中南大学彩灯控制器实验报告讲解Word格式.docx
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目录
前言1
一、课题设计任务及要求.3
二、设计目的3
三、优选设计方案4
四、整体设计思想及原理框图5
五、各模块设计与分析6
1、脉冲发生电路7
2、控制电路和译码电路10
3、存储电路12
4、数码管显示电路.14
六、元器件清单15
七、安装及调试中出现的问题和解决方法15
八、设计感想17
附录
一、实验电路图20
二、实验电路连接图.21
三、参考文献21
一、课题设计任务及要求
课题名称:
可编程彩灯控制器
设计任务及要求:
通过对硬件编程,将图形、文字、动画存储在E2PROM中,通过计数器控制图形、文字、动画的地址,在利用显示矩阵显示出来。
系统所显示的内容可反复循环,直至手动清零,便可回到初始地址。
1、设计脉冲产生电路、图形控制电路和存储电路;
2、用发光二极管点阵(8×
8)作为显示电路,显示内容的动面感要强。
3、图形能连续循环,图形大于64幅,图形显示间隔在20ms~2s范围内连续可调;
4、能手动清零功能,有自动选画功能;
5、完成电路全部设计后,通过实验箱验证设计课题的正确性。
二、设计目的
本课程设计主要是为了实现可编程彩灯控制的功能,且通过本次电子课程设计,了解电子产品设计的一般过程,掌握电子线路设计的基础方法和一般过程,能灵活运用已学过或者类似的集成块构成电路实现上述功能,还能灵活掌握555电路的应用方法。
能用仿真软件对电子线路进行仿真设计,还能用Portel等软件绘制PCB图,掌握了电子电路调试的方法,且能独立解决设计与调试过程中出现的一般问题,并进一步掌握EEPROM的编程方法和应用。
三、优选设计方案
方案A:
根据设计要求,本系统由控制电路,编码发生电路和输出驱动电路等组成。
其彩灯控制器的总体设计思想如下:
1.编码发生器
编码发生器根据花形要求,按节拍送出64位状态编码信号,以控制彩灯按规律亮或灭。
因为彩灯路数少,花形要求不多,可选用移位寄存器输出64路数字信号,控制彩灯发光。
编码发生器采用16片4位通用移位寄存器74LS194来实现。
74LS194具有异步清除和同步预置、左移、右移和保持等多种功能,控制方便灵活。
64路彩灯采用两片74LS194组成64位移位寄存器,花形设计比较灵活。
移位寄存器的64个输出信号通过驱动电路控制电路来控制彩灯,编码器中数据输入端和控制端的接法由花形决定。
根据选择的花形,可列出移位寄存器(编码发生器)输出状态。
2.控制电路
控制电路为编码器提供所需的节拍脉冲和驱动信号,控制整个系统工作。
控制电路的功能有两个:
一是按需要产生节拍脉冲;
二是产生移位寄存器所需要的各种驱动信号。
控制电路设计通常按照下述步骤进行:
逐一分析单一花形运行,移位寄存器的工作方式和驱动要求,按照工作状态决定74LS194移位寄存器工作的状态顺序,同时是分析移位寄存器工作方式和驱动要求的依据。
方案B:
采用555定时器输出脉冲,高频通过计数器控制电路和译码电路,不断刷新显示矩阵的各列;
而低频产生脉冲,决定显示哪一幅画面。
由于需要产生64幅以上的图形,可以设计一个64进制的计数器,即可显示64幅图,此低频接在EEPROM的高位,而高频计数器控制电路的输出接在EEPROM的低三位。
即高位决定显示哪幅画,低位表示每幅图形的每列的显示。
显然,方案B比较合理而且能实现课程设计的要求,采用方案B来进行课程设计。
四、整体设计思想及原理框图
本系统可设计为四个模块:
1.脉冲发生电路
采用两个555定时器组成振荡器,一个产生高频和一个产生可调低频。
高频通过计数器控制电路和译码电路,不断刷新显示矩阵的各列;
2.图形控制电路
用74LS161芯片设计一个64进制的计数器,以显示64幅图,其中低片计数器构成16进制,高片计数器构成4进制,并且将低频通过计数控制电路接在EEPROM的高位,从而选择显示哪一幅画。
而高频通过计数器控制电路接在EEPROM的低三位,不断刷新显示矩阵的各列,用以控制图形的显示。
由于显示矩阵是由64个发光二极管组成,把译码器输出接在显示矩阵的阴级进行行控制,EEPROM接在显示矩阵的阳极进行列控制,只有同时导通时,二极管才亮。
译码电路是低电平有效,每次只有一个输出有效,所以需要快速进新刷新,故将高频通过计数器控制电路接在译码电路的输入端。
3.数码管显示电路
当前8X8显示矩阵显示的是哪一幅画,可以通过2个数码管显示出来。
其中第一个数码管显示该画面所在的组别,另一个显示该幅画为这个组别的第几幅画。
由于上面设计为16X4的64进制计数器控制显示画面。
故可以设计四种组合,每一个组合为16副画。
4.存储电路
显示什么样的图形就决定于EEPROM的编程,而最终显示在显示矩阵上。
此外,暂停功能:
控制低频计数器低位的EP和ET端实现。
手动选画功能:
当低频计数器的
端为高电平时,图形自动连续循环;
当
端为低电平时,计数器处于置数功能,可通过选画开关选择需要显示的图画,其中高片计数通过置数选择画面组别,低频计数器通过指数选择此组合内的某一幅画。
清零功能:
控制低频计数器的清零端
,当
=0时,计数器实现清零功能。
