）来烘托娱乐的兴趣的目的，也就是随着声音的大小而使彩灯闪烁，歌声和彩灯一起跳动，从而让唱歌人激情高涨，留连忘返。

本设计通过对彩灯的设计，训练对电子技术等内容的应用能力，掌握对电子产品设计的流程以及各种要求。

彩灯技术已广泛得在霓虹灯、广告彩灯、汽车车灯等领域中应用。

毕业设计主要培养学生综合运用所学的知识与技能分析与解决问题的能力，并巩固和扩大学生的课堂知识。

通过毕业设计学会查阅、使用各种专业资料和网上资源，并以严肃认真、深入研究的工作作风完成设计任务，逐步向工程技术员转变,培养毕业生独立完成任务的能力，体现和检验综合设计能力，大力提高毕业生的技术水平，培养新一代既有理论、又有动手能力的实用性人才，以适应国际建设和发展的需要。

了解彩灯线路的基本理论，掌握单片机编程的基本设计方法和分析方法，对能够熟练地进行彩灯应用电路的设计与制作是十分必要和重要的。

1 设计要求
1.1 基本要求
设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现
(1) 彩灯一亮一灭,从左向右移动；
(2) 彩灯两亮两灭，从左向右移动；
(3) 四亮四灭，从左向右移动；
(4) 从1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭；
(5) 四种花样自动变换。

1.2 主要参考元器
555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，与门74LS08，非门74LS04，四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164。

1.3 元器件要求
（1）电路图要具有显示和清零功能
（2）数码管要实现对LED灯的连续调节
2 系统组成及工作原理
2.1 系统组成框图
把四花样彩灯设计分为几个独立的功能模块进行设计,每一个模块完成特定的功能,再把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，它们分别是：四种码产生电路、开关电路、数据输出、时钟电路。

设计框图如下图所示：
由两个555构成两个时钟电路，由模十六计数器和组合逻辑门构成四种码产
生电路，由双D 触发器和数据选择器构成开关电路，由移位寄存器和八个彩灯构成输出电路，一个时钟控制模十六计数器和移位寄存器，另一个时钟控制双D 触发器。

2.2工作原理分析
从多谐振荡器出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送到模十六计数器；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器。

调节多谐振荡器的电阻可以改变震荡频率，即改变彩灯移动的速度，得到不同的动态效果。

多谐振荡器、双D 触发器、数据选择器共同组成一个电子开关。

多谐振荡器输出的计数脉冲经双D 触发器两位二进制计数器，在它的两个输出端得到00、01、10、11四种逻辑状态。

这四个状态作为数据选择器的四个数据通道选择信号，对应从模十六计数器输送到数据选择器的QA ，QB ，QC ，QD 四个分频信号。

其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。

当双D 触发器输出为“00”时，数据选择器输出10000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样一；为“10” 时，数据选择器输出11000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样二；为“01” 时数据选择器输出11110000序列脉冲，为八分频信号，实现花样三；为“11” 时分频计数器 数据选择器 移位寄存器 多谐振荡器 多谐振荡器
多谐振荡器 开关电路 输 出
数据选择器输出1111111100000000序列脉冲，为十六分频信号，实现花样四。

调节开关电路的CP脉冲产生电路的电阻，可以改变开关的切换时间用以选择每种花样出现时间的长短。

数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端，在时钟脉冲的作用下，数据在移位寄存器的八位并行输出端从Q0到Q7顺序移动。

移动的八位控制信号直接控制发光二极管的亮灭，就出现了八路四花样自动循环切换的流水彩灯。

输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。

寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。

系统由脉冲信号发生器，双上升沿触发器，数据选择器，同步加法计数器，移位寄存器几大部分组成。

脉冲信号发生器提供脉冲信号源，双上升沿触发器进行分频，同步加法计数器实现不同的花型，输出选择器进行花型改变，寄存器进行花型演示。

3 单元电路模块与计算
3.1 时钟脉冲产生电路模块
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=0.7(R1+2R2)C………………………(4-1)
要用两个555产生两个时钟脉冲,一个控制74LS161模十六计数器和八位移位寄存器,要能看到彩灯的流动,其周期设为1秒左右, 电阻值和电容值可设为：R1=1KΩ， R2=51KΩ， C=0.01μF
由公式（4-1）计算得：T=0.721S
另一个555产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换,其周期设为模十六计数器的20倍,改变R1、R2的阻值即可，可设为：
R1=1KΩ， R2=1MΩ，C=0.01μF
由公式（4-1）计算得：T=14.42S
电路图如下图所示:
根据彩灯要实现的四花样,可确定移位寄存器输出的二进制码,即四种码产生电路要产生的码，如下表所示：
要产生这四种码，可由十六进制计数器接组合逻辑门产生。

