簡易彩燈控制器電路課程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要2</b></p><p>　　第一章 系統(tǒng)總體方案設計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) 時鐘脈沖產生電路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)機電路17</p><p>　　第五節(jié)　移位輸出電路18</p

4、><p><b>　　總結19</b></p><p><b>　　參考文獻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日常生活中有重要的運用，如廣告牌的設計和節(jié)日彩燈的設計都能用到它的原理。本次設計的是簡易彩燈控制器電路，采用電子元件制作的一個簡易的具有四種變換花型的彩燈，但這是進行復雜設計的基礎。</p><p>　　首先要分析設計要求，（1）可以控制8個以上的彩燈；

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，設計如下方案：整體功能的實現(xiàn)需要以下四個模塊來實現(xiàn)：它們是：時鐘振蕩電路，分頻電路，狀態(tài)機電路，移位顯示電路。基于74系列簡單邏輯門電路的組合，實現(xiàn)簡易電子彩燈控制器電路，具有電路設計簡單，成本低廉的特點。</p><p>　　關鍵詞：時鐘脈沖；分頻；雙D觸發(fā)器；移位寄存器；計數(shù)器</p><

7、;p>　　第一章 系統(tǒng)總體方案設計</p><p>　　第一節(jié) 系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　把四花型彩光燈設計分為幾個獨立的功能模塊進行設計，每個模塊完成特定的功能，再它們有機的組織起來構成一個系統(tǒng)完成彩燈控制器的設計。系統(tǒng)可由四個模塊組成。它們分別為：時鐘振蕩電路，555定時器構成多諧振蕩器；分頻電路，由四位二進制計數(shù)器 74LS161組成， 為D 觸發(fā)器提供時鐘；狀態(tài)機電路

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定時器構成的時鐘振蕩電路產

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構成的移位輸出電路，為他們提供時鐘信號。由于74161是16分頻計數(shù)器，故每十六個脈沖74LS161進位一次,致使觸發(fā)器U1A翻轉一次，而觸發(fā)器U2A的3腳連接的是觸發(fā)器U1A的5腳，實現(xiàn)了U1A的16分頻和U2A的32分頻。所以平均U1A翻轉兩次而U2A翻轉一次。集成移位寄存器74194由個RS觸發(fā)器及他們的輸入控制電路組成，其中Ｓ1和Ｓ0是兩個控制輸

10、入端。雙Ｄ觸發(fā)器的輸出端改變Ｓ0,Ｓ1的值，實現(xiàn)左右移動控制?？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。每十六個脈沖每種花型恰好循環(huán)兩次，而此時Ｄ觸發(fā)器翻轉，轉換為下一種花型。四種花型如下：</p><p>　　花型一：四個燈為一組，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 設計原理圖</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</b>&

13、lt;/p><p>　　圖2-2 拐角符號</p><p>　　集成移位寄存器74194由4個RS觸發(fā)器及它們的輸入控制電路組成。其中兩個控制輸入端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RD=1，CP=1(或0)時，寄存器處于原來狀態(tài)；第3行表示為并行輸入同步預置數(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，從圖2-4可看出

16、CP是上升沿有效，當然，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</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)轉換圖和時序圖</b></p><p>　　維持阻塞D觸發(fā)器的狀態(tài)轉換圖如圖2-5所示，圖（a）為狀態(tài)轉換圖，圖(b)為時序圖。</p><p><b>　　（a）</b></p><p><b&g

18、t;　　(b)</b></p><p>　　圖2-5 D觸發(fā)器的狀態(tài)轉換圖和時序圖</p><p>　　第五節(jié) 555時基電路</p><p><b>　　-</b></p><p>　　圖2-6 555時基電路的電路結構及引腳圖</p><p>　　上圖為555時基電路的電路結構和

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個部分組成。它的各個引腳功能如下：</p><p>　　1腳：GND（或Vss）外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。</p><p>　　8腳：VCC（或VDD）外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5~16V,CMOS型時基電路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R端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。</p><p>　　5腳：CO

21、(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只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，用做定時器時電容的放電。電阻分壓器由三個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，其結果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號；

22、低電平觸發(fā)信號加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號。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，兩個比較器C1、C2基準電壓分別為2/3Vcc，1/3Vcc的情況下，555時基電路的功能表如下表所示：</p><p>　　表2-5 555時基電路的功能表</p&g

23、t;<p>　　第六節(jié) 發(fā)光二極管</p><p>　　它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能；簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴復合，產生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中國電子和空穴多處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時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>　　它的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，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型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，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。 當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極

