基于數(shù)字電路設計的彩燈控制器.doc

設計題目：彩燈控制器的設計 系 別：電子與信息工程學院班 級： 1092132 學生姓名： 崔開地 指導教師： 丁文飛 成 績： 2013年7月9日課 程 設 計 任 務 書課程設計題目彩燈控制器的設計功能技術指標1. 順序產生：紅、綠、紅+綠=黃、藍、紅+藍=紫、綠+藍=青、紅+綠+藍=白；2.燈光換時間可調，范圍在0.110s。工作量工作計劃1、分析題目的功能要求，查找和分析參考資料。（1天）2、畫出電路原理圖，分析電路原理圖和列出元器件表。（2天）3、購買元器件（1天）4、安裝電路（2天）5、電路調試（5天）6、撰寫課程設計說明書（3天）7、準備答辯（1天）8、答辯（1天）。指導教師評語 年 月 日目錄第1章 緒論11.1 選題目的11.2 設計要求11.2.1 設計題目和技術指標11.2.2 設計功能1第2章 電路結構及工作原理22.1電路方框圖22.2時鐘發(fā)生電路圖22.3彩燈控制電路32.4彩燈顯示電路5第3章 整機工作原理73.1 整機原理圖73.2 整機電路原理7第4章 電路的組裝與調試94.1 電路的檢查94.2 電路的調試94.2.1 在調試中遇到的困難9結論11收獲和體會12致謝13參考文獻14附錄115哈爾濱華德學院課程設計用紙第1章 緒論1.1 選題目的課程設計是一個非常重要的教學環(huán)節(jié)，是電子線路教學環(huán)節(jié)的繼續(xù)、深化、補充和檢驗，是教學計劃中綜合性很強的實踐性教學環(huán)節(jié)。 1.了解并掌握數(shù)字電子技術課程所學的基礎理論知識。2.通過對理論知識的掌握，學會用其進行基本的電路設計。3.熟悉常用集成數(shù)字芯片，并掌握其結構組成、工作原理及邏輯功能，進一步學會使用其進行電路的設計。4.了解并熟悉數(shù)字電子技術設計的基本思想和方法、原理。5.培養(yǎng)學生在遇到難題時，會用科學分析和解決問題的方法。 6.培養(yǎng)學生的綜合設計能力、嚴謹認真的工作作風和實事求是的工作態(tài)度。1.2 設計要求1.2.1 設計題目和技術指標題目名稱：彩燈控制器的控制設計技術指標：1.順序產生：紅、綠、紅+綠=黃、藍、紅+藍=紫、綠+藍=青、紅+綠+藍=白； 2.燈光換時間可調，范圍在0.110s。1.2.2 設計功能本次的的課程設計主要實現(xiàn)利用CD4011與CD4518實現(xiàn)使在紅、綠及藍“三基色”燈情況下，順序產生7種色光。第2章 電路結構及工作原理2.1電路方框圖通過查閱大量資料，最終確定方案，其方案電路方框圖如圖2-1所示。圖2-1電路方框圖該方案主要由時鐘信號CP發(fā)生電路、彩燈花樣控制電路以及彩燈演示電路組成具體工作方式如下。 2.2時鐘發(fā)生電路圖時鐘發(fā)生電路主要由555及外圍電阻、電容構成。其時鐘發(fā)生電路如圖2-2所示。圖2-2時鐘發(fā)生電路 555集成電路在這里除了作定時延時控制外，還可用于調光、調溫、調壓、調速等多種控制及計量檢測。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn) 和脈沖調制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、脈沖 調制等。555引腳圖如圖2-3示。 圖2-3 555引腳圖555引腳圖介紹如下1地 GND、2觸發(fā)、3輸出、4復位、5控制電壓、6門限(閾值）、7放電、8電源電壓Vcc。 由于555芯片工作可靠、使用方便、價格低廉，目前被廣泛用于各種電子產品中，555集成電路內部有幾十個元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等VDD通過R1和R2對電容C充電，當Uc1/3VDD時，振蕩器輸出Vo=1，放電管截止。當Uc充電到2/3VDD后，振蕩器輸出Vo翻轉成0，此時放電管導通，使放電端(DIS)接地，電容C通過R2對地放電，使Uc下降。當Uc下降到1/3VDD后，振蕩器輸出Vo又翻轉成 1，此時放電管又截止，使放電端(DIS)不接地，電源VDD通過R1和R2又對電容C充電，又使Uc從1/3VDD上升到2/3VDD,觸發(fā)器又發(fā)生翻轉，如此周而復始，從而在輸出端Vo得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。脈沖度TL0.7R2C，由電容C放電時間決定；TH=0.7(R1+R2)C，由電容C充電時間決定，脈沖周期TTH+TL2.3彩燈控制電路 彩燈控制電路主要由CD4518芯片組成CD4518是一個雙BCD同步加計數(shù)器，由兩個相同的同步4級計數(shù)器組成。