1、 电子课程设计 四花样彩灯控制器1第一章 设计要求1.1 设计课题及要求（一） 题目：四花样彩灯控制器（二） 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 18 从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭； (5) 四种花样自动变换。（三） 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。第二章 系统组成及工作原理2.1 系统组成框图把四花样彩灯
2、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。设计框图如图 2.1 所示：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 出图 2.1 系统组成框图电子课程设计 四花样彩灯控制器2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
3、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 100
4、00000 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
5、自动循环切换的流水彩灯。第三章 电路方案设计3.1 电路图设计将各单元电路组织起来就得到了系统电路图，如附录 1 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，时钟电路由两个 555 构成。电子课程设计 四花样彩灯控制器3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。3.2 方案比较比较方案 1：在原方案的基础上，用模十六计数器 74LS161 的输出端的最高位
6、 QD作为双 D 触发器的时钟，可以少用一个 555 定时器。计数器每计八个数，Q D由低电平变为高电平，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 比较方案 1 电路图如果按此方案连接电路，彩灯无法完成第四种花样（依次点亮，依次熄灭） ，只能完成一半，依次点亮或依次熄灭，部分实现了设计要求，所以不采用。比较方案 2：彩灯控制器电原理图如图 3.2 所示。ICl、IC2 由 555 接成多谐振荡器。IC3 由4 位 2 进制计数器 74LS93 接成 16 进制计数器，其 4 个输出端可
7、分别输出对计数脉冲的 2、4、8、16 分频信号。IC4 是双 D 触发器 74LS74，在这里接成两位 2 进制加U1A74LS04D21U1B74LS04D43U1C74LS04D65U1D74LS04D89U2B74LS08D45 6U2C74LS08D910 8U42Y 92C0102C1112C2122C313A14B21G11Y 71C061C151C241C332G1574LS153DU6QA 3QB 4QC 5QD 6A1B2CLR9CLK8 QE10QF 11QG 12QH 1374LS164DQA 14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3B4C5D6ENP7ENT
8、10LOAD9CLR1CLK2U374LS161DU7A1D2 1Q 51Q 61CLR131PR474LS74DU7B2D12 2Q 92Q 82CLR13112PR1074LS74D电子课程设计 四花样彩灯控制器4法计数器。IC5 是双 4 选 l 数据选择器 74LSl53，这里只用了它的一组 4 选 1 数据通道。IC6 是 3 位单向移位寄存器 74LSl64，它是产生移动灯光信号的核心器件。驱动电路用 8 只三极管组成 8 路射随器作缓冲放大，去触发作电流开关的 8 只双向可控硅，以控制彩灯发光。电路的十 5V 电源由 220V9V 变压器降压，经 D1 一D4 桥式整流，7805
9、 稳压后给控制电路供电。电路图如图 3.2：图 3.2 比较方案 2 电路图从 ICl脚出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送到 IC3 的脚；另一路作为移位时钟脉冲加到 IC6 的脚。调节 RWl 改变 ICl 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。IC2、IC4、IC5 共同组成了一个电子开关。IC2 输出的计数脉冲经 IC4 两位二进制计数，在 IC4 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 IC5 的 4 个数据通道选择信号，对应从 IC3 输送到 IC5 的 QA、Q B、Q C、Q D4 个分频信号。其作用相当于一个受控的一刀
10、四位的机械转换开关。当 IC4 输出为“00”时，选通 IC5 的脚；为“01”时，选定 IC5 的脚。调节 RW2 改变 IC2 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。电子课程设计 四花样彩灯控制器5从 IC5 第脚输出的数据信号送到 IC6 的输入端，在时钟脉冲作用下，数据在IC6 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。很明显，这个方案很烦琐。会更多的出现不确定因数造成的错误。不选该方案。第四章 单元电路设计与计算4.1 时钟脉冲产生电路用
11、 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=1K ， R 2=51K ， C=0.01F由公式（4-1）计算得：T=0.721S电路图如图 4.1 所示:图 4.1 时钟电路U11DIS7 OUT3RST48THR6CON5TRI2GNDVCC555_VIRTUALR11kohmR251kohmC10.01uFC210uF5VVCC电子课程设计 四花样彩灯控制
12、器6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=1K ， R 2=1M ，C=0.01F由公式（4-1）计算得：T=14.42S4.2 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：表 4-1 四种码要产生这四种码，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 计数器真值表花样 状态要求周期（位） 码1 一亮一灭，从左向右移动 8 100000002 两亮两灭，从左向右移动 8 110000003
13、 四亮四灭，从左向右移动 8 111100004从 18 从 00 左到右逐次点亮，然后逐次熄灭 16 1111111100000000电子课程设计 四花样彩灯控制器7由表4-2分析得：Z1=Q3Q2Q1 Z2=Q3Q2 输出序号原状态S(t)Q4 Q3 Q2 Q1次态N(t)Q4 Q3 Q2 Q1Z1 Z2 Z3 Z401234567891011121314150 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0
14、 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 00000000100000001100000011000000111100001111000011111111000000001电子课程设计 四花样彩灯控制器8Z3=Q3 Z4=Q4所以四种码产生电路如图 4.2 所示：U1QA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7 ENT10CLK2CLR1LOAD974LS161NU2A12374LS08N&U2B4567
15、4LS08N&211U3A74LS04N431U3B74LS04N651U3C74LS04N891U3D74LS04N5VVCC图 4.2 四种码产生电路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Z1、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。开关电路图如图 4.3 所示：电子课程设计 四花样彩灯控制器9U1A74LS74N1D21Q 51Q 61CLR11CLK31PR4U1B74L
16、S74N2D122Q 92Q 82CLR132CLK112PR10U22Y 92C0102C1112C2122C313A14B21G11Y 71C061C151C241C332G1574LS153N5VVCC图 4.3 开关电路令 Q1Q2=AB，74LS153 数据选择器的功能表如表 4-3 所示：表 4-3 数据选择器功能表由表 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。4.4 花样输出电路输出电路由八位移位寄存器 74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。寄存器的数据输入端接收开关电路
17、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。B（Q2） A（Q1） 1Y0110000110Z1Z3Z4Z2Z1电子课程设计 四花样彩灯控制器10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 4-4 寄存器数码移动情况表CP Ri QA QB QC QD QE QF QG QH1 1 1 0 0 0 0 0 0 02 0 0 1 0 0 0 0 0 03 0 0 0 1 0 0 0 0 04 0 0 0 0 1 0 0 0 05 0 0 0 0 0 1 0 0 06 0 0 0 0 0 0 1 0 07 0 0 0 0 0 0 0 1 08 0 0 0 0 0 0 0 0 1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。4.5 各芯片管脚图1. 模十六计数器 74LS161，芯片管脚图如图 4.4（a）所示：2. 双四选一数据选择器 74LS153，芯片管脚图如图 4.4（b）所示：
