彩灯控制器.docx
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彩灯控制器
北华航天工业学院
《电子技术》
课程设计报告
报告题目:
彩灯控制器
作者所在系部:
电子工程系
作者所在专业:
自动化
作者所在班级:
作者姓名:
作者学号:
指导教师姓名:
完成时间:
2011年6月14日
课程设计任务书
课题名称
彩灯控制器
完成时间
2011.6.14
指导教师
职称
讲师
学生姓名
班级
总体设计要求和技术要点
用给定IC设计、安装与调试彩灯控制器,具体要求如下:
(1)控制器有四组输出,每组至少能驱动四只LED。
(2)设计用十六只LED组成的彩灯图案。
图案的状态变换至少有三种,并且能定时自动切换。
(3)彩灯图案状态变换的速度至少有快、慢两种。
(4)安装并调试彩灯控制器
(5)控制器具有清零的功能
工作内容及时间进度安排
第15周:
周1---周4:
立题、论证方案设计
周5:
预答辩
第16周:
周2---周3:
仿真实验
周5:
验收答辩
课程设计成果
1.与设计内容对应的软件程序
2.课程设计总结报告
内容摘要
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,用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。
本课题要设计的是彩灯控制器,用16只LED组成彩灯图案,图案的状态变换有三种,三种状态能实现自动切换,并有快慢两种速度。
该彩灯控制器能使LED产生较丰富的变化,可作为活动装饰之用。
关键字:
彩灯控制LED灯
目录
一、概述……………………………………………………………………………1
二、方案设计………………………………………………………………………1
三、单元电路设计与分析…………………………………………………………1
1.彩灯图案及状态变换产生电路的设计…………………………………1
2.初态产生电路的设计……………………………………………………2
3.初态置入控制电路的设计………………………………………………3
4.环扭计数控制电路及速度变换产生电路的设计………………………3
5.时钟信号产生电路的设计………………………………………………4
6.驱动电路的设计…………………………………………………………5
7.清零电路的设计…………………………………………………………5
四、总原理图及元器件清单………………………………………………………6
五、结论……………………………………………………………………………7
六、心得体会………………………………………………………………………8
七、参考文献………………………………………………………………………8
一、概述
彩灯图案变换一般有旋转、移位和闪动3种形式。
每种图案的状态变换以环形和扭环形计数器的计数循环状态来实现,环形和扭环形计数器由移位寄存器经适当的反馈连线构成。
通过改变移位脉冲的时钟频率即可改变每种图案状态变换的速度。
再用规则的顺序脉冲控制图案状态的保持时间,就能实现不同图案的自动切换。
二、方案设计
彩灯控制器组成方框图如图1所示。
通过该方框图设计相应的电路。
图1彩灯控制器组成方框图
三、单元电路设计与分析
1.彩灯图案及状态变换产生电路的设计
方案要求一行四个LED,图案变换拟采用以下3种形式:
左右摆动
这种图案的状态变换由2种状态构成,其关系为:
01011010
每种状态中不相邻的2位轮流在高低电平之间转换,高电平是LED为亮,低电平时则为暗,所以这2种状态之间的相互转化形成了“左右摆动”的图案。
暗点移动
这种图案的状态变换由4种状态构成,其相互之间转换过程为:
1110011110111101
每种状态中有一位低电平(暗点),而且低电平逐位循环右移,所以这4种状态之间的转换就形成了“暗点(暗带)移动”的图案。
逐渐亮再逐渐暗
这种图案的状态变换由8种状态构成,其相互之间转换过程为:
0000100011001110
0001001101111111
