多路彩灯控制器课程设计.docx
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多路彩灯控制器课程设计.docx
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多路彩灯控制器课程设计
前言........................................第2页
课程设计题目................................第4页
课程设计目的................................第4页
任务和要求..................................第5页
总体方案的选择..............................第6页
单元电路的设计..............................第7页
设计原理....................................第8页
芯片介绍....................................第11页
彩灯的布置..................................第17页
各部分电路..................................第19页
总电路......................................第25页
信号波形....................................第25页
心得体会....................................第29页
参考文献....................................第30页
前言
灯光的闪烁和流动可以用于各种各样的装饰,电子门标,广告装饰等等…流动的灯光总是特别吸引人们的眼球。
在夜晚,城市街头,一旦广告牌上的灯光流动起来,那它马上变得生动起来。
彩灯是大家比较感兴趣的话题,我今天说的这一个,它就利用大学所学到的数电知识制成,只要了解几种集成电路便可轻松明白它的原理。
做好的彩灯可以放在客厅,卧室等地方,你会感到温馨;或是歌舞厅等地方以增加氛围。
循环彩灯的电路很多,循环方式更是多种多样。
有的更是专门的可编程彩灯集成电路。
但大多数的彩灯控制电路是数字电路来实现的,用中等集成电路实现的彩灯控制主要用计数器,译码器,触发器和一些门电路等集成。
本次设计的八彩循环彩灯控制器就是用计数器、定时器、移位寄存器等门电路来实现的,其特点是用发光二极管,能发出其种不同颜色的光。
设计八路彩灯控制器目的在于进一步熟悉逻辑电路、脉冲发生电路的的设计方法及熟悉相关数字芯片的功能和使用方法。
本设计通过LM555CM定时器、74163N计数器、74194N移位计数器等实现一个装饰四路彩灯控制器,通过这个控制器可以实现灯的不同花色。
通过这个设计可以让我们加深对电子电路的理解,方便以后课时的学习。
课程设计题目
多路彩灯控制器
课程设计目的
1.通过课程设计,进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。
2.熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用,并掌握其工作原理,进一步学会使用其进行电路设计。
3.了解数字系统设计的基本思想和方法,学会科学分析和解决问题。
4.培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
5.课程设计是大学课程不可缺少的一部分,通过课程设计使学生理论知识与实际相结合,同时还能增强动手实践的能力。
6.掌握Multisim10.01进行仿真电路,并能找出电路中出现的错误,更正错误。
任务和要求
实现彩灯控制的方法很多,如EPROM编程、RAM编程、单板机、单片机等,都可以组成大型彩灯控制系统。
因为本次实习要求设计的彩灯路数较少,且花型变换较为简单,故采用移位寄存器型彩灯控制电路。
(1)彩灯控制器设计要求
设计一个8路移存型彩灯控制器,基本要求:
1.8路彩灯能演示至少三种花型(花型自拟);
2.彩灯用发光二极管LED模拟;
选做:
实现快慢两种节拍的变换。
(2)课程设计的总体要求
1.设计电路实现题目要求;
2.电路在功能相当的情况下设计越简单越好;
3.注意布线,要直角连接,选最短路径,不要相互交叉;
总体方案的选择
(1)总体方案的设计
针对题目设计要求,经过分析与思考,拟定以下方案:
方案:
总体电路共分三大块。
第一块实现时钟信号的产生;第二块实现花型控制电路;第三块实现花型演示电路。
主体框图如下:
根据所提供的实验器材各模块总体思路如下:
时钟信号CP电路
花型控制电路:
由两片1634位二进制同步计数器和一些与非门共同完成;
花型演示电路:
由两片194双向移位寄存器完成(可左移右移完成花型变化);
(2)总体方案的选择
将整个设计电路的功能模块化,设计思想比较简单。
元件种类使用少,且都较熟悉易于组装电路。
这么设计的出发点是:
电路设计模块化,易于检查电路,对后面的电路组装及电路调试都很方便。
。
花型控制电路简单,花型也比较简单。
设计确定将电路模块化,通过仿真软件也实现了设计要求。
单元电路的设计
1.设计所使用的元件:
74LS163N(四位二进制同步计数器)----------------2个;
74LS194N(移位寄存器)-----------------------2个;
7400N(与非门)-------------------------------9个;
7404N(非门)---------------------------------5个;
发光二极管---------------------------------------10个;
