可编程彩灯控制器的设计
前 言
电子技术课程设计是配合电子技术基础课程与实验教学的一个非常重要的教学环节。它是电气信息类专业学生的重要基础实践课，也是工科专业的必修课，能巩固电子技术的理论知识，提高电子电路的设计水平，加强综合分析问题和解决问题的能力，进一步培养学生的实验技能和动手能力，启发学生的创新意识及创新思维。完成本次课程设计，对进行毕业设计及毕业后从事电子技术方面的工作都有很大的帮助。
近年来，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。
现代生活中，彩灯越来越成为人们的装饰品，它不仅能美化环境，渲染气氛，还可用于娱乐场所和电子玩具中，现以该课题为例进行分析与设计可编程的彩灯控制的电路很多，构成方式和采用的集成片种类、数目更是五花八门，而且有专门的可编程循环彩灯控制电路。绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的，例如，用中规模集成电路实现的彩灯控制器主要用计数器，译码器，分配器和移位寄存器等集成。本次设计的可编程彩灯控制电路就是用寄存器、计数器和译码器等来实现，其特点是用发光二极管显示，实现可预置编程循环功能。
目 录
前 言 1
一、课题设计任务及要求 .3
二、设计目的 3
三、优选设计方案 4
四、整体设计思想及原理框图 5 五、各模块设计与分析 6
1、脉冲发生电路 7 2、控制电路和译码电路 10 3、存储电路 12 4、数码管显示电路 .14 六、元器件清单 15 七、安装及调试中出现的问题和解决方法 15 八、设计感想 17
附 录
一、实验电路图 20 二、实验电路连接图 .21 三、参考文献 21
一、课题设计任务及要求
课题名称：可编程彩灯控制器 设计任务及要求：
1、设计脉冲产生电路、图形控制电路和存储电路；
2、用8×8LED点阵作为显示电路，显示内容的动面感要强。 3、能用按键切换不同的显示组合，至少有3个按键切换； 4、每种组合至少有3种变化，每种组合内图形能连续循环； 5、要有数码管显示当前是第几种组合（或是第几个按键）； 6、图形显示间隔（显示频率）至少有3种可选。 控制器可有2种控制方式：
（1）规则变化：变化节拍有0.5秒和0.25秒，交替出现，每种节拍可有多种花样，各执行1或2个周期后轮换；彩灯变化方向有单向移动和双向移动、跳跃移动等。
（2）随机变化。变化花样相同，但节拍和花样的轮换随机出现。 7、完成电路全部设计后，通过实验箱验证设计课题的正确性。
二、设计目的
本课程设计主要是为了实现可编程彩灯控制的功能，且通过本次电子课程设计，了解电子产品设计的一般过程，掌握电子线路设计的基础方法和一般过程，能灵活运用已学过或者类似的集成块构成电路实现上述功能，还能灵活掌握555电路的应用方法。能用仿真软件对电子线路进行仿真设计，还能用Portel等软件绘制PCB图，掌握了电子电路调试的方法，且能独立解决设计与调试过程中出现的一般问题，并进一步掌握EEPROM的编程方法和应用。
三、 优选设计方案
方案A：
根据设计要求，本系统由控制电路，编码发生电路和输出驱动电路等组成。其彩灯控制器的总体设计思想如下： 1. 编码发生器
编码发生器根据花形要求，按节拍送出64位状态编码信号，以控制彩灯按规律亮或灭。因为彩灯路数少，花形要求不多，可选用移位寄存器输出64路数字信号，控制彩灯发光。编码发生器采用16片4位通用移位寄存器74LS194来实现。74LS194具有异步清除和同步预置、左移、右移和保持等多种功能，控制方便灵活。64路彩灯采用两片74LS194组成64位移位寄存器，花形设计比较灵活。移位寄存器的64个输出信号通过驱动电路控制电路来控制彩灯，编码器中数据输入端和控制端的接法由花形决定。根据选择的花形，可列出移位寄存器（编码发生器）输出状态。 2. 控制电路
控制电路为编码器提供所需的节拍脉冲和驱动信号，控制整个系统工作。控制电路的功能有两个：一是按需要产生节拍脉冲；二是产生移位寄存器所需要的各种驱动信号。控制电路设计通常按照下述步骤进行：逐一分析单一花形运行，移位寄存器的工作方式和驱动要求，按照工作状态决定74LS194移位寄存器工作的状态顺序，同时是分析移位寄存器工作方式和驱动要求的依据。 方案B：
采用555定时器输出脉冲，高频通过计数器控制电路和译码电路，不断刷新
显示矩阵的各列；而低频产生脉冲，决定显示哪一幅画面。由于需要产生64幅以上的图形，可以设计一个64进制的计数器，即可显示64幅图，此低频接在EEPROM的高位，而高频计数器控制电路的输出接在EEPROM的低三位。即高位决定显示哪幅画，低位表示每幅图形的每列的显示。
显然，方案B比较合理而且能实现课程设计的要求，采用方案B来进行课程设计。
四、 整体设计思想及原理框图
本系统可设计为四个模块： 1.脉冲发生电路
采用两个555定时器组成振荡器，一个产生高频和一个产生可调低频。高频通过计数器控制电路和译码电路，不断刷新显示矩阵的各列；而低频产生脉冲，决定显示哪一幅画面。