在这8种状态中,从0000到1111状态,LED从左至右依次点亮,从1111到0000状态,LED从左至右依次变暗,8种状态相互转换形成“逐渐亮再逐渐暗”的图案
其中“左右摆动”和“暗点移动”2种图案的各种状态可由移位寄存器循环右移及环形计数器来获得,而“逐次亮灭”的各种状态可通过移位寄存器最高位取反后循环右移及扭环形计数器得到。
因此,状态变换产生电路可由移位寄存器通过适当的反馈电路构成的环形和扭环形计数器来实现。
2.初态产生电路的设计
为得到最简电路,仔细观察各状态,得到以下设计方案:
首先设计一个三进制计数器,其计数循环为
110111101111
然后将三种状态经过适当的组合逻辑变换就可以获得3种图案的初态及其循环
010111101111
1101、1110、1111是十六进制计数器的最后3个状态,因此四位二进制计数器74LS161和适当的门电路构成有效状态为这三个状态的三进制计数器。
为保证计数器从1101开始计数,该计数器应有手动置数的功能。
电路如图2所示。
图2初态产生电路
为得到3种图案的初态0101、1110和1111,可把74LS161的输出端和74LS195的输入端中变化状态相同的引脚相连。
对照上面的两个循环可知,可把74LS161的Q0、Q1、Q2分别与74LS195的D3、D2和D0、D1相连。
3.初态置入控制电路的设计
在彩灯控制器中,要实现图案的自动切换,须按一定的时间间隔把初态产生电路的输出即3种图案的初态送至状态变换产生电路,这就需要一个与初态同步产生的置数脉冲(即与CP0同步),将其送至状态变换产生电路的置数端。
该脉冲的脉宽应比CP0脉宽窄,以确保LED正常闪动。
该脉冲可由单稳态电路实现,这里采用集成单稳态触发器74LS123构成。
电路如图3所示。
图3单稳态触发电路
图中电阻和电容的参数应根据输出端负脉冲的宽度tw=0.7RC确定。
脉冲脉宽应适中,使初态不至于停留时间过长,以免影响闪动效果,又要有足够的移位脉冲使初态置入。
本设计最短周期拟为0.125s,应有tw=0.7RC<=0.125,RC<=0.17s。
令R3=15k,C2=10u,则R3C2=0.15s。
4.环扭计数控制电路及速度变换产生电路的设计
对于环扭计数控制电路,因构成环形计数器或扭环形计数器须分别将JK'与Q或Q'连接,故可通过数据选择器实现。
对于速度变换产生电路,74LS153时钟输入端CP须选择不同频率的时钟脉冲,因此也可通过数据选择器实现。
综上,可选用双四选一数据选择器74LS153构成环扭计数控制电路及速度变换产生电路。
另外,由于由74LS161构成的三进制计数器的Q1Q0端的状态为01、10和11的循环,因此可将74LS161的Q1Q0端与74LS153的地址输入端BA相连,并使用74LS153的1I1、1I2、1I3及2I1、2I2、2I3作为数据输入端。
电路如图4所示。
图4环扭计数控制电路及速度变换产生电路
5.时钟信号产生电路的设计
该电路的主要功能是产生不同频率的时钟信号,用于对整个彩灯控制器的同步控制和图案状态变换的速度控制。
其中,同步控制的电路包括初态产生电路和初态置入控制电路,由频率最低的时钟信号控制,该时钟信号决定了图案状态变换的持续时间;其他频率的时钟信号用于图案状态变换速度的控制。
由于彩灯控制器中要用到多个频率的时钟信号,可采用14位二进制串行计数器/分频器CD4060实现。
图案变换时间设计如下:
左右摆动状态变换周期为0.25s(CP1),循环周期为0.25×2=0.5s。
暗点移动状态变换周期为0.125s(CP2),循环周期为0.125×4=0.5s。
逐次亮灭状态变换周期为0.125s(CP0),循环周期为0.125×8=1s。
确定图案变换周期为4s,则三种图案循环的周期数分别为8次、8次和4次。
经实测,对于CD4060有TQ3=25R2C1的关系,其后引脚脉冲周期依次加倍。
因此令R1=R2=5k,C1=1u,则TQ3=25R2C1=0.125s,TQ4=0.25s,TQ8=4s。
电路如图5所示。
图5时钟信号产生电路
6.驱动电路的设计
驱动电路应根据每组驱动彩灯的总电流来进行选取。
本彩灯控制器每组只有4个LED,总电流较小,所以选用4-2输入与非门74LS08作为驱动电路。
7.清零电路的设计