LM555CM-------------------------------------1个;
电容:
10uF------------------------------------1个;
10nF-------------------------------------1个;
电阻:
10kΩ--------------------------------------------------1个;
100Ω---------------------------------3个;
51kΩ-----------------------------------1个;
电源Vcc----------------------------------------3个;
接地Vss-----------------------------------------1个;
设计原理
花型演示电路
由二片移位寄存器194实现。
其八个输出信号端连接八个发光二极管,用其输出信号控制发光二级管的亮灭实现花型演示。
而花型之间的变化通过花型控制电路的输出即161级联的计数器输出和与非门共同的逻辑组合控制(它们由同一个CP脉冲控制)。
四种花型变换样式
花型1:
8路灯分两半。
从左至右渐亮,全亮后,再分两半从左至右渐灭。
循环两次;
花型2:
从两边到中间对称地逐次渐亮,全亮后仍由两边到中间逐次渐灭。
循环两次;
花型3:
从中间到两边对称地逐次渐亮,全亮后仍由中间到两边逐次渐灭。
循环两次;
花型4:
从右至左顺次渐亮。
全亮后再逐次渐灭。
循环一次。
将两片194分为低位片1和高位片2,再将其输出端从低位到高位记为L1~L8,所以四种花型的L1~L8的状态值变化情况如下表:
移存器输出状态编码表
花型序号
花型1
花型2
花型3
花型4
1
00000000
00000000
00000000
00000000
2
10001000
10000001
00011000
00000001
3
11001100
11000011
00111100
00000011
4
11101110
11100111
01111110
00000111
5
11111111
11111111
11111111
00001111
6
01110111
01111110
11100111
00011111
7
00110011
00111100
11000011
00111111
8
00010001
00011000
10000001
01111111
我的设计是前三种花型完整显示两遍,第四种花型显示一遍,所以花型完全显示一遍需要的总结拍数为64,即1~16显示第一个花型,17~32显示第二个花型,33~48显示第三个花型,49~64显示第四种花型。
要用194实现四个花型的连续显示必须对两片194的S1、S0和SL、SR一句节拍的变化进行相应的改变;两片161级联的输出端从Q0~Q7根据变化的花型频率选用高位片的Q5、Q4分别去控制194的S1和S0、SR则由161的另一些输出端经过与非门来进行逻辑控制。
列出各花型和其对应的194的S1、S0、SL、SR的输入信号及节拍控制信号列表
如下:
(用^A表示A的取非)
花型
低位片
高位片
S1
S0
SR
SL
S1
S0
SR
SL
1
Q5
^Q5
^Q2
X
Q4
^Q4
^Q2
X
2
Q5
^Q5
^Q2
X
Q4
^Q4
X
^Q2
3
Q5
^Q5
X
^Q2
Q4
^Q4
^Q2
X
4
Q5
^Q5
X
Q2
Q3
Q4
^Q4
X
^Q3
芯片介绍:
时钟信号产生电路:
)555定时器555定时器是8引脚集成器件,其工作原理为:
输出电压
只有两种状态:
高电平、低电平。
在555定时器的复位端R端为低电平的条件下,无论阀值输入端TH和触发输入端取何值,输出端0UT输出低电平,且放电端口D与地接通。
当复位端R为高电平时,如果阀值电压TH>2Vcc/3,且触发电压,输出端OUT输出低电平,且放电端口D与地接通;如果阀值电压TH<2Vcc/3,且触发电压,输出端0UT和放电端口D保持原状态不变:
只要触发电压时,输出端0UT输出高电平,且放电端口D与地断开。
应用由555定时器的多谐振荡器设计时通过调节R1,R2和C1的大小调节振荡频率以达到1HZ的秒钟连续脉冲。
时钟信号电路由一片555加上适当电容及电阻实现。
电容取:
10nF,10uF
电阻取:
51kΩ10kΩ
时钟信号频率为:
f=1/T=1/0.7(R1+R2)c
由555构成的多谐振荡器电路如下图所示:
图由555定时器构成的多谐振荡器
根据555定时器的功能表可知到由555定时器构成的多谐振荡器,接通电源后,电容C被充电,当Vc上升到2/3Vcc时,触发器被复位,同时发电BJTT导通,此时V0为低电压,电容C通过R2和T放电,使Vc下降。
当Vc下降到1/3Vcc时,触发器又被置位,V0翻转为高电平。
当C放电结束时,T截止,Vcc将通过R1、R2向电容C充电。
而当Vc上升到2/3Vcc时,触发器又周而复始,在输出端就得到一个周期性的方波。
由555定时器构成的多谐振荡器及其工作波形如下图所示。
接通电源后,电容C被放电,
上升,当
上升到
时,触发器被复位,同时放电BJTT导通,此时
为低电平,电容C通过
和T放电,使
下降。
当
下降到
时,触发器又被置位,
翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为
当C放电结束时,T截至,
将通过
向电容器C充电,
由
上升到
所需的时间为
当
上升到
时,触发器又发生翻转,如此周而复始,在输出端就得到一个周期性的方波,其频率为
由于555内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路形式,它的振
荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。
(a)电路图 (b)工作波形
图由555定时器构成的多谐振荡器
图四所示电路
而且占控比固定不变。
74LS163N
4位二进制同步计数器(同步清零)
简要说明
163为可预置的4位二进制同步计数器,163的清除是同步的,当置入控制端为低电平时,在CLK上升沿作用下,输出端与数据输入端相一致。
对于74LS163,当CLK由低至高跳变或跳变前,如果计数控制端为高电平,则置入控制端应避免由低至高电平的跳变。
74LS163功能:
1、同步清零
2、同步并行预置数
3、计数
4、保持
彩灯的布置:
彩灯由10个发光二极管组成,至于发光二极管工作原理有:
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。
因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。
此外,在一定条件下,它还具有发光特性。
在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。
极限参数的意义:
(1)允许功耗Pm:
允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。
超过此值,LED发热、损坏。
(2)最大正向直流电流IFm:
允许加的最大的正向直流电流。
超过此值可损坏二极管。
(3)最大反向电压VRm:
所允许加的最大反向电压。
超过此值,发光二极管可能被击穿损坏。
(4)工作环境topm:
发光二极管可正常工作的环境温度范围。
低于或高于此温度范围,发光二极管将不能正常工作,效率大大降低。
电参数的意义
(1)正向工作电流If:
它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。
在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。
(2)正向工作电压VF:
参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。
一般是在IF=20mA时测得的。
发光二极管正向工作电压VF在1.4~3V。
在外界温度升高时,VF将下降。
(3)V-I特性:
发光二极管的电压与电流的关系
其符号为:
。
其中二极管的具体布置为:
总体为一三角形
各部分电路:
LED显示电路
LED显示电路如下图三所示。
由于输出有四个信号,所以共有10种状态。
我们只去其中的8种状态,要把其中的2种置去,加在其它的状态中,一旦进入我们所设置的状态中,信号将在中间自动循环。
由于发光二极管的极限电流一般为20~30mA,发光二极管的压降约为2V,通过发光二极管的电流可取为10~15mA,以保证发光二极管有足够的亮度,而且这样又不易损坏发光二极管。
信号产生电路
花型控制信号电路:
花型显示电路:
彩灯电路部分
总体电路图
信号波形
电路组装完成后,实际测量各个单元电路的输入、输出信号波形
1.基本CP脉冲产生电路波形图与分频电路波形图
2.测试波形:
(列依次为CP脉冲,低位片194A,B,C,D,高位片194A,B,C,D即L1---L8)
花型一:
花形二:
花型三:
花型四:
心得体会
这几个星期周的课程设计实习,使我认识到具备扎实的理论知识是非常重要的,这一点在设计电路图时得到了充分的证明。
如果没有扎实的理论基础,就不知道该选用什么芯片,也就不能设计出的电路,就会给以后的连线造成极大的不便。
课程设计刚开始,拿着选定的题目不知如何入手。
在设计过程中,既有用过的芯片,又有没用过的,只能自己查找资料,分析功能,设计出电路图。
设计出电路图刚成功一半,仿真也是不容忽视的活。
由于Multisim10.01我们以前都没接触过,都是现学现用,难免会有生疏感,在Multisim10.01仿真中就会发现各种各样的问题,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。
在彩灯控制器设计过程中,出现问题是不可避免的,或者正如别人所说没有问题反而还不正常。
产生问题的原因很多,情况也很复杂,有的是一种原因引起的简单问题,有的上多种原因相互作用引起的复杂问题,因此需要掌握问题的一般解决方法,问题解决过程就是以问题所表现出来的情况出发,通过反复推敲,做出分析判断,逐步找出问题的过程。
通过这次课程设计,使我受益颇多。
既巩固了课堂上学到的理论知识,又掌握了常用集成电路芯片,Multisim10.01的使用。
在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法,学会了科学地分析实际问题,通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径,独立解决问题。
参考文献
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高等教育出版社,1999.
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清华大学出版社2006.
[5]张建华,数字电子技术.北京:
机械工业出版社2000.
[6]丁伟,Multisim10计算机仿真.北京:
电子工业出版社2009.
[7]张新喜.Multisim10电路仿真及应用.北京:
机械工业出版社2010.
[8]周宝善.电子技术与实践.北京:
人民邮电出版社2008.
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