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四花样彩灯控制器
四花样彩灯控制器
前言
在当今的社会里,彩灯已经成为我们生活的一部分,能给我们带来视觉上的享受还能美化我们的生活。
四花样彩灯控制器主要是通过电路产生有规律变化的脉冲信号来实现彩灯的各种变化。
它的主要器件是寄存器。
现如今寄存器是数字系统常见的重要部件,除在计算机中广泛用于存放中间数据外,它在其他方面的应用,目前在教材中只介绍可构成环形或扭环形计数器。
本次实验由于触发器具有记忆的功能,可将移位寄存器设计成彩灯控制电路。
由于电路本身实用,如果再通过仿真,可以直观地看到循环彩灯控制效果。
如果稍微改动控制电路,就可以改变电路的不同工作状态,控制彩灯变幻出不同的闪烁效果。
控制电路是由数字电路课程中学过的单元电路组合而成的,主要由555振荡电路产生一矩形脉冲,在经74LS161分频后得到四路分频信号,由74LS74)74LS153组成的电子开关去控制这四路分频信号,进而控制彩灯亮灭的顺序,从而出现彩灯四种花样自动切换。
本课题设计师属于硬件逻辑设计,通过使用四频率输出分频器、时间选择器、四选一控制器、彩灯控制器等集成器件来进行彩灯四种花样的自动切换。
其电路简单、取材容易,而且被广泛地应用与现实生活当中。
经过了几天的努力,安装并调试电路,期间还进行了部分方案的修改,现已实现了课程设计的主要任务和具体要求。
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四花样彩灯控制器
第一章设计要求
1.1设计课题
题目:
四花样彩灯控制器
1.2设计要求
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)一亮一灭,从左向右移动;
(2)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。
1.3参考器件
主要参考器件:
555定时器,模十六计数器74LS161,双D触发器74LS74,双四
选一数据选择器74LS153,八位移位寄存器74LS164。
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第二章电路方案设计
2.1方案比较
方案一:
系统框图如图2.1所示:
移位寄存器分频计数器数据选择器单稳态触发器
QD输出
开关电路输出
图2.1方案一系统组成框图
图2.1中的框图由一个555构成时钟电路,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,时钟脉冲控制模十六计数器和移位寄存器,分频计数器的QD控制双D触发器。
方案二:
系统框图如图2.2所示:
多谐振荡器
数据选择器多谐振荡器分频计数器移位寄存器
开关电路多谐振荡器输出
图2.2方案二系统组成框图
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四花样彩灯控制器
图2.2中的框图由两个555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。
比较两方案可知两种设计方案都是由时钟电路、分频电路、开关电路、输出电路四大电路组成,后三大电路设计方案基本一致,不同的是时钟电路。
方案一的时钟电路是由一个555构成的多谐振荡器,而双D触发器的脉冲由模十六计数器的Q4提供;方案二的时钟电路是由两个555构成的多谐振荡器,一个提供十六计数器和移位寄存器的脉冲,另一个提供双D触发器的脉冲。
其中若方案二的两555的输出脉冲周期没有调好,就极易导致数据选择器输出的两种码之间的间隔与彩灯每一种状态持续的时间不成整数倍,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,或者一种花样还没完成就进入下一种花样,会出现混乱的状态。
这时需改变双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,但这种改法较复杂。
而方案一则是用分频计数器的QD控制双D触发器,这样就可以确保数据选择器输出的两种码之间的间隔恰好是彩灯每一种状态持续的时间的整数倍,而且此方案比方案二少用了一个555,电路更为简单,是更好的设计方案。
2.2电路图设计
我们选择方案一的设计思想,设计的电路如图2.3所示。
本电路图设计简单、结构清晰,可分为四种码产生电路、开关电路、输出电路和时钟电路这四个模块。
四种码产生电路由模十六计数器和组合逻辑门构成,开关电路由双D触发器和数据选择器构成,输出电路由移位寄存器和彩灯构成,时钟电路由一个555构成。
通过改变多谐振荡器的电阻可改变彩灯流动的速度和各花样持续的时间,实现了彩灯花样的动态变化,增强了控制器的灵活性。
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图2.3电路原理图
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第三章系统组成及工作原理
3.1系统组成
该设计由一个555构成的时钟电路,模十六计数器构成的四种码产生电路,双D触发器和数据选择器构成的开关电路,移位寄存器和八个彩灯构成的输出电路这四大电路组成。
其中时钟脉冲控制模十六计数器和移位寄存器,分频计数器的QD控制双D触发器。
3.2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中;另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器。
改变多谐振荡器的电阻或电容可以改变振荡频率,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过双D触发器构成的两位二进制计数器,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出送到数据选择器的QA,QB,QC,QD四个分频信号。
其作用相当于一个受时钟控制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10101010序列脉冲,为二分频信号,实现花样一,即灯一亮一灭,从左向右移动;为“10”时,数据选择器输出11001100序列脉冲,为四分频信号,实现花样二,即灯两亮两灭,从左向右移动;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,即灯四亮四灭,从左向右移动;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,即灯从左到右逐次点亮,然后逐次熄灭。
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。
数数据选择器的输出端接到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。
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第四章单元电路设计与计算
4.1时钟脉冲产生电路
用555定时器构成多谐振荡器,电路输出就得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为:
T=0.7(R1+2R2)C(4-1)
时钟脉冲控制74LS161模十六计数器和八位移位寄存器,计数器的十六分频控制四选一数据选择器。
要能看到彩灯的流动,其周期可设为1秒左右,电阻值和电容值设为:
R1=1KΩ,R2=51KΩ,C=10μF,。
由公式(4-1)计算得:
T=0.721s,电路图
5V如图4.1:
VCC
8R1VCC41kohmU1RST37OUTR2DIS651kohmTHR2
TRI555_VIRTUAL5
CONGND
C11C20.01uF
10uF
图4.1时钟脉冲产生电路
4.2四种码产生电路