其引腳圖如圖2-4所示。圖2-4 CD4518引腳圖CD4518引腳功能管腳功能如下：1CP、2CP：時鐘輸入端。1CR、2CR：清除端。1EN、2EN：計數(shù)允許控制端。1Q01Q3：計數(shù)器輸出端。2Q02Q3：計數(shù)器輸出端。Vdd：正電源。Vss：地。CD4518引腳圖CD4518是一個同步加計數(shù)器，在一個封裝中含有兩個可互換二/十進制計數(shù)器，其功能引腳分別為17和915.該CD4518計數(shù)器是單路系列脈沖輸入（1腳或2腳；9腳或10腳），4路BCD碼信號輸出（3腳6腳；11腳14腳）。CD4518控制功能：CD4518有兩個時鐘輸入端CP和EN,若用時鐘上升沿觸發(fā)，信號由CP輸入,此時EN端為高電平（1）,若用時鐘下降沿觸發(fā),信號由EN輸入,此時CP端為低噸平（0）,同時復位端Cr也保持低電平（0）,只有滿足了這些條件時,電路才會處于計數(shù)狀態(tài).否則沒辦法工作。 將數(shù)片CD4518串行級聯(lián)時，盡管每片CD4518屬并行計數(shù)，但就整體而言已變成串行計數(shù)了。需要指出，CD4518未設置進位端，但可利用Q4做輸出端。有人誤將第一級的Q4端接到第二級的CP端，結果發(fā)現(xiàn)計數(shù)變成“逢八進一”了。原因在于Q4是在CP8作用下產生正跳變的，其上升沿不能作進位脈沖，只有其下降沿才是“逢十進一”的進位信號。正確接法應是將低位的Q4端接高位的EN端，高位計數(shù)器的CP端接USS，其CD4518在本電路中的真值表如表2-1所示。表2-1CD4518真值表 CP Q1 Q2 Q3 Q4 C 0 0 0 0 C 1 0 0 0 C 0 1 0 0 C 1 1 0 0 C 0 0 1 0 C 1 0 1 0 C 0 1 1 0 C 1 1 1 02.4彩燈顯示電路彩燈顯示電路主要由紅、綠、藍三個顏色的LED二極管組成。根據邏輯電路所產生的邏輯功能顯示不同的閃爍效果。發(fā)光二極管，是一種半導體組件。初時多用作為指示燈、顯示發(fā)光二極管板等；隨著白光LED的出現(xiàn)，也被用作照明。具體電路符號如圖2-5所示。 圖2-5 LED二極管發(fā)光二極管(LightEmittingDiode,LED)，是一種半導體組件。初時多用作為指示、顯示板等；隨著白光LED的出現(xiàn)，也被用作照明。它被譽為21世紀的新型光源，具有效率高，壽命長，不易破損等傳統(tǒng)光源無法與之比較的優(yōu)點。加正向電壓時，發(fā)光二極管能發(fā)出單色、不連續(xù)的光，這是電致發(fā)光效應的一種。改變所采用的半導體材料的化學組成成分，可使發(fā)光二極管發(fā)出在近紫外線、可見光或紅外線的光。1955年，美國無線電公司（RadioCorporationofAmerica）的魯賓布朗石泰（RubinBraunstein）（1922年生）首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵(GaAs)及其它半導體合金的紅外放射作用。1962年，通用電氣公司的尼克何倫亞克（NickHolonyakJr.）（1928年生）開發(fā)出第一種實際應用的可見光發(fā)光二極管。對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍光（p=465nm，Wd=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光射，峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光。對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。這種通過藍光LED得到白光的方法，構造簡單、成本低廉、技術成熟度高，因此運用最多。第3章 整機工作原理3.1 整機原理圖彩燈控制電路從電路結構上講主要有三大部分組成：（1）時鐘發(fā)生電路、（2）彩燈控制電路、（3）彩燈顯示電路，其整體電路原理圖如圖3-1所示。圖3-1 整機電路原理圖3.2 整機電路原理電路接通電源后由555電路所產生的時鐘脈沖去控制同步計數(shù)器CD4518、使其輸出不同的邏輯功能、555集成電路內部有幾十個元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等VDD通過R1和R2對電容C充電，當Uc1/3VDD時，振蕩器輸出Vo=1，放電管截止。當Uc充電到2/3VDD后，振蕩器輸出Vo翻轉成0，此時放電管導通，使放電端(DIS)接地，電容C通過R2對地放電，使Uc下降。