簡易彩燈控制器電路課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要2</b></p><p>　　第一章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)3</p><p>　　第一節(jié) 系統(tǒng)組成框圖3</p><p>　　第二節(jié) 工作原理3</p><p>　　第二章 元器件選擇6<

2、;/p><p>　　第一節(jié) 元器件清單6</p><p>　　第二節(jié) 74LS1947</p><p>　　第三節(jié) 74LS1618</p><p>　　第四節(jié) D觸發(fā)器9</p><p>　　第五節(jié) 555時(shí)基電路11</p><p>　　第六節(jié) 發(fā)光二極管13</

3、p><p>　　第三章 模塊介紹15</p><p>　　第一節(jié) 電源電路15</p><p>　　第二節(jié) 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路15</p><p>　　第三節(jié)　分頻電路的工作原理16</p><p>　　第四節(jié)　狀態(tài)機(jī)電路17</p><p>　　第五節(jié)　移位輸出電路18</p

4、><p><b>　　總結(jié)19</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)20</b></p><p><b>　　附錄21</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化

5、，在許多場合可以看到彩燈。在現(xiàn)實(shí)生活中，大家都見過霓虹燈，它們閃爍著不同顏色的光，變換這不同的花型，在夜晚很是好看。它是一種很好的照明娛樂工具。而彩燈控制器在我們?nèi)粘Ｉ钪杏兄匾倪\(yùn)用，如廣告牌的設(shè)計(jì)和節(jié)日彩燈的設(shè)計(jì)都能用到它的原理。本次設(shè)計(jì)的是簡易彩燈控制器電路，采用電子元件制作的一個(gè)簡易的具有四種變換花型的彩燈，但這是進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。</p><p>　　首先要分析設(shè)計(jì)要求，（1）可以控制8個(gè)以上的彩燈；

6、（2）可以組成四種以上花型，并且每種花型能夠連續(xù)循環(huán)兩次，各種花型輪流顯示。通過分析問題和初步整體思考，設(shè)計(jì)如下方案：整體功能的實(shí)現(xiàn)需要以下四個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)：它們是：時(shí)鐘振蕩電路，分頻電路，狀態(tài)機(jī)電路，移位顯示電路?；?4系列簡單邏輯門電路的組合，實(shí)現(xiàn)簡易電子彩燈控制器電路，具有電路設(shè)計(jì)簡單，成本低廉的特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：時(shí)鐘脈沖；分頻；雙D觸發(fā)器；移位寄存器；計(jì)數(shù)器</p><

7、;p>　　第一章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　第一節(jié) 系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　把四花型彩光燈設(shè)計(jì)分為幾個(gè)獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊完成特定的功能，再它們有機(jī)的組織起來構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)完成彩燈控制器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)可由四個(gè)模塊組成。它們分別為：時(shí)鐘振蕩電路，555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器；分頻電路，由四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74LS161組成， 為D 觸發(fā)器提供時(shí)鐘；狀態(tài)機(jī)電路

8、，由雙 D 觸發(fā)器組成；移位顯示電路，由雙向移位寄存器 74194 和發(fā)光二極管組成，實(shí)現(xiàn)花型顯示。</p><p><b>　　如下圖：</b></p><p>　　圖1-1 系統(tǒng)組成框圖</p><p><b>　　第二節(jié) 工作原理</b></p><p>　　由555定時(shí)器構(gòu)成的時(shí)鐘振蕩電路產(chǎn)

9、生固定頻率的脈沖，一方面作用于由74161組成的分頻電路，一方面作用于由74F194構(gòu)成的移位輸出電路，為他們提供時(shí)鐘信號(hào)。由于74161是16分頻計(jì)數(shù)器，故每十六個(gè)脈沖74LS161進(jìn)位一次,致使觸發(fā)器U1A翻轉(zhuǎn)一次，而觸發(fā)器U2A的3腳連接的是觸發(fā)器U1A的5腳，實(shí)現(xiàn)了U1A的16分頻和U2A的32分頻。所以平均U1A翻轉(zhuǎn)兩次而U2A翻轉(zhuǎn)一次。集成移位寄存器74194由個(gè)RS觸發(fā)器及他們的輸入控制電路組成，其中Ｓ1和Ｓ0是兩個(gè)控制輸