原理框图如下:
显示矩阵
存储单元
译码驱动电路
计数控制电路
脉冲发生电路(低频)
脉冲发生电路(高频)
五、各模块设计与分析
根据设计要求,本系统由脉冲发生电路、控制电路、译码驱动电路、存储矩阵和显示电路等几部分构成可编程彩灯控制电路。
A.脉冲发生电路
1、555定时器的组成和功能
⑴.内部组成框图:
它主要由两个高精度电压比较器A1、A2,一个RS触发器,一个放电三极管和三个5KΩ电阻的分压器而构成。
(如下图所示)
⑵.引脚图及其功能
Vo’
Vco
TH
V。
GND
Vcc
1脚:
外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地。
3脚:
输出端Vo
2脚:
低触发端
6脚:
TH高触发端
4脚:
是直接清零端。
端接低电平,则时基电路不工作,此时不论
、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:
Vco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0.01μF电容接地,以防引入干扰。
7脚:
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。
8脚:
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。
一般用5V。
⑶.功能介绍:
在1脚接地,5脚未外接电压,两个比较器A1、A2基准电压分别为2/3V,1/3V的情况下,555时基电路的功能表如下表所示。
清零端
高触发端TH
Qn+1
放电管T
功能
导通
直接清零
1
置0
截止
置1
Qn
不变
保持
⑷.555定时器构成的多谐振荡器工作原理
接通电源后,假定V0是高电平,则T截止,电容C充电。
充电回路是VCC—R1—R2—C—地,VC按指数规律上升,当VC上升到2/3VCC时(TH、
端电平大于2/3VCC),输出V0翻转为低电平。
V0是低电平,T导通,C放电,放电回路为C—R2—T—地,VC按指数规律下降,当VC下降到1/3VCC时(TH、
端电平小于1/3VCC),V0输出翻转为高电平,放电管T截止,电容再次充电,如此周而复始,产生振荡,经分析可得:
输出高电平时间
输出低电平时间
振荡周期
输出方波的占空比
2、本模块工作原理介绍
脉冲发生电路主要用来产生时间基准信号(脉冲信号)。
因为可编程循环彩灯对频率的要求不高,只要能产生高低电平就可以了,且脉冲信号的频率可调,所以采用555定时器组成的振荡器,其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。
本系统采用两片555定时器分别构成高频脉冲发生器和低频脉冲发生器。
高频脉冲发生器是用555构成多谐振荡器。
由于人眼每秒可分辨出24幅图,而高频计数器采用8进制,作为刷新频率的脉冲,此高频刷新电路输出脉冲的频率应大于24*8=192Hz,这样便可以显示整幅的画面。
低频脉冲发生器用于提供计数电路的脉冲,它能决定画面显示的速率。
速率的调节可通过调节滑动电阻(0~1M)来实现。
高频脉冲发生低频脉冲发生器
R1=100KR1=750KR1’=0~1M
R2=100KR0=R2=1K
C1=C2=0.01UfC1=10UfC2=0.01Uf
f=476Hzf=0.18~0.33Hz
B.控制电路和译码电路
1.74LS138功能介绍
74LS138是一种常见的3线8线译码器,它的八个输出引脚,任何时刻要么全为高电平1,则芯片处于不工作状态;
要么只有一个为低电平0,其余7个输出引脚全为高电平1;
如果出现两个输出引脚同时为0的情况,说明该芯片已经损坏。
其功能表如下:
当附加控制门的输出为高电平(S=1)时,可由逻辑图写出
由上式可以看出,输出是这三个输入变量的全部最小项的译码输出,所以也把这种译码器叫做最小项译码器。
74LS138的管脚图如右:
2.74LS161功能介绍
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器,它可以灵活的运用在各种数字电路,以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能。
ET
⑴74LS161引脚图管脚图
74LS161
EP
CP:
时钟P0~P3:
四个数据输入端
:
EP,ET:
使能端
同步置数端Q0~Q3:
数据输出端
TC:
进位输出(TC=Q0·
Q1·
Q2·
Q3·
ET)
⑵74LS161功能表
74LS161真值表
从74LS161真值表功能表中可以知道,当清零端CR=“0”,计数器输出Q3、
=0时,Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”,这个时候为异步复位功能;
=1且
=0时,在CP信号上升沿作用后,74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据
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