當Uc下降到1/3VDD后，振蕩器輸出Vo又翻轉成 1，此時放電管又截止，使放電端(DIS)不接地，電源VDD通過R1和R2又對電容C充電，又使Uc從1/3VDD上升到2/3VDD,觸發(fā)器又發(fā)生翻轉，如此周而復始，從而在輸出端Vo得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。脈沖度TL0.7R2C，由電容C放電時間決定；TH=0.7(R1+R2)C，由電容C充電時間決定，脈沖周期TTH+TL。每來一次CP ，CD4518就記一次數(shù)、所以輸出不同的邏輯功能、從(0000/1111)一共16種邏輯功能、而我們只用了其中的八個邏輯功能、利用這八種邏輯功能去控制三種不同的LED彩燈顯示出來 第4章 電路的組裝與調試4.1 電路的檢查將元件擺放在電路板后進行焊接、在焊接完畢后、用眼睛觀看各處的焊接情況、是否有漏焊、焊錯的引腳。然后用萬用表測試各芯片電源引腳是否連接在電源的引出線處、然后測試負極是否也一樣連接在地、用萬用表的歐姆檔測試連接處的導通情況、以及測試led彩燈的正負極如果都正常、通電后三個led彩燈會亮、證明電路正常、至此電路檢查完畢。4.2 電路的調試首先用數(shù)字萬用表測試各焊接點處的連接情況、都OK后、電路通電、用萬用表的電壓檔分別測試555芯片的8腳、CD4518的16腳、看是否有電壓、如果有證明芯片沒有損壞、然后用數(shù)字示波器測試555芯片的3腳、看是否有方波、方波的頻率可以通過改變555芯片外圍的電容的大小而改變、然后用示波器觀看cd4518的輸出引腳、如果觀看到示波器上有變化的高低電平、那么電路的調試到此結束。4.2.1 在調試中遇到的困難在調試過程中、我們發(fā)現(xiàn)555電路的3腳在示波器上沒有顯示、以及彩燈只是亮、沒有按預先的設計而改變、經過大量的修改和不斷的改變電路、終于在示波器看到了方波、但是它的頻率是不可改變的、這也就意味著彩燈的閃爍的情況是固定而不可改變的、所以這可方案仍然不可行、于是我們三個人又開始上網、翻書籍搜集有關555電路輸出頻率可調的電路、最終是上天不負有心人、我們的555輸出可調電路終于成功、然而問題又來了、彩燈仍然只是亂閃爍、沒有按照技術指標執(zhí)行、所以我們又開始查看有關CD4518芯片的有關技術指標、最終發(fā)現(xiàn)了CD4518輸出的變化規(guī)律、問題總是接踵而至、彩燈閃爍正常后、在改變頻率時發(fā)現(xiàn)彩燈的閃爍變化規(guī)律沒什么大的變化。理論上是可行的、而實際卻不起作用、我們又陷于了困境經過大量的實驗和向老師請教、我們發(fā)現(xiàn)了問題的所在、滑動變阻器在使壞、是它的不穩(wěn)定以及小的改變帶來了副作用、只要發(fā)現(xiàn)了問題就有解決的辦法、于是我們把滑阻去掉用別元器件代替、這樣就解決了問題的所在。結論本次課程設計是按照系統(tǒng)原型，確定實驗要求，然后綜合出系統(tǒng)框圖，我與同組人員經過將近兩周的努力，終于完成的小學期的彩燈控制課程設計，過程雖是辛苦的，但從中我卻學到了很多東西。首先鞏固了課上學習的理論知識，接下來焊接的過程中遇到的問題有，電解電容正負接反，開關使用方法不正確焊接虛焊等等，經過與同組人員討論，向其他人請教和老師的指導才焊接成功。整個設計過程最大的收獲就是意識到理論知識扎實的重要性，實踐是建立在理論之上的，平時基礎知識學的好的同學做起來就是嫻熟。每個人都有他的特長一個人難免有疏漏，只有大家共同努力才能順利的完成任務。我們明白了只要我們努力，沒有克服不了的困難。 致謝為期三個星期的電子線路課程設計已經結束。經過大家不斷的努力以及單老師的耐心指導和熱情幫助下，成功的完成了課設，在此，謝謝各位幫助我的老師。這次課設論文設計我得到了很多老師和同學的幫助，其中我的論文指導老師單老師對我的關心和支持尤為重要。每次遇到難題，我最先做的就是向單老師尋求幫助，大家聚一起商量解決的辦法。這三個星期以來單老師給我以精心指導，在此謹向單老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意!感謝在整個課程設計期間和我密切合作的同學，和曾經在各個方面給予過我?guī)椭幕锇閭儯诖?，我再一次真誠地向幫助過我的老師和同學表示感謝！ 感謝培養(yǎng)教育我的學校，文正的濃厚的學術氛圍，舒適的學習環(huán)境我將終生難忘！祝母校蒸蒸日上，永創(chuàng)輝煌！感謝對我傾囊賜教、鞭策鼓勵的系諸位師長，諸位恩師的諄諄訓誨我將銘記在心。祝恩師們身體健康，家庭幸福！ 最后，向所有參加評閱論文的老師們表示誠摯的謝意！謝謝！參考文獻1 高仁璟，孫鵬，陳景.數(shù)字電子技術基礎與設計M.大連：大