26、流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。</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參數(shù)與電路相匹配，故不如利用現(xiàn)成的電網供電更方便。如圖7采用220V電網電源，先經過熔斷器以防止電路出現(xiàn)短路對其他元件造成損害。然后與一個RC濾波電路相連進行第一次濾波。這是考慮到電網電壓中實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。變壓后經過橋式整流電路，C5電容濾波后電壓相對穩(wěn)定。此時經過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導通，E極為6.8V。再經過C3、C4的高頻及低頻濾波，最終給其他電路輸出一個6.8V的直流電源。</p><p>　　第二節(jié) 時鐘脈沖產生電路</p><p>　　用555定時器構成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個周期性的矩形脈沖。電路圖如圖4.1所示:</p><p>　　圖3-2　由555定時器構成的

29、多謝振器</p><p>　　接通電源后，電容Ｃ5被充電，當２管腳處的電壓上升到２Ｖcc/3時，使Ｖo為低電平，同時放電三極管Ｔ導通，此時電容Ｃ５通過Ｒ２和Ｔ放電，Ｖc下降。當Ｖc下降掉Ｖcc/3時，Ｖo翻轉為高電平。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位二進制同步加計時器。其中1腳是異步清零端，9腳是預置控制端，P0,P1,P2,P3是預置數(shù)據(jù)輸入端，RCO是預置數(shù)據(jù)輸入端，7和10腳是計數(shù)控制端。(1)異步清零：當1腳接低電平時，不管其他輸入的狀態(tài)如何，計數(shù)器直接清零。(2)同步并行預置數(shù)；在1腳接高電平的條件下，當9腳接低電平且有時鐘脈沖時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腳同時接高電平，兩個記數(shù)使能端有一個接低電平時，不管有無脈沖，記數(shù)器都保持原狀態(tài)不變。(4)記數(shù)：當1,7,9,10管腳都接高電平時，計數(shù)器處于記數(shù)狀態(tài)。當時鐘電路產生16個脈沖時，計數(shù)器進位端進1，促使D觸發(fā)器翻轉或截止。</p><p><b>　　第四節(jié)　狀態(tài)機電路</b></p><p>　　圖3-4 狀態(tài)機電路圖</p><

32、;p>　　狀態(tài)機電路由兩個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)，當脈沖由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，Ｄ觸發(fā)器發(fā)生翻轉。本電路中，假設開始時U1A的５腳為高電平，則U2A的3腳也為高電平，分頻電路16拍進位一次，促使觸發(fā)器U1A發(fā)生翻轉使５腳變?yōu)榈碗娖絼tU2A的3腳也變?yōu)榈碗娖?。當分頻電路經過第二個16拍時，再次進位，U1A的５腳為高電平而此時U2A的2

33、腳也再次變?yōu)楦唠?，此過程中U2A經歷了一個上升沿觸發(fā)，翻轉一次，從而實現(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)形計數(shù)器。從而實現(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</b></p><p>　　這一周的課程設計，在老師的指導下，我收獲很多很多，不僅加深了對書上及老師所講的知識的理解，而且還擴展了我的思維能力和創(chuàng)造設計能力。在這次電路的學習和研究中我學到了許多在書上學不到的東西。</p><p>　　我們知道，設計電路關鍵在于對設計要求的理解分析以及對基本電路相關知識的熟練掌

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

37、認為只要理論知識學好就可以了，但這次課程設計實習后我深深地體會到自己學的東西是多么的少，只學習理論知識是遠遠不夠的，他只是一部分，還要理論聯(lián)系實際，在實踐中運用才是最重要的，同時在實踐在加以運用也是我們的目的，所以在以后的學習中，我要更加好好學習基礎知識和基本技能，并與實踐相結合，為以后的學習工作打好良好的基礎。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p

38、>　　[1]李銀華. 電子線路設計指導. 北京航空航天大學出版社，2005,6</p><p>　　[2]康華光. 電子技術基礎. 高教出版社，2003 </p><p>　　[3]謝自美. 電子線路設計、實驗、測試. 華中理工出版社</p><p>　　[4]王澄飛. 電路與數(shù)字邏輯設計實踐. 東南大學出版社，1999,10 </p>

39、<p>　　[5]何小艇. 電子系統(tǒng)設計. 浙江大學出版社，2001,10 </p><p>　　[6]姚福安. 電子電路設計與實踐. 山東科學技術出版社，2001 ,10 </p><p>　　[7]編委會. 燈光控制應用電路集萃. 機械工業(yè)出版社，1998, 10 </p><p><b>　　附錄</b></p>