四种码产生电路图如下图所示：
要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输
出Z
1、Z
2
、Z
3
、Z
4。

使双D触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双D
触发器能产生00、01、10、11这四钟循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四花样循环。

数据选择器的地址输入端A、B循环转变，输出端1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四花样自动循环改变。

数据选择器功能表如下表所示：
开关电路图如下图所示：
输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。

寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。

当输入移位寄存器数据输入端的码为10000000时，清零后在移位脉冲CP的作用下，输入码中的那位高电平“1”从寄存器的输出端QA经八个移位脉冲CP作用后逐渐到了QH，使输出端所连接的彩灯依次点亮，实现了彩灯依次点亮的花样。

当输入另外的三种码时，寄存器的数码移动原理相似，所以就不累赘了。

彩灯显示电路图如下图所示：
4 实验调试及测试结果分析
1.调试使用的主要仪器: 数字万用表直流稳压电源示波器函数信号发生器
2.测试电路的方法和技巧:
先检查各芯片的电源和地是否接上，检查线路是否连好；前面的检查无问题后，再根据彩灯的变化情况，确定可能的原因，分析是哪个功能模块出了问题，34用数字万用表检查各模块的功能，发现并改正错误，直到符合要求为止。

3.调试中出现的故障、原因及排除方法：
（1）彩灯只有一种花样变化，没有其它的花样：
原因可能是双D触发器74LS74不能产生周期性的两位二进制码或是555不能产生触发双D触发器的CP脉冲，使双D触发器维持在一种状态。

可换一片好的74LS74芯片或检查555CP脉冲产生电路，看是否产生周期性的CP脉冲，使双D触发器产生四种循环的状态，彩灯就能四花样变化。

（2）彩灯无规律变化：
原因可能是四种码的产生电路不能产生符合要求的四种码，检查模十六计数器的CP脉冲是否稳定，看74LS161是否能计数，即Q A、Q B、Q C、Q D是否周期性的高低电平变化，前面没问题，再检查与门74LS08和非门74LS04是否能实现它们逻辑功能。

（3）彩灯的四种花样都有，但中间有一些混乱的状态：
原因可能是数据选择器输出的两种码之间的间隔大于彩灯每一种状态持续的时间，使彩灯的一种花样完成后并没有进入另一种状态，当进入另一种状态时上一种状态的多余码进入下一个状态，故出现了混乱的状态。

可改变双D触发器的CP脉冲，即改变多谐振荡器的电阻，使得一种花样完成后，数据选择器地址输入端状态改变，正好选择另一组码输出，彩灯花样改变。

在整个调试完成后，却遇到了新问题：彩灯在演示时有时正常有时混乱。

在排除其他情况的条件下，我仔细检查各端子的连接情况，发现清“0”端在清零后悬空了。

将其插到电源正极后，发现问题解决了。

在整个调试完成后，却遇到的新问题：彩灯演示时有时正常有时混乱。

心得
通过这次对循环彩灯控制器的设计作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于循环彩灯控制器的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。

但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。

而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。

所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。

通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。

在设计过程中，既有用过的芯片，又有没用过的，只能自己查表，分析功能。

即学即用。

最后调试阶段，哪怕一个小小的错误也会使结果出不来。

只好一条线一条线地查，一个孔一个孔地测。

结果终于出来了，又发现有的地方还应改进。

如快慢节拍不是很明显，花型比较简单，且555产生的时钟信号频率太小等等。

在整个调试完成后，却遇到的新问题：彩灯演示时有时正常有时混乱。

在排除其它可能的情况下，我仔细检查各端子的连接情况，发现清“0”端在清“0”后悬空了。

将其插到电源正极后，发现问题解决了。

从电路图的设计、实现、仿真、实验报告，都是白己思考和动手。

掌握了pretuse软件的操作，用所学习过的芯片设计电路，并用PCB板来实现，实现的过程中排错、检查的能力也得到锻炼。

总而言之，好好利用了学校给我们提供的此次实习的机会，努力按要求
完成了任务，提高了自己的综合思考能力和动手实践能力。

参考文献
[1]何小艇.电子系统设计.杭州：浙江大学出版社，2001
[2]雷勇.电工电子技术实验.成都：四川大学出版社，2002
[3]王毓银.数字电路逻辑设.北京:高等教育出版社,2006
[4]陈先龙.电子技术基础实验.北京:国防工业出版社,2006
[5]宋万年.模拟数字电路实验.上海:复旦大学出版社,2004
[6]温飞兵.电子技术实践教程.湖南:长沙国防科技大学,2003
[7]石建平.数字电子技术.国防工业出版社，2011
[8]赵柯.电子技术实践（三）脉冲与数字电路实验指导书
[9]阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社（第五版），2006
[10]华成英.童诗白主编《模拟电子技术基础》（第四版）清华大学
附录3 元器件清单。