课程设计八路彩灯

 前言:

由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。在设计中更多的使用中，规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简捷，而且能提高电路的可靠性，降低成本。因此用集成电路来实现更多更复杂的器件功能则成为必然。随着社会市场经济的不断繁荣和发展，各种装饰彩灯、广告彩灯越来越多地出现在城市中。在大型晚会的现场，彩灯更是成为不可缺少的一道景观。小型的彩灯多为采用霓虹灯电路则不能胜任。在彩灯的应用中，装饰灯、广告灯、布景灯的变化多种多样，但就其工作模式而言，做成各种各样和多种色彩的灯管，或是以日光灯、白炽灯作为光源，另配大型广告语、宣传画来达到效果。这些灯的控制设备多为数字电路。而在现代生活中，大型楼宇的轮廓装饰或大型晚会的灯光布景，由于其变化多、功率大，数字长明灯、流水灯及变幻灯。长明灯的特点是只要灯投入工作，负载即长期接通，一般在彩灯中用以照明或衬托底色，没有频繁的动态切换过程，因此可用开关直接控制，不需经过复杂的编程。流水灯则包括字形变化、色彩变化、位置变化等，其主要特点是在整个工作过程中周期性地花样变化。

这种多彩灯控制器电路可靠性，灵活性高，使用范围广，特别适合中小城市的交通灯、霓虹灯等的应用。而且，它对其他类似系统的开发具有一定的借鉴意义。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。彩灯广泛应用于流水灯、跑马灯、鸳鸯戏水灯、流水灯。此课题设计具有很大现实意义，LED彩灯广泛应用于商业街广告灯，也可作为歌厅、酒吧照明灯，在超大屏LED设计中也应用了此类的设计思想，随着近几年LED技术的不断发展LED发光亮度得到了很大提高。本课题内容属于软件电路的设计与应用方面，实现过程包括总体方案的提出比较及选择、电路原理设计、元器件（芯片）参数计算。针对现在彩灯的广泛应用，可见彩灯循环是今后提高节假日气氛的重要因素之一，它的发展深度将更为广泛，使用率将会大幅度提高。本课题设计的八路彩灯循环控制电路，在今后的生活中，在投入生产时，可以是多路彩灯，将集成芯片级联使用，扩展其功能。本设计是由时钟信号发生器电路、序列信号发生器电路和移位输出显示电路组成。负载变化频率高，变换速度快，使人有眼花缭乱之感，分为多灯流动、单灯流动等情形，将会更为广泛的应用。

 总体方案设计:

主要由555多谐振荡器，两片74LS194移位寄存器，两片74LS161同步计数器等组成。 55多谐振荡器组成的信号脉冲源作为74LS161计数器、74LS194移位寄存器的CLK连续脉冲信号。通过改变电阻、电容的大小，可以改变74LS161计数器的计数快慢程度，74LS161计数器充当控制电路的核心器件，控制节拍和分频。使用两片74LS194构成了8位双向移位寄存器，用74LS194移位寄存器直接驱动发光二极管工作。

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设计所使用的元件及工具：

74LS161（四位二进制同步计数器） ----------------------- 2个； 74LS194（移位寄存器） ------------------------------ 2个； 74LS151（八选一数据选择器） --------------------------- 1个； 74LS74（双D 触发器） --------------------------------- 1个； 74LS00（双四输入与非门） ---------------------------- 3个； 74LS04（六非门） ------------------------------------ 2个； 发光二极管--------------------------------------------- 8个； 555 ----------------------------------------------- 1个； 电容： 4.7μf ----------------------------------------1个；

0．01μf ----------------------------------------1个；

电阻： 150kΩ ----------------------------------------------------------- 1个；

100Ω -----------------------------------------1个； 4.7kΩ ------------------------------------------1个；

实验板一个； 万用表一个； 钳子一个； 导线若干。

 单元模块电路设计

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各单元模块功能介绍及电路设计 时钟信号发生器

主要用来产生脉冲信号。因为流水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，所以可以采用555组成多谐振荡器，其输出脉冲作为下一级的时钟信号。555定时器构成多谐振荡器，组成信号产生电路 接通电源后，VCC通过电阻R1、R2给电容C充电，充电时间常数为（R1+R2），电容上的电压vC按指数规律上升，当上升到VREF1=2VCC/3时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，RS=10，触发器被复位，放电管T28导通，此时v0输出低电平，电容C开始通过R2放电，放电时间常数约为R2C，vC下降，当下降到VREF2=VCC/3时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，RS=01，触发器被置位，放电管T28截止，V 0输出高电平，电容C又开始充电，当VC上升到时VREF1=2VCC/3，触发器又开始翻转。如此周而复始，输出矩形脉冲。如图3.1信号发生器原理图。

