四花样彩灯控制器讲解

课程设计说明书

课程设计名称：数字电路课程设计

课程设计题目：四花样彩灯控制器

学院名称：信息工程学院

专业：通信工程班级：********* 学号：*********** 姓名：******* 评分：教师：******

20 年月日

数字电路课程设计任务书

20 －20 学年第学期第周－周

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要

本次课程设计应用了彩灯控制器的原理，主要采用74LS93模十六计数器和555多谐振荡器，实现了四花样自动循环变换。

首先要分析设计要求，从要实现四花样入手推导出要使用的芯片。可通过八位右移寄存器74LS164实现八个彩灯的向右移动，从它的右移输入端输入四种码来实现它的四种花样。根据四种花样来确定这四种码，而这四种码可通过模十六计数器74LS93产生。要实现彩灯的自动转换，把四种码输入四选一数据选择器74LS153的四个输入端，它的地址输入端接双D触发器74LS74的两个输出端，74LS74可产生四种循环的状态，从而实现彩灯的自动转换。时钟信号由两个555产生，一个产生周期为0.721秒的矩形脉冲控制模十六计数器74LS93和八位右移寄存器74LS164,另一个产生周期为14.01秒的脉冲控制双D触发器。当彩灯完成一种花样时，双D触发器输出状态改变，数据选择器选择另一种码输出，彩灯变为下一种花样，直到完成四种花样再循环变化。

关键词：彩灯控制器、移位寄存器、数据选择器、时钟脉冲、自动转换

前言 (1)

第一章设计内容及要求 (2)

1.1 设计内容 (2)

1.2 设计要求 (2)

1.3 主要参考元器件 (2)

第二章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)

第三章硬件电路设计方案 (5)

3.1 方案一 (5)

3.2 方案二 (6)

3.3 单元电路设计，参数计算及器件选择 (7)

3.3.1 时序脉冲电路 (7)

3.3.2 四种码产生电路 (9)

3.3.3 彩灯自动转换电路 (12)

3.3.4 整机电路分析 (15)

第四章软件设计仿真 (16)

4.1 电路仿真图 (16)

第五章实验、调试和测试结果与分析 (19)

5.1 电路的焊接和安装 (19)

5.2 电路的调试 (19)

第六章结论 (22)

参考文献 (23)

附录A 花样彩灯控制器原理总图 (24)

附录B 各个芯片的管脚功能图 (25)

附录C 元器件清单 (26)

彩灯控制器有着非常广泛的运用，如：LED彩灯，音乐彩灯控制器，二维彩灯控制器等等。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，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，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。

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。

本次实验主要研究的是四花样彩灯控制器，应用的是数字逻辑电路的有关知识，是进行复杂设计的基础，对进行复杂彩灯设计具有指导意义。

第一章设计内容及要求

1.1 设计内容

设计一四花样自动切换的彩灯控制器。

1.2 设计要求

(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。

1.3 主要参考元器件

芯片：555定时器，模十六计数器74LS93，双D触发器74LS74，四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164。

第二章系统组成及工作原理

2.1 系统组成框图

图2.1 系统组成框图

各模块的组成及功能分析：

1.时钟电路：由两个555和电阻电容组成，构成两个多谐振荡器，一个周期为0．721秒，控制计数器和寄存器，另一个周期为14.01秒，控制双D触发器。

2.四种码产生电路:由模十六计数器74LS93产生四种码。

3.自动转换控制电路：由双D触发器74LS74和四选一数据选择器74LS153组成，双D的两输出端接数据选择器的地址输入端，它能产生两位循环二进制码，每改变一种状态，数据选择器选择一种码输出，使彩灯花样自动循环。

4.数据输出电路：由八位移位寄存器74LS164和八个彩灯组成，选择输出的每一种码输入到寄存器的数据输入端，使码在寄存器的八个输出端自左向右移动，实现彩灯的花样。

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。

第三章硬件电路设计方案

3.1 方案一

由低电平用多谐振荡器的输出端作为双D触发器的时钟。计数器每计八个数，Q

D

变为高电平，双D触发器的状态改变，四选一数据选择器74LS153选择下一种码输出，彩灯变为另一种花样，以后四种花样循环改变。如图3.1所示。

图3.1 方案一

由两个多谐振荡器输出脉冲信号，从一个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的时钟脉冲CP端；数据从74LS161十六位计数器的输出端QA，QB，QC，QD输出，经过与门和非门用来控制和改变74LS161输出的数据，最终输入到四选一数据选择器74LS153的数据输入端1C0，1C1，1C2，1C3。另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器的时钟脉冲信号输入端。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。从另一个多谐振荡器出来的脉冲信号，输出到双D触发器的时钟信号输入端，由双D触发器实现四分频，用双D触发器的输出端Q1、Q2控制选择器的地址输入端，使数据选择器自动选择一种码输出，实现彩灯花样的自动控制。然后，从输出端输出到四选一选择器的输入端A，B。从四选一选择器的输出端输出到八位寄存器的输入端，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。

