節(jié)日彩燈控制器設(shè)計.doc

第1章 緒論彩燈是我國普遍流行的傳統(tǒng)的民間的綜合性的工藝品。彩燈藝術(shù)也就是燈的綜合性的裝飾藝術(shù)。新中國成立后，彩燈藝術(shù)得到了更大的發(fā)展，特別是隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，彩燈藝術(shù)更是花樣翻新，奇招頻出，傳統(tǒng)的制燈工藝和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，將電子、建筑、機(jī)械、遙控、聲學(xué)、光導(dǎo)纖維等新技術(shù)、新工藝用于彩燈的設(shè)計制作，把形、色、光、聲、動相結(jié)合，思想性、知識性、趣味性、藝術(shù)性相統(tǒng)一。在當(dāng)今的社會里，彩燈已經(jīng)成為我們生活的一部分，能給我們帶來視覺上的享受還能美化我們的生活。1.1 彩燈控制器概述彩燈控制器主要是通過電路產(chǎn)生有規(guī)律變化的脈沖信號來實現(xiàn)彩燈的各種變化。它的主要器件是寄存器?，F(xiàn)如今寄存器是數(shù)字系統(tǒng)常見的重要部件，除在計算機(jī)中廣泛用于存放中間數(shù)據(jù)外，它在其他方面的應(yīng)用，目前在教材中只介紹可構(gòu)成環(huán)形或扭環(huán)形計數(shù)器。本次實驗由于觸發(fā)器具有記憶的功能，所以將移位寄存器設(shè)計成彩燈控制電路。由于電路本身實用，如果再通過計算機(jī)仿真，就可以直觀地看到循環(huán)彩燈控制效果。如果稍微改動控制電路，就可以改變電路的不同工作狀態(tài)，控制彩燈變幻出不同的閃爍效果。1.2 彩燈控制技術(shù)狀況彩燈控制電路是由單元電路組合而成的，主要由555振蕩電路產(chǎn)生一矩形脈沖，在經(jīng)74LS93分頻后得到四路分頻信號，由74LS7474LS153組成的電子開關(guān)去控制這四路分頻信號，進(jìn)而控制彩燈亮滅的順序，從而出現(xiàn)彩燈四種花樣自動切換。1.3 本設(shè)計任務(wù)運用555定時器，模十六計數(shù)器74LS161，雙D觸發(fā)器74LS74，四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153，八位移位寄存器74LS164等電路元件組成彩燈控制電路，并用Proteus等軟件仿真。第2章 總體方案設(shè)計與論證通過查閱大量相關(guān)技術(shù)資料，并結(jié)合自己的實際知識，我主要提出了兩種技術(shù)方案來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面我將首先對這兩種方案的組成框圖和實現(xiàn)原理分別進(jìn)行說明，并分析比較它們的特點，然后闡述我最終選擇方案的原因。2.1 方案比較方案一只能實現(xiàn)稍微比較簡單的一些功能，能達(dá)到預(yù)期目的。結(jié)構(gòu)較單一，為了更好的了解所學(xué)知識，鞏固已學(xué)知識選擇方案二，它能很好的完成任務(wù)211 方案一方案一原理框圖如圖2-1所示。分頻計數(shù)器數(shù)據(jù)選擇器移動寄存器輸出開關(guān)電路圖2-1 方案一的原理框圖方案一：用模十六計數(shù)器74LS161的輸出端的最高位QD作為雙D觸發(fā)器的時鐘，可以只用一個555定時器。計數(shù)器每計八個數(shù)，QD由低電平變?yōu)楦唠娖?，雙D觸發(fā)器的狀態(tài)改變，四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153選擇下一種碼輸出，彩燈變?yōu)榱硪环N花樣，以后四種花樣循環(huán)改變，變化比較單一。212 方案二方案二原理框圖如圖2-2所示。圖2-2 方案二的原理框圖方案二：彩燈控制器原理框圖如圖2-2所示。用555構(gòu)成多諧振蕩器。用4位2進(jìn)制計數(shù)器74LS93接成16進(jìn)制計數(shù)器，其4個輸出端可以分別輸出對計數(shù)脈沖的2、4、8、16分頻信號。