由于输出波形中低电平的持续时间，即电容放电时间为

tw20.7R2C

低电平的持续时间，即电容放电时间为

tw10.7(R1R2)C

因此电路输出矩形脉冲的周期为

Ttw1tw20.7(R12R2)C

输出矩形脉冲的占空比为

q

tw1T

R1R2R12R2

当R2R1时，占空比近似为50%。 电容取：4.7μf 0.01μf 电阻取：R2=150 kΩ R14.7 kΩ

图3.1

按一下运行键后，可看见输出端是出现高低电平交替，时间间隔是由电路中的电容和电阻决定。因为课程设计的任务中要求时间间隔为一秒，因此在仿真时，电阻和电容值还需要改变。从而改变频率，将脉冲信号输出如图3.2多谐振荡器产生实验所需的一秒中脉冲信号。

图3.2

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控制电路

由两片74LS161计数器级联而成以实现节拍控制和分频作用。第一片74LS161的时钟信号接555多谢振荡器产生的，第二片74LS161的时钟信号接到前一片74LS161的进位端。显示电路启动后首先右移，从逐次点亮至全亮，逐次熄灭共需要16个CP脉冲触发，然后进入左移，灯亮暗情况跟右移情况一样，最后进入闪烁阶段，又经过4个CP脉冲。此后重复上述过程，一个周期需要36个CP脉冲。由两片74LS161计数器来控制8位移位寄存器的工作的三个工作状态左移S1S0=10右移S1S0=01置数S1S0=1，以及控制寄存器串行数据输入和并行数据输入。如图3.3所示,当开启按钮时开始工作。图3.4为在秒脉冲下S1S0一个周期的的输出波形，S1S0=01持续16秒， S1S0=10 持续16

秒S1S0=11持续4秒。

图3.3

图3.4

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驱动电路

驱动电路选用用两片双向移位寄存器。该电路的八个输出端接上发光二极管，使其发光。寄存

器的移位控制端S1S0以及串行并行输入端由161的输出端控制。如图3.5为原理图，表3.1为三个过程的花型，3.6为时序图。

图3.5

表3.1

图3.6

图3.6中Q0到Q3为图3.5中U3这个74LS194的输出端，Q4到Q7为图3.5中U4这个74LS194的输出端。 

电源电路模块的设计

电路中只用到了正5V电源，使用的正5V的电源由直流稳压电源产生，直流稳压电源主要由220V的家用电压、变压器、二极管桥堆和三端集成稳压器LM7805产生的。而LM7805作为其中的核心器件。其中的二极桥堆是一种电子原件，内部由多个二极管组成，主要作用是整流，调整电流方向，桥堆构成的桥式整流电路与四只二极管构成的整流电路相同，它的内电路为四只接成桥式电路的整

流二极管。而LM7805作为其中的核心器件，LM7805它有输入端、输出端、和公共引脚端，内部由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整和保护电路组成。LM7805属于LM78**系列，LM7805就表示产生+5V电压，而产生-5V的电压用的是LM7905产生（本设计未用到）。电源电路图见附录1。 

555定时器

脉冲信号发生器是由555定时器连接而成，555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，

555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V ~ 16V 工作，7555 可在 ~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容工作电压为+5v555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。

555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。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。还有8个管脚，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。当清零端端接低电平，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VC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。

图3.7所示是555的引脚排列情况，表3.2是它的引脚功能。

图3.7

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非门

非门又称反相器，是逻辑电路的重要基本单元，非门有输入和输出两个端,电路符号见附图，其输出端的圆圈代表反相的意思，当其输入端为高电平时输出端为低电平，当其输入端为低电平时输出端为高电平。也就是说，输入端和输出端的电平状态总是反相的。表3.3是它的引脚功能以及真值表。图3.8所示是非门的引脚排列情况。

表3.3

图3.8

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与非门

与非门是与门和非门的结合，先进行与运算，再进行非运算。与运算输入要求有两个，如果输入都用0和1表示的话，那么与运算的结果就是这两个数的乘积。如1和1（两端都有信号），则输出为0；1和0，则输出为1；0和0，这输出为1。与非门的结果就是对两个输入信号先进行与运算，再对此与运算结果进行非运算的结果。简单说，与非与非，就是先与后非。1，2端为输入端，3为输出端，表3.4是它的功能表，图3.9所示是引脚排列情况。