此方案会使彩灯花样一（或花样二）每次循环时只有一个（或两个）灯亮，符合

设计要求。

3.2 方案二

彩灯控制器电原理图如图3.2所示。该电路由两个NE555接成多谐振荡器， 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，双D触发器74LS74接成两位2进制加法计数器，双4选l 数据选择器74LSl53只用其一组4选1数据通道，3位单向移位寄存器74LSl64是产生移动灯光信号的核心器件。如图3.2所示。

图3.2 方案二

从上面A2的OUT端出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送到U3的14脚；另一路作为移位时钟脉冲加到U1的8脚。调节R2改变A2的振荡频率，可以改变灯光的移动速度，以得到不同的动态效果。

A1、U2A、U2B共同组成了一个电子开关。A1输出的计数脉冲经U2A、U2B两位二进制计数，在U2A、U2B的两个输出端共可得到“00”～“11”4个逻辑状态。这4

个状态作为U4的4个数据通道选择信号，对应从A2输送到U3的Q

A 、Q

B

、Q

C

、Q

D

4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U2A、U2B输出为“00”时，选通U4的6脚；为“01”时，选定U4的5脚；为“10”时，选定U4的4脚；为“11”时，选定U4的3脚。调节R5改变A1的输出脉冲周期，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。

从U4的7脚输出的数据信号送到U1的输入端，在时钟脉冲作用下，数据在U1的8位并行输出端从Q0一Q7顺序移动。这一移动的8位控制信号经功率驱动电路去推动8路彩灯，就出现了8路4花样自动循环切换的流水彩灯。

此方案会使彩灯花样一（或花样二）每次循环时依次有一个（或两个）灯亮，每次总共有四个灯亮，也符合设计要求。

方案比较：方案一和方案二在花样一和花样二的功能上虽然不尽相同，但都基本符合设计要求，然而方案一相对来说所用元件比方案二更多，电路更为复杂，所以选用方案二。

3.3 单元电路设计，参数计算及器件选择

3.3.1 时序脉冲电路

时钟脉冲产生电路由NE555定时器、两个电阻和两个电容构成。555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它可以方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器，由于使用灵活、方便，所以555定时器再波形的产生与变换、测量与控制等多种领域都得到广泛应用。时钟脉冲产生电路主要由555定时器芯片来实现，555芯片管脚图如图3.3所示。

图3.3 555芯片管脚图

555定时器内部主要有以下几部分构成：

（1）电阻分压器。由3个5 KΩ的电阻组成。

（2）电压比较器。由C1和C2组成，当控制输入端悬空时，C1和C2的基准电压分别是2/3Vcc和1/3Vcc。

(3)基本RS触发器。由两个与非门G1和G2构成，对两个比较器输出的电压进行控制。

(4)放电三极管VT。VT是集成极开路的三极管，VT的集成极作为定时器的引出

端D 。

(5)缓冲器。由G3和G4构成，以提高电路的负载能力。

引脚功能:1脚位接地端；2脚是低电平触发端入端；3脚是输出端；4脚是复位端；5脚是电压控制端；6脚是高电平触发端入端；7脚是放电端；8脚是电源端。

时钟电路图如图3.4所示：

图3.4 时钟电路图

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:

()C R R T 2127.0+= (3-1) 要用两个555产生两个时钟脉冲,两个时钟电路是相同的。

一个控制74LS93模十六计数器和八位移位寄存器,要能看到彩灯的流动,为方便计算，其周期可先设为1秒, 电阻值和电容值可设为：

Ω=k R 11 Ω=k R 512 uF C 101=

F uF C n 1001.02==

为方便调试选用电位器Ωk 100，由公式（3-1）计算得：T =0.721s

时钟电路的输出一路作为计数脉冲送到模十六计数器74LS93；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器74LS164。

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10倍,改变R2、R4的阻值即可，可设为：

Ω=k R 13

Ω=k 5.5144R

uF C 103=

F uF C n 1001.04==

为方便调试选用电位器ΩM 1，由公式（3-1）计算得：T =14.42s 工作原理:

多谐振荡器的输出波形图，如图3.5所示。

图3.5 多谐振荡器的输出波形图

接通电源后，VCC 经R1，R2给电容C 充电。由于电容上电压不能突变，电源刚接通时Vc=0，当Vc 上升到大于Vcc ／3时，RD=1，SD=1，基本RS 触发器状况不变，即输出端Q 仍为高电平，当VC 上升到略大于2VCC ／3时，Rn=0，SD=1，基本RS 触发器置0，输出端Q 为低电平。这时Q=1，使内部放电管饱合导通。于是电容C 经R2和内部放电管放电，Uc 按指数规律减小。