2. 图形控制电路
用74LS161芯片设计一个64进制的计数器，以显示64幅图，其中低片计数器构成16进制，高片计数器构成4进制，并且将低频通过计数控制电路接在EEPROM的高位，从而选择显示哪一幅画。而高频通过计数器控制电路接在EEPROM的低三位，不断刷新显示矩阵的各列，用以控制图形的显示。由于显示矩阵是由64个发光二极管组成，把译码器输出接在显示矩阵的阴级进行行控制，EEPROM接在显示矩阵的阳极进行列控制，只有同时导通时，二极管才亮。译码电路是低电平有效，每次只有一个输出有效，所以需要快速进新刷新，故将高频通过计数器控制电路接在译码电路的输入端。
3.数码管显示电路
当前8X8显示矩阵显示的是哪一幅画，可以通过2个数码管显示出来。其中第一个数码管显示该画面所在的组别，另一个显示该幅画为这个组别的第几幅画。由于上面设计为16X4的64进制计数器控制显示画面。故可以设计四种组合，每一个组合为16副画。
4.存储电路
显示什么样的图形就决定于EEPROM的编程，而最终显示在显示矩阵上。 此外，暂停功能：控制低频计数器低位的EP和ET端实现。手动选画功能：当低频计数器的PE端为高电平时，图形自动连续循环；当PE端为低电平时，计数器处于置数功能，可通过选画开关选择需要显示的图画，其中高片计数通过置数选择画面组别，底片计数器通过指数选择此组合内的某一幅画。清零功能：控制低频计数器的清零端R，当R=0时，计数器实现清零功能。
原理框图如下：
五、各模块设计与分析
根据设计要求，本系统由脉冲发生电路、控制电路、译码驱动电路、存储矩阵和显示电路等几部分构成可编程彩灯控制电路。
A. 脉冲发生电路
1、555定时器的组成和功能
4脚：RD是直接清零端。当RD端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TL、
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：Vco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。 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。
⑶．功能介绍：
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为2/3V，1/3V的情况下，555时基电路的功能表如下表所示。
⑷．555定时器构成的多谐振荡器工作原理
接通电源后，假定V0是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是VCC—R1—
TL端电平大于2/3VCC）R2—C—地，VC按指数规律上升，当VC上升到2/3VCC时（TH、，
输出V0翻转为低电平。V0是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，VC按指数规律下降，当VC下降到1/3VCC时（TH、TL端电平小于1/3VCC），V0输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得：
输出高电平时间 tPH输出低电平时间 tPL振荡周期 T=tPH
=0.7(R1+R2)C=0.7R2C
+tPL=0.7(R1+2R2)C
输出方波的占空比
D=
tPHT
=
R1+RR1+2R
22
2、本模块工作原理介绍
脉冲发生电路主要用来产生时间基准信号（脉冲信号）。因为可编程循环彩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，所以采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。本系统采用两片555定时器分别构成高频脉冲发生器和低频脉冲发生器。高频脉冲发生器是用555构成多谐振荡器。由于人眼每秒可分辨出24幅图，而高频计数器采用8进制，作为刷新频率的脉冲，此高频刷新电路输出脉冲的频率应大于24*8=192Hz，这样便可以显示整幅的画面。低频脉冲发生器用于提供计数电路的脉冲，它能决定画面显示的速率。速率的调节可通过调节滑动电阻（0～1M）来实现。
高频脉冲发生 低频脉冲发生器 R1=100K R1=750K R1’=0~1M R2=100K R0=R2=1K
C1=C2=0.01Uf C1=10Uf C2=0.01Uf f=476Hz f=0.18~0.33Hz
B.控制电路和译码电路
1.74LS138功能介绍
74LS138是一种常见的3线8线译码器，它的八个输出引脚，任何时刻要么全
为高电平1，则芯片处于不工作状态；要么只有一个为低电平0，其余7个输出引脚全为高电平1；如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。其功能表如下：