清零电路用于对状态变换产生电路及初态置入控制电路进行同步复位清零,同时对初态产生电路进行置数(脉冲到达时起作用),并间接对环扭计数控制电路及速度变换产生电路地址输入端置数,以保证3种图案能够正确切换。
另外,CP0第一个高电平到来之后(即电路开始工作持续CP0半个周期后),若在CP0高电平期间松开按钮,则状态变换产生电路立即被置入0101;若在CP0低电平期间松开按钮,则在CP0下一个高电平到来之后状态变换产生电路被置入1110。
本题中的清零电路只需一个接地按钮和一个限流电阻即可构成。
四、总原理图及元器件清单
1.总原理图
2、元器件清单
Quantity
Description
Reference_ID
Package
1
74LS,74LS195
U8
DIL16
1
74LS,74LS161
U1
DIL16
1
74LS,74LS123
U4:
A
DIL16
1
74LS,74LS153
U7
DIL16
1
74LS,74LS00
U2:
A,U2:
B,U2:
C,U2:
D
DIL14
1
CMOS,4060
U3
DIL16
16
ACTIVE,LED-RED
D1,D2,D3,D4(各4只)
-
1
RESISTORS,1kohm
R1
RES180
1
RESISTORS,1kohm
R2
RES180
1
RESISTORS,15kohm
R3
RES40
1
RESISTORS,5.1kohm
R4
RES40
1
CAPACITORS,5uF
C1
AXIAL200
1
CAPACITORS,10uF
C2
AXIAL200
五、结论
1、经过仿真调试,该电路实现了预想功能。
2、本方案采用的数字电路中基本的数字芯片来实现功能,所用到的知识比较基础,还可以用可编程逻辑器件来设计,这需要我们进一步的学习。
3、该方案巧妙地选择了初态,并且初态产生电路与状态产生电路的连接方法是电路得到简化。
还有就是利用两个双四选一数据选择器来实现不同图案的变化和速度快慢的变化。
这些都需要积累经验。
但是它也有明显的缺陷,就是需要手动置入初态产生电路的初态才能保证电路正常工作,并且初态是否已置入电路中没有明确的指示,需把握好时间,即要有充足的时间使初态置入到电路当中。
当然电路还有待改进的地方
六、心得体会
近两周忙碌的课设已经结束,经过与组员的努力,最终完成了给定的课题,并保质保量的实现了它的功能。
在做课设的两周内,让我们学到了很多,也想明白了很多。
首先巩固了我们的知识,以前学习理论知识的时候,总感觉学的还可以。
结果到了仿真,真正拿原件连线时就傻了,不是这个地方出错就是那个地方没连。
等把这些都给纠正完之后,对这些用过的芯片有了更深入的了解,从而巩固了理论知识。
其次,让我清醒认识到了理论与实践是有距离的,也验证了实践是检验真理的唯一标准。
原来的时候一直以为,只用用心的学习理论知识,只要理论积累的多,将来随便就能做出产品,付出实践。
结果经过仿真才知道,理论再深厚也要经过实践检验。
不然就会眼高手低,感觉做起来很容易的结果一动手就漏洞百出。
作为一个大学生,我很支持做课设这种学习方式,因为学习就是应该用来用的,而不是用来说的,只有能把知识真正转化为生产力,知识才算是知识。
而这也是当今大学生缺乏的。
所以以后会更加抓紧这种实践锻炼机会,做到学有所用。
七、参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础[M].北京:
高等教育出版社,2006.5.
[2]崔瑞雪,张增良.电子技术动手实践[M].北京:
北京航空大学出版社,2007.6.
[3]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:
高等教育出版社,2006.5.
[4]康华光.电子技术基础:
模拟部分[M.北京:
高等教育出版社,1999.6.
[5]陈有卿.实用555时基电路300例[M].北京:
中国电力出版社,2005.
教师评语及设计成绩
评语
课程设计成绩:
指导教师:
日期:
年月日
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