节日彩灯控制器设计
第1章 绪论
彩灯是我国普遍流行的传统的民间的综合性的工艺品。彩灯艺术也就是灯的综合性的装饰艺术。新中国成立后，彩灯艺术得到了更大的发展，特别是随着我国科学技术的发展，彩灯艺术更是花样翻新，奇招频出，传统的制灯工艺和现代科学技术紧密结合，将电子、建筑、机械、遥控、声学、光导纤维等新技术、新工艺用于彩灯的设计制作，把形、色、光、声、动相结合，思想性、知识性、趣味性、艺术性相统一。在当今的社会里，彩灯已经成为我们生活的一部分，能给我们带来视觉上的享受还能美化我们的生活。
1.1 彩灯控制器概述
彩灯控制器主要是通过电路产生有规律变化的脉冲信号来实现彩灯的各种变化。它的主要器件是寄存器。现如今寄存器是数字系统常见的重要部件，除在计算机中广泛用于存放中间数据外，它在其他方面的应用，目前在教材中只介绍可构成环形或扭环形计数器。本次实验由于触发器具有记忆的功能，所以将移位寄存器设计成彩灯控制电路。由于电路本身实用，如果再通过计算机仿真，就可以直观地看到循环彩灯控制效果。如果稍微改动控制电路，就可以改变电路的不同工作状态，控制彩灯变幻出不同的闪烁效果。
1.2 彩灯控制技术状况
彩灯控制电路是由单元电路组合而成的，主要由555振荡电路产生一矩形脉冲，在经74LS93分频后得到四路分频信号，由74LS74﹑74LS153组成的电子开关去控制这四路分频信号，进而控制彩灯亮灭的顺序，从而出现彩灯四种花样自动切换。
1.3 本设计任务
运用555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164等电路元件组成彩灯控制电路，并用Proteus等软件仿真。
第2章 总体方案设计与论证
通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。
2.1 方案比较
方案一只能实现稍微比较简单的一些功能，能达到预期目的。结构较单一，为了更好的了解所学知识，巩固已学知识选择方案二，它能很好的完成任务 2．1．1 方案一
方案一原理框图如图2-1所示。
图2-1 方案一的原理框图
方案一：用模十六计数器74LS161的输出端的最高位QD作为双D触发器的时钟，可以只用一个555定时器。计数器每计八个数，QD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，变化比较单一。 2．1．2 方案二
方案二原理框图如图2-2所示。
图2-2 方案二的原理框图
方案二：彩灯控制器原理框图如图2-2所示。用555构成多谐振荡器。用4位2进制计数器74LS93接成16进制计数器，其4个输出端可以分别输出对计数脉冲的2、4、8、16分频信号。用双D触发器74LS74接成2进制加法计数器。数据选择器由双4选174LS153构成，并且只用它的一组4选1数据通道。移位寄存器选择八位74LS164，它是产生移动灯光信号的核心器件。
2.2 方案论证
如果按方案一连接电路，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。
2.3 方案选择
结合我们已学知识，为使实验更加成功，我觉得更适合做方案二，而不采用方案一。
第3章 单元模块设计
主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。
3.1 各单元模块功能介绍及电路设计
本系统主要分为3个单元模块，它们分别是：时钟脉冲产生电路模块、彩灯开关电路模块和花样输出电路模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。
3.1.1 时钟脉冲产生电路模块设计
用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„„„„„„„„„(3-1)
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=1KΩ ， R2=51KΩ ， C=0.01μF 由公式（3-1）计算得：T=0.721S 电路图如图3-1所示
:
图3-1 时钟电路
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=1KΩ ， R2=1MΩ ，C=0.01μF 由公式（3-1）计算得：T=14.42S 3.1.2 彩灯开关电路模块设计
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、Z2、Z3、Z4。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。
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、QB、QC、QD4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IC4输出为“00”时，选通IC5的⑧脚；为“01”时，选定IC5的⑤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
开关电路图如图3-2所示：
图3-2 开关电图
令Q1Q2=AB，74LS153数据选择器的功能表如图3-3所示
图3-3 数据选择器功能表
由表3-3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。 3.1.3 花样输出电路模块设计
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（如图3-4所示）。寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，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。
图3-4 输出电路
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220V／9V变压器降压，经D1一D4桥式整流，7805稳压后给控制电路供电。
从IC5第⑦脚输出的数据信号送到IC6的输入端第⑧脚，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。
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图3-5所示
图3-5 寄存器数码移动情况表
由表3-5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。
3.2功能器件的介绍
本系统中主要使用了如下一些功能器件：555定时器、8位移位寄存器74LS164、双四选一数据选择器74LS153。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。 3.2.1 555定时器
如图3-6所示：
图3-6 555定时器
由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。
555定时器有二个比较器A1和A2，有一个RS触发器，R和S高电平有效。三极管VT1对清零起跟随作用，起缓冲作用。三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器，由此可以获得 和 两个分压值，一般称为阈值。555定时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端TR，3脚是输出端OUT，4脚是清除端R，5脚是电压控制端CV，6脚是高触发端TH，7脚是放电端DC，8脚是电源端VCC。555定时器的输出端电流可以达到200mA，因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载，如继电器、扬声器、发光二极管等。 3.2.2 8位移位寄存器74LS164
芯片管脚图如图3-7所示：
图3-7 74LS164移位寄存器
主要参数及特点 1. 串行输入带锁存
2. 时钟输入,串行输入带缓冲 3. 异步清除
4. 最高时钟频率可高达36Mhz 5. 功耗：10mW/bit
6. 74系列工作温度： 0°C to 70°C 7. Vcc最高电压：7V 8. 输入最高电压：7V 9. 最大输出驱动能力： 10. 高电平：－0.4mA 11. 低电平：8mA
移位寄存器属于同步时序电路，在同一时钟脉冲作用下，可以将寄存的二进制代码或数据依次移位，用来实现数据的串行/并行或并行/串行的转换、数值运算以及其他数据处理功能。
3.2.3 双四选一数据选择器74LS153
芯片管脚图如图3-8所示
图3-7 74LS153数据选择器
数据选择是指经过选择，把多路数据中的某一路数据传送到公共数据线上，实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器。它的作用相当于多个输入的单刀多掷开关。本设计只用到了其中一组4选一开关。