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,如表4-1所示:
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表4-1四种码
花样状态要求周期(位)码1一亮一灭,从左向右移动8100000002两亮两灭,从左向右移动8110000003四亮四灭,从左向右移动811110000
从1,8从00左到右逐次点亮,然
4161111111100000000
后逐次熄灭
要产生这四种码,可由十六进制计数器接组合逻辑门产生,十六进制计数器的真值表如表4-2所示:
表4-2计数器真值表
输出
原状态[S(t)]次态[N(t)]
序号
QQQQQQQQ43214321
ZZZZ12340000000010111100010010001120010001100113001101000001401000101000150101011000016011001110001
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701111000111081000100101109100110100010101010101100101110111100000012110011010000131101111000001411101111000015111100001111
四种码的产生电路如图4.2所示:
图4.2分频电路
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4.3彩灯开关电路
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、Z、Z、Z。
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1234
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。
表4-3双D触发器状态表
Q1nQ2nQ1n+1Q2n+1
0001
0110
1011
1100令Q1Q2=AB,74LS153数据选择器的功能表如表4-3所示:
表4-4数据选择器功能表
B(Q2)A(Q1)1Y
00Z1
10Z3
11Z4
01Z2
00Z1
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由表4-3可知,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。
开关电路图如图4.3所示:
图4.3开关电路
4.4花样输出电路
输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个电阻构成。
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,寄存器数码移动情况如表4-4所示:
表4-5寄存器数码移动情况表
CPRiQAQBQCQDQEQFQGQH
1110000000
2001000000
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300010000040000100005000001000600000010070000000108000000001由表4-5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类似。
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第五章实验、调试及测试结果分析5.1仪器
调试中使用的主要仪器有:
数字万用表、直流稳压电源、双踪示波器、函数信
号发生器。
5.2测试电路的方法和技巧
安装电路时按照各个功能模块安装,安装完一个模块就先检查这个模块,确定无误后在安装下一个模块,这样可以更有效率地安装好真确的电路。
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,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。
5.3调试中出现的故障、原因及排除方法
1.彩灯没有四种花样
观察实验结果时,电路只能产生一种两种或三种花样,没有完整的四种花样。
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。
解决方法:
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,彩灯就能产生四种花样变化。
2.彩灯无规律变化
检测时,灯会亮,但是没有按照我们所要求的规律变化。
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、Q、Q、Q是否周期性的高低电平变化。
ABCD
3.彩灯的四种花样都有,但中间有一些混乱的状态
观察实验结果是,彩灯的四种花样都出现了,但是它们之间有一些混乱的状态。
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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。
但这种方法较为麻烦,通过比较和思考本设计最终采用了用74LS161的QD作为双D触发器的CP脉冲,使得数据选择器输出的两种码之间的间隔恰好是彩灯每一种状态持续的时间的整数倍。
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总结
设计电路的关键在于对设计要求的理解分析以及对基本电路相关知识的熟练掌握。
设计电路时,将总体的功能分成若干个功能模块来实现,是简化电路设计思路的很好方法;搞清各个模块的功能与实现要求的具体操作方法,对电路故障的检查有很大的帮助。
本次设计的内容是四花样彩灯控制器。
由于在以前的学习中积累了一些经验,这次设计总的来说是比较顺利的。
通过设计,我进一步熟悉了电烙铁和万用表的使用方法,巩固和加深对数字电路所学理论知识的理解和掌握,特别是对74LS161十六位循环计数器、74LS153数据选择器、74LS164八位移位寄存器、74LS74双D触发器、多谐振荡器等元件有了更深的了解。
通过这次课程设计,我受益匪浅,学会了如何获取资料、对不同设计方案进行比较,调试电路的能力有所提升,焊接技术也得以提高。
此外,在这次设计中,真正锻炼了动手能力,活跃了自己的思维,巩固了所学知识。
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参考文献
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电子工业出版社,2002
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附录1四花样彩灯控制器原理总图
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四花样彩灯控制器附录2各芯片管脚图
555管脚图
74LS161管脚图
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四花样彩灯控制器
74LS74管脚图
74LS164管脚图
19
四花样彩灯控制器
74LS153管脚图
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附录3元器件清单
种类元件个数
74LS1611
74LS1531
74LS741芯片74LS1641
5551
电容0.01μ1
10μ1
1KΩ1电阻51KΩ1
510Ω8发光8二极
管
16脚2插槽14脚2
8脚1电路1板
导线、焊丝若干
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