当附加控制门的输出为高电平（S＝1）时，可由逻辑图写出
由上式可以看出，输出是这三个输入变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小项译码器。 74LS138的管脚图如右：
2.74LS161功能介绍
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能。 ⑴74LS161引脚图管脚图
CP：时钟 P0~P3：四个数据输入端 R：清零端 EP，ET：使能端 PE：同步置数端 Q0~Q3：数据输出端 TC：进位输出(TC=Q0·Q1·Q2·Q3·ET) ⑵74LS161功能表
74LS161真值表
从74LS161真值表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、
当R=0时，Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能；当R=1且PE=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P3，P2，P1，P0的状态一样，为同步置数功能。而只有当R=PE=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TC，其逻辑关系是TC= Q0·Q1·Q2·Q3·ET。应用计数器的清零功能和置数功能，可实现本系统中清零、选画的功能。
3、本模块工作原理介绍 ⑴控制电路
控制电路由3片74LS161计数器和3位二进制译码器74LS138组成，其中一片74LS161连接高频脉冲发生器和译码器74LS138，对显示矩阵电路进行行扫描和控制；另两片74LS161构成高低两片计数器，共同控制选画，置位，暂停等功能。
⑵译码电路
由一片74LS161和一片74LS138构成高频计数器和译码控制电路，由两片74LS161构成低频计数器
本模块电路图如右：
C.存储电路
存储电路用芯片EEPROM2864来存储不同画面的程序。EEPROM2864的低三位地址线A0到A2接在高频计数器输出端，显示每列的图形；高三位地址线A3到A8接低频计数器的输出，决定显示的哪幅画。
由EEPROM2864中的代码来决定图形的形状。编程如下表：
D.存储电路
实验中用以两个8段LED数码管分别显示图形所在组次和组次中的第几副，其中74LS48是一个二-十进制译码器，其输出端直接接到数码管即可，设计的电路如下：
六、元器件清单
七、安装及调试中出现的问题和解决方法
1.遇到的问题：连了一部分线后，发现有的芯片放哪都不合适，怎么着都不
能避免交叉。
解决方法：整体结构布局是很重要的，这直接影响以后的连线，在开始连
线之前一定要合理的规划好如何放置每个芯片。首先要保证电路功能和性能指标，在此基础上满足工艺性的要求。用Portel画电路图时注意芯片的布局，尽量避免电线相交叉。然后按电路图所示，分高频低频两大块，安排好各芯片的位置。
2. 遇到的问题：连线时发现好多地方不可避免出现了交叉的现象。
解决方法：连线要求保持导线横平竖直，紧贴面包板，尽量使其不要交叉，使得工艺美观，故连线之前要熟悉面包板的特性，清楚的知道哪些孔之间是相互接通的，遇到导线要交叉时，便可将导线剪断，再巧借面包板上的孔在内部将导线连起来。一般来说，先接一些地线和电源线，因为所有芯片都要
接地和电源的，然后按照电路图和整体结构布局用导线依次连接各管脚。如无避免交叉则应不同类别的导线用不同的颜色那样即使交叉了也容易分辨。
3. 遇到的问题：显示矩阵上有几个点总是不会亮。
解决方法：利用老师给我们的显示矩阵管脚对每个二极管的控制关系，用
万用表测试，若二极管还是不亮，说明给二极管已坏，是显示矩阵本身的问题；若二极管亮了，说明是接线问题，就要再检查连线。检查连线时，用一根导线，一端接地，一段分别接触138和2864的各个与点阵相连的管脚，查看是哪一个管脚没有连接好。哪一行或者那一列不亮时为连接不好。
4.遇到的问题：线路正确连接完毕后，打开电源，但是显示矩阵的显示并不
是理想设计的连续状态，而是断续的杂乱无章的。
解决方法：有可能是74LS161计数芯片不起作用，所以在实验开始之前要对
各元件认真检查并进行检测，确保元件完好，可以避免出现坏的元件给以后的调试带来麻烦。而此次实验最大的败笔就在于此。由于事先没有认真检查芯片，而后得不到正确的结果都还以为是连线的问题，从而浪费很多的时间，做了很多的无用功。对于74LS161，我们就将其输出接到四个高低电平指示灯上，给各脉冲，看是否是16进制顺序计数。至于电阻，我们不但会观察其色环，还会用万用表直接测其阻值。检查过后才发现原来实验室里面有一个批次的161可能都存在问题，它的计数不是规律的16进制，然后我们把这个问题反映给了老师。
5.遇到的问题：显示矩阵只会显示一幅图案，不是正常的循环显示所有图形。