10、入端。雙Ｄ觸發(fā)器的輸出端改變Ｓ0,Ｓ1的值，實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)控制?？山M成U1A左移，U2A右移；U1A右移，U2A右移；U1A左移，U2A左移；U1A右移，U2A左移四種花型。每十六個(gè)脈沖每種花型恰好循環(huán)兩次，而此時(shí)Ｄ觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為下一種花型。四種花型如下：</p><p>　　花型一：四個(gè)燈為一組，兩組均從右向左亮起，再從右向左滅掉。</p><p>　　花型二：四個(gè)燈為一組，兩組均向中

11、間亮起，再從兩邊向中間滅掉。</p><p>　　花型三：四個(gè)燈為一組，兩組均從左向右亮起，再從左向右滅掉。</p><p>　　花型二：四個(gè)燈為一組，兩組均從中間向兩邊亮起，再從中間向兩邊滅掉。</p><p><b>　　表1-1</b></p><p>　　圖1-2 設(shè)計(jì)原理圖</p><p&

12、gt;<b>　　第二章 元器件選擇</b></p><p>　　第一節(jié) 元器件清單</p><p>　　表2-1 元器件清單</p><p>　　第二節(jié) 74LS194</p><p>　　74LS194引腳圖如下：</p><p><b>　　圖2-1方框符號(hào)</b>&

13、lt;/p><p>　　圖2-2 拐角符號(hào)</p><p>　　集成移位寄存器74194由4個(gè)RS觸發(fā)器及它們的輸入控制電路組成。其中兩個(gè)控制輸入端M1、M0的狀態(tài)組合可以完成4種控制功能，其中左移和右移兩項(xiàng)是指串行輸入，數(shù)據(jù)是分別從左移輸入端Dsl和右移輸入端DsR送入寄存器的。RD為異步清零輸入端。</p><p>　　表2-2 74LS194真值表</p&

14、gt;<p>　　由上功能表知，第1行表示寄存器異步清零；第2行表示當(dāng)RD=1，CP=1(或0)時(shí)，寄存器處于原來狀態(tài)；第3行表示為并行輸入同步預(yù)置數(shù)；第4、5行為串行輸入左移；第6、7行為串行輸入右移；第8行為保持狀態(tài)。</p><p>　　第三節(jié) 74LS161</p><p>　　74LS161的引腳圖如下：</p><p>　　圖2-3

15、 74LS161引腳圖</p><p>　　74LS161功能表如下所示：</p><p>　　表2-3 74LS161功能表</p><p><b>　　第四節(jié) D觸發(fā)器</b></p><p>　　D觸發(fā)器的引腳如下圖：</p><p>　　圖2-4是D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)，從圖2-4可看出

16、CP是上升沿有效，當(dāng)然，D觸發(fā)器還有CP下降沿有效的，如圖2-4（b）所示。</p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖2-4 維持阻塞D觸發(fā)器邏輯符號(hào)</p><p>　　表2-4 特征表</p><p>　　此表為D觸發(fā)器的特征表，特征表就是Qn將也作為真值表的輸入變量，而Qn+1為輸

17、出，此時(shí)的真值表稱為特征表。有特征表可得特征方程：Qn+1=D</p><p><b>　　狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時(shí)序圖</b></p><p>　　維持阻塞D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2-5所示，圖（a）為狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，圖(b)為時(shí)序圖。</p><p><b>　?。╝）</b></p><p><b&g

18、t;　　(b)</b></p><p>　　圖2-5 D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時(shí)序圖</p><p>　　第五節(jié) 555時(shí)基電路</p><p><b>　　-</b></p><p>　　圖2-6 555時(shí)基電路的電路結(jié)構(gòu)及引腳圖</p><p>　　上圖為555時(shí)基電路的電路結(jié)構(gòu)和

19、8引腳雙列直插式的引腳圖，由圖可知555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個(gè)部分組成。它的各個(gè)引腳功能如下：</p><p>　　1腳：GND（或Vss）外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。</p><p>　　8腳：VCC（或VDD）外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5~16V,CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3~18V。一般為5V。&

20、lt;/p><p>　　3腳：OUT（或Vo）或輸出端。</p><p>　　2腳：TR低觸發(fā)器。</p><p>　　6腳：TH高觸發(fā)器。</p><p>　　4腳：R是直接清零端。當(dāng)R端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。</p><p>　　5腳：CO

21、(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01mF電容接地，以防引入干擾。</p><p>　　7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。電阻分壓器由三個(gè)5K的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號(hào)；