当Vc 下降略小于Vcc ／3时，内部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，基本RS 触发器置1，输出高电平。这时，Q=0，内部放电管截止。于是C 结束放电并重新开始充电。如此循环不止，输出端就得到一系列矩形脉冲。

3.3.2 四种码产生电路

四种码产生电路的核心器件是74LS93构成十六位计数器，模十六计数器74LS93芯片管脚图如图3.6所示。

图3.6 74LS93管脚图

74LS93具有以下功能：

(1)复位。当R01=1、RO2=1，不管其他输入端的状态如何，不论有无时钟CP，计

数器输出将直接置零(Q

D Q

C

Q

B

Q

A

)=0000，称为复位。

(2)计数。当R01=1、RO2=X或R01=X、RO2=1时，将INB接QA端，在输入脉冲上升沿的作用时，在INA端输入计数脉冲作用下，计数器进行二进制加法器计数。

四种码产生电路如图3.7所示。

图3.7 四种码产生电路图

四种码产生电路根据彩灯要实现的四花样,得到四种码产生电路要产生的码，如表3.1所示。

表3.1 四种码

这四种码可由模十六计数器74LS93产生。十六进制计器的真值表如表3. 2所示。

表3.2 计数器真值表

工作原理:由模十六计数器74LS93构成四种码产生电路，最终产生四种不同的码，来实现彩灯的四花样。数据从74LS93十六位计数器的输出端QA，QB，QC，QD

输出，最终输入到四选一数据选择器74LS153的数据输入端1C0，1C1，1C2，1C3。

3.3.3 彩灯自动转换电路

彩灯自动转换控制电路由双D触发器和双四选一数据选择器74LS153，双四选一数据选择器74LS153芯片管脚图如图3.8所示。

图3.8 74LS153管脚图

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Z1、Z2、Z3、Z4，也就要使它的地址输入端输入四种状态并循环转变，可用双D触发器实现。

设双D触发器的初始状态Q1Q2=00可得，Q1、Q2的状态变换顺序为00—>01—>11—>10—>00，实现四分频。用双D触发器的输出端Q1、Q2控制选择器的地址输入端，使数据选择器自动选择一种码输出，实现彩灯花样的自动控制。

自动转换控制电路如图3.9所示。

图 3.9 自动控制电路

74LS153数据选择器的功能表如表3.3所示。

表3.3 74LS153数据选择器的功能表

工作原理：数据从多谐振荡器的输出端输出，输入到双D触发器的时钟信号输入端，然后从双D触发器的输出端，输出到双四选一数据选择器74LS153的地址输入端。由表3.3可知，A、B循环转变，输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。

位移位寄存器74LS164芯片管脚图如图3.10所示。

图3.10 74LS164管脚图

当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA-QH）均为低电平，串行数据输出端(A，B)可控制数据。当A,B任意一个为低电平时，则禁止新的数据输入，在时钟端（CLEAR）脉冲作用下ＱＡ为低电平，当A、B有一个为高电平时则另一个就允许输入数据，并在CELAR上升沿作用下决定QA的状态。

74LS164的引脚功能：

CLOC：时钟输入端；

CELAR：清除端（低电平有效）；

A、B：行数据输入端；

QA－QH：输出端。

花样输出电路如图3.11所示。

图3.11 花样输出电路图

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，寄存器数码移动情况如表3.4所示。

表3.4 寄存器数码移动情况表Array工作原理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。由表4-4可看出，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。

3.3.4 整机电路分析

根据单元电路可得到整机工作原理图，如图3.12。

图3.12 四花样彩灯循环的整机电路图

整机电路工作原理：

由A1和A2组成的两个多谐振荡器输出脉冲信号，从A1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74LS93的INA端，数据从74LS93十六位计数器的输出端QA，QB，QC，QD输出，再输入到四选一数据选择器74LS153的数据输入端1C0，1C1，1C2，1C3。另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器74LS164的时钟脉冲信号输入端。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。

从A2多谐振荡器出来的脉冲信号，输出到双D触发器74LS74的时钟信号输入端，由双D触发器实现四分频，用双D触发器的输出端Q1、Q2控制选择器的地址输入端A、B，使数据选择器74LS153自动选择一种码输出，实现彩灯花样的自动控制。

最终，从四选一选择器的输出端Y7输出到八位寄存器的A、B输入端，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。

第四章软件设计仿真

4.1 电路仿真图

本设计采用Multisim仿真软件对硬件部分进行仿真。整机仿真电路图如图4.1所示.

图4.1 整机仿真电路图

一个灯循环仿真图，如图4.2所示：

图 4.2 一个灯循环仿真图