解决方法：正常工作状态下，显示矩阵应该是自动、连续循环EEPROM内的
图形，检查后发现显示矩阵只会显示一幅图形是因为74LS161的置数端被置
为有效，则此时本系统有是在执行选画功能，可以通过改变选画开关来选画。说明：本系统中开关较多，有6个选画开关、1个暂停开关、1个清零开关和1个选画开关，我们应该弄懂各开关闭合、断开与其所对应的系统的工作状态之间的关系，才能在调试时得到想要的结果。
6.遇到的问题：对EEPROM编程后，接到面包板上看结果，但是只能显示所编
的一部分图形，并且每个图形显示一次之后总会出现一次全亮的状态，才会再显示下一个图形。
解决方法：这是编程出了问题，EEPROM内一个单元有16位，但是编写一个
图形只要8位，我们在编程时输入8位后就进入下一个单元的输入，直到最后输入64幅图的程序。用电脑读出之前写入EEPROM的程序，发现后面图形的程序已经超出系统对EEPROM的寻址范围，所以这些图形是无法显示的；在每个单元没编的后8位默认是高电平，故每次显示完一幅图就会显示一次全亮的状态，正确的编程方法是在一个单元内写入两幅图形的程序，那么图形就会连续显示了。
八、课程设计感想
为期两周的电子电工课程设计结束了，本次课程设计分为两个阶段。 1.理论设计阶段：要求同学们根据课题自行设计电路，选择元件，确定调试和测试方案。这是整个课程设计的基础，把电路设计好了，才谈得上实现功能；同时这也是最难的一个部分，以前我们接触的那些实验都是很短、很基础的，而且都有了原理图，只要我们连接线路将其功能实现出来就可以了，但是这次在课程设计中我们要把原来的许多知识组合起来才能完成的任务，这对我们来是说是一次考验。所以在这个星期里我和同组的同学到图书馆借来很多参考书，还上网找了
一些资料，我们对相似的实验进行分析，一步步搞懂，把能借鉴的地方用到自己的实验中来，终于设计出电路图。
2．实际动手装配、调试、测试及验收阶段：来到实验室看到样品，觉得好复杂啊，那么多线，还不能交叉，既要实现功能还要保证工艺美观，不容易啊，不过我们会全力以赴做到最好。我们以最快的速度接好线，开始了课程设计中的又一个难题，就是调试。打开开关后显示矩阵并不正常，故按照模块，一块一块地检查。从脉冲发生器开始，先对比电路图看是否接错，然后用示波器接到其输出端看输出波形是否是方波，并且可以从示波器上读出周期与理论值相比较；检查计数器就把其输出端接到八段数码显示管上，看其计数是否正确。在检查完各芯片以后还是不正常，可利用万用表测电位来查找错误之处，而且电位的检查从电源和地开始。另外，由于555定时器的输出频率太大，直接接到后续电路上不便观察结果。此时可改用实验箱上的脉冲，观察结果。
本次课程设计说起来真是不容易，要有耐心、有钻研精神，不仅巩固了以前所学过的知识，而且让我学到了很多在书本上所没有学到过的知识。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，对于很多芯片的使用还处于一知半解的状态，但是经过此次实践，对于怎么去排错、查错，怎么去看每一部分的运行结果，怎么去了解芯片的功能以确保程序的正确性都有了更为深刻的认识。在调试过程中，我收获了很多，包括如何硬件测试、如何去连接复杂电路，如何用万用表排查错误等。在此过程中，遇到了很多在课堂上未多深思的问题，通过思考我对课本知识有了进一步的理解。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，我们要把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提
高自己的实际动手能力和独立思考的能力。此后，我要努力的培养自己的动手能力和实践能力。
而本次实验让我学会了一个道理那就是老师反复提醒我们要注意的地方一定是有其道理的，而我们不可自以为是。本次实验老师强调要检查好芯片再连线。而我自以为挑选的都是新芯片，不会有任何问题，而没有做这一道工作，导致后面的调试困难重重，浪费了很多的宝贵时间，还把本来已经很好看的工艺搞的面目全非，影响了自己的成绩。虽然直到最后实在是确定不是连线的问题才想到是不是那几片新的161芯片的问题，果不其然自己用的三片新的161竟然都是坏的。还好在老师第二次检查的时候自己把这个发现告诉老师，同时自己也得到了正确的实验结果。
在本次课程设计中遇到了很多问题，但是在老师的指导下，最终都得到解决，使设计得以顺利完成，感谢老师在实验中的尽心指导。
附录：实验电路图
附录：实验连接图
参考文献
数字电子技术基础 陈明义主编 中南大学出版社 电工电子实验教程 陈明义、宋学瑞主编 中南大学出版社 电子技术课程设计实用教程 陈明义主编 中南大学出版社 简明电子元器件手册 于安红主编 上海交大出版社 电子电路实验及仿真 路 勇主编 清华大学出版社 数字电子技术 王建珍主编
数字电路逻辑设计 李大友主编
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