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74LS161计数器

计数器的种类很多，按其进制不同分为二进制计数器、十进制计数器、N进制计数器；按触发器翻转是否 同步分为异步计数器和同步计数器。

74LS161是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具有异步清零、同步并行置数 、保持等功能，还有16个管脚,，时钟CLK和四个数据输入端D0~D3，清零/MR，使能CEP，CET，置数PE，数据输出端Q0~Q3,以及进位输出RCO。74LS161功能表功能表中可以知道，如果当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“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输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。

74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。图3.10所示是它的引脚排列情况，表3.5是它的功能表。

图3.10

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74LS194移位寄存器

74LS194有16个管脚，D0 ~ D3,为并行输入端，Q0 ~ Q3为并行输出端，SR为右移串行输入端，

SL为左移串行输入端，S1S0操作模式控制端，MR为清零端，CP为时钟脉冲。74LS194移位寄存器的控制输入端S1和S0是用来进行移位方向控制的，S0为高电平时，移位寄存器处于向左移位的工作状态，二进制数码在CP脉冲的控制下由高到低逐位移入寄存器，因此可以实现串行输入；在S1为低电平时，移位寄存器处于向右移位的工作状态，二进制数码在CP脉冲的控制下逐位移出寄存器。在串行输入、并行输出的转换中，若将四位二进制数码全部送入寄存器内。由于每个CP脉冲移位寄存器只移一位，四位二进制数码需要四个CP脉冲。但若四位二进制数码还含有其它检验码，则总数码有几位就需要几个CP脉冲。图3.11所示是它的的引脚排列情况，表3.6是它的功能表。

图3.11

表3.6

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发光二极管

发光二极管它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为

LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。如图3.12

图3.12

 系统功能指标参数

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说明系统能实现的功能

通过前面的分析,运算，测试以及仿真，得知系统有如下功能：

1．8支发光二极管自左至右逐次点亮至全亮，然后自左至右逐次熄灭至全灭。第一过程，需要16个CP脉冲，共16秒。

2．8支发光二极管自右至左逐次点亮至全亮，然后自右至左逐次熄灭至全灭，第二过程，需要16个CP脉冲，共16秒。

3．闪烁，八支灯同亮，同灭，第三过程，需要4个CP脉冲，共4秒。

4．启动电路后，电路按2，3，4的顺序工作，整个电路需要36个CP脉冲，共36秒。 5．断开开关时，保持断开前的状态，再次开启时继续断开前状态的工作。 

系统功能及指标参数分析

通过前面的分析,运算，测试以及仿真, 测试结果与设计所要达到的结果符合。系统功能及指标参数与设计所要达到的结果一致。

 结论

我经过近一周的努力，使得本次设计得以顺利完成，我们设计出了八路彩灯控制器，不仅发光二极管三种花型周期性的变换功能，而且可以对它设置了开关按钮，使其更科学完美，也更人性化，这可以说是我们课程设计的亮点。当按下开关按钮时，电路就会正常工作，不关掉按钮，就会一直周期性的工作，断开开关时，保持断开前的状态，再次开启时继续断开前状态的工作。这个设计具有相当的价值，它完全可以应用在我们的生活中。

 总结与体会

我终于完成了此次学校要求的课程设计——八路彩灯控制器。开始觉得这很简单，只要把平时所学应用一下，就可以出一个作品。可是时间过得太快，我工艺实习还没做完就要求我们报上设计题目，慌忙之下，我们察觉了时间的紧迫性，于是选了一个比较简单的题目—八路彩灯控制器。设计的时间一晃而过，也可以说很漫长；构思、设计、查资料、上网搜索、画图，实在是漫长。但是皇天不负有心人，一连7天的努力终于使我完成了这次课程设计任务，我现在心里有一股极其强烈的成就感，也有一些感觉不足，时间太仓促，设计也有些草率，可能不会太完美！经过这段珍贵的时间的学习探索，我已初步掌握了数电的应用技术，以及数字电路的知识和有关器件的应用。我深刻地体会到了一个数字系统庞大的知识体系并且使我深刻体会了从书本知识到实际应用的设计过程。

附录1 原理图

附录2 仿真图

附录3 成品图