22、低電平觸發(fā)信號(hào)加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號(hào)。基本RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。</p><p>　　在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器C1、C2基準(zhǔn)電壓分別為2/3Vcc，1/3Vcc的情況下，555時(shí)基電路的功能表如下表所示：</p><p>　　表2-5 555時(shí)基電路的功能表</p&g

23、t;<p>　　第六節(jié) 發(fā)光二極管</p><p>　　它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中國電子和空穴多處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅

24、光、綠光或黃光的二極管。</p><p>　　發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性很陡，使用時(shí)必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。</p><p>　　圖2-7 發(fā)光二極管</p><p>　　它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。 </p&g

25、t;<p>　　發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極

26、流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。</p><p>　　第三章 模塊介紹</p><p><b>　　第一節(jié) 電源電路</b></p><p>　　圖3-1 電源電路</p><p>　　如圖2-2所示，電源電路是由220V工頻電源，RC濾波電路，變壓器，橋式整流電路，N

27、PN管，穩(wěn)壓管，濾波電容組成。電源電路本可以采用兩種方法實(shí)現(xiàn)，第一種方法是通過電池供電，但是考慮到需要選擇合適電池的指標(biāo)參數(shù)與電路相匹配，故不如利用現(xiàn)成的電網(wǎng)供電更方便。如圖7采用220V電網(wǎng)電源，先經(jīng)過熔斷器以防止電路出現(xiàn)短路對(duì)其他元件造成損害。然后與一個(gè)RC濾波電路相連進(jìn)行第一次濾波。這是考慮到電網(wǎng)電壓中實(shí)際上含有一定成分的高次諧波，因此先行濾波再用變壓器變壓。變壓后經(jīng)過橋式整流電路，C5電容濾波后電壓相對(duì)穩(wěn)定。此時(shí)經(jīng)過7.5V穩(wěn)壓

28、管分壓，BG4的B4為7.5V，C極為12V，由此可推出BG4導(dǎo)通，E極為6.8V。再經(jīng)過C3、C4的高頻及低頻濾波，最終給其他電路輸出一個(gè)6.8V的直流電源。</p><p>　　第二節(jié) 時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個(gè)周期性的矩形脈沖。電路圖如圖4.1所示:</p><p>　　圖3-2　由555定時(shí)器構(gòu)成的

29、多謝振器</p><p>　　接通電源后，電容Ｃ5被充電，當(dāng)２管腳處的電壓上升到２Ｖcc/3時(shí)，使Ｖo為低電平，同時(shí)放電三極管Ｔ導(dǎo)通，此時(shí)電容Ｃ５通過Ｒ２和Ｔ放電，Ｖc下降。當(dāng)Ｖc下降掉Ｖcc/3時(shí)，Ｖo翻轉(zhuǎn)為高電平。振蕩器的振蕩頻率為1.43/(R1+R2+R2)C5。</p><p>　　第三節(jié)　分頻電路的工作原理</p><p>　　圖3-3　74LS161引

30、腳圖</p><p>　　74LS161是4位二進(jìn)制同步加計(jì)時(shí)器。其中1腳是異步清零端，9腳是預(yù)置控制端，P0,P1,P2,P3是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，RCO是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，7和10腳是計(jì)數(shù)控制端。(1)異步清零：當(dāng)1腳接低電平時(shí)，不管其他輸入的狀態(tài)如何，計(jì)數(shù)器直接清零。(2)同步并行預(yù)置數(shù)；在1腳接高電平的條件下，當(dāng)9腳接低電平且有時(shí)鐘脈沖時(shí)P0,P1,P2,P3輸入端的數(shù)據(jù)分別被Q0,Q1,Q2,Q3所接收。(3

31、)保持：1和9腳同時(shí)接高電平，兩個(gè)記數(shù)使能端有一個(gè)接低電平時(shí)，不管有無脈沖，記數(shù)器都保持原狀態(tài)不變。(4)記數(shù)：當(dāng)1,7,9,10管腳都接高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器處于記數(shù)狀態(tài)。當(dāng)時(shí)鐘電路產(chǎn)生16個(gè)脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)位端進(jìn)1，促使D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)或截止。</p><p><b>　　第四節(jié)　狀態(tài)機(jī)電路</b></p><p>　　圖3-4 狀態(tài)機(jī)電路圖</p><

32、;p>　　狀態(tài)機(jī)電路由兩個(gè)Ｄ觸發(fā)器組成。觸發(fā)器U1A的５腳與觸發(fā)器的U2A的3腳連接，從而實(shí)現(xiàn)U1A的16分頻和U2A的32分頻。Ｄ觸發(fā)器為上升沿出發(fā)，當(dāng)脈沖由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，Ｄ觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。本電路中，假設(shè)開始時(shí)U1A的５腳為高電平，則U2A的3腳也為高電平，分頻電路16拍進(jìn)位一次，促使觸發(fā)器U1A發(fā)生翻轉(zhuǎn)使５腳變?yōu)榈碗娖絼tU2A的3腳也變?yōu)榈碗娖健．?dāng)分頻電路經(jīng)過第二個(gè)16拍時(shí)，再次進(jìn)位，U1A的５腳為高電平而此時(shí)U2A的2

33、腳也再次變?yōu)楦唠?，此過程中U2A經(jīng)歷了一個(gè)上升沿觸發(fā)，翻轉(zhuǎn)一次，從而實(shí)現(xiàn)四種花型的輪流變換。</p><p>　　第五節(jié)　移位輸出電路</p><p>　　圖3-5　　移位輸出電路電路圖</p><p>　　集成移位寄存器74194由4個(gè)RS觸發(fā)器及他們的輸入控制電路組成，其中Ｓ1和Ｓ0是兩個(gè)控制輸入端,A、B、C、D是并行輸入端。如表１所示，他們的狀態(tài)組合可以完成

34、四種控制功能，其中左移和右移兩項(xiàng)是串行輸入，數(shù)據(jù)是分別從左移輸入端7引腳和右移輸入端2引腳送入寄存器中的。1引腳為異步清零。如圖U1B,本電路中要求移位過程中數(shù)據(jù)不丟失，故采用將移位寄存器的最高位輸出端12腳和最低位輸入端2引腳連接以及讓移位寄存器的最低位輸出端15引腳和最高位輸入端7引腳連接。，形成環(huán)形計(jì)數(shù)器。從而實(shí)現(xiàn)四種花型的循環(huán)輸出。</p><p>　　表3-1　74194雙向移位寄存器控制端的邏輯功能&

35、lt;/p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　這一周的課程設(shè)計(jì)，在老師的指導(dǎo)下，我收獲很多很多，不僅加深了對(duì)書上及老師所講的知識(shí)的理解，而且還擴(kuò)展了我的思維能力和創(chuàng)造設(shè)計(jì)能力。在這次電路的學(xué)習(xí)和研究中我學(xué)到了許多在書上學(xué)不到的東西。</p><p>　　我們知道，設(shè)計(jì)電路關(guān)鍵在于對(duì)設(shè)計(jì)要求的理解分析以及對(duì)基本電路相關(guān)知識(shí)的熟練掌

36、握。設(shè)計(jì)電路時(shí)，將總體的功能分成若干個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)，是簡化電路設(shè)計(jì)思路的很好方法；且搞清各個(gè)模塊的功能與實(shí)現(xiàn)要求操作的具體方法，對(duì)電路故障的檢查也是很有幫助。</p><p>　　通過這次設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多東西，如查找資料，設(shè)計(jì)比較，Protel軟件制圖，整理資料。</p><p>　　另外，從這次課程設(shè)計(jì)中，我還發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足，如對(duì)課本知識(shí)的疏忽和理解不透徹，以前只注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，

37、認(rèn)為只要理論知識(shí)學(xué)好就可以了，但這次課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)后我深深地體會(huì)到自己學(xué)的東西是多么的少，只學(xué)習(xí)理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，他只是一部分，還要理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)踐中運(yùn)用才是最重要的，同時(shí)在實(shí)踐在加以運(yùn)用也是我們的目的，所以在以后的學(xué)習(xí)中，我要更加好好學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，并與實(shí)踐相結(jié)合，為以后的學(xué)習(xí)工作打好良好的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p

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39、<p>　　[5]何小艇. 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì). 浙江大學(xué)出版社，2001,10 </p><p>　　[6]姚福安. 電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐. 山東科學(xué)技術(shù)出版社，2001 ,10 </p><p>　　[7]編委會(huì). 燈光控制應(yīng)用電路集萃. 機(jī)械工業(yè)出版社，1998, 10 </p><p><b>　　附錄</b></p>