用雙D觸發(fā)器74LS74接成2進(jìn)制加法計數(shù)器。數(shù)據(jù)選擇器由雙4選174LS153構(gòu)成，并且只用它的一組4選1數(shù)據(jù)通道。移位寄存器選擇八位74LS164，它是產(chǎn)生移動燈光信號的核心器件。2.2 方案論證如果按方案一連接電路，彩燈無法完成第四種花樣（依次點亮，依次熄滅），只能完成一半，依次點亮或依次熄滅，部分實現(xiàn)了設(shè)計要求。2.3 方案選擇結(jié)合我們已學(xué)知識，為使實驗更加成功，我覺得更適合做方案二，而不采用方案一。第3章 單元模塊設(shè)計主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及各個單元模塊之間的聯(lián)接關(guān)系；同時本節(jié)也會對相關(guān)電路中的參數(shù)計算、元器件選擇、以及核心器件進(jìn)行必要說明。3.1 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計本系統(tǒng)主要分為3個單元模塊，它們分別是：時鐘脈沖產(chǎn)生電路模塊、彩燈開關(guān)電路模塊和花樣輸出電路模塊。各單元模塊功能及相關(guān)電路的具體說明如下。3.1.1 時鐘脈沖產(chǎn)生電路模塊設(shè)計用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器,電路輸出便得到一個周期性的矩形脈沖,其周期為:T=0.7(R1+2R2)C(3-1)要用兩個555產(chǎn)生兩個時鐘脈沖,一個控制74LS161模十六計數(shù)器和八位移位寄存器,要能看到彩燈的流動,其周期設(shè)為1秒左右, 電阻值和電容值可設(shè)為：R1=1K ， R2=51K ， C=0.01F由公式（3-1）計算得：T=0.721S電路圖如圖3-1所示:圖3-1 時鐘電路另一個555產(chǎn)生的矩形脈沖控制彩燈的自動轉(zhuǎn)換,其周期設(shè)為模十六計數(shù)器的20倍,改變R1、R2的阻值即可，可設(shè)為：R1=1K ， R2=1M ，C=0.01F由公式（3-1）計算得：T=14.42S3.1.2 彩燈開關(guān)電路模塊設(shè)計要實現(xiàn)彩燈四花樣的自動轉(zhuǎn)換，就要使四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153循環(huán)地輸出Z1、Z2、Z3、Z4。使雙D觸發(fā)器的輸出端接數(shù)據(jù)選擇器的兩個地址輸入端，雙D觸發(fā)器能產(chǎn)生00、01、10、11這四鐘循環(huán)的狀態(tài)，從而使選擇器循環(huán)的選擇一種碼輸出，實現(xiàn)彩燈的四花樣循環(huán)。IC2、IC4、IC5共同組成了一個電子開關(guān)。IC2輸出的計數(shù)脈沖經(jīng)IC4兩位二進(jìn)制計數(shù)，在IC4的兩個輸出端共可得到“00”“11”4個邏輯狀態(tài)。這4個狀態(tài)作為IC5的4個數(shù)據(jù)通道選擇信號，對應(yīng)從IC3輸送到IC5的QA、QB、QC、QD4個分頻信號。其作用相當(dāng)于一個受控的一刀四位的機(jī)械轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)IC4輸出為“00”時，選通IC5的腳；為“01”時，選定IC5的腳。調(diào)節(jié)RW2改變IC2的輸出脈沖周期，可以改變開關(guān)的切換時間，用以選擇每種花樣出現(xiàn)時間的長短開關(guān)電路圖如圖3-2所示：圖3-2 開關(guān)電圖令Q1Q2=AB，74LS153數(shù)據(jù)選擇器的功能表如圖3-3所示圖3-3 數(shù)據(jù)選擇器功能表由表3-3可知，數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端A、B循環(huán)轉(zhuǎn)變，輸出端1Y循環(huán)選擇四種碼Z1、Z2、Z3、Z4輸出，使彩燈的四花樣自動循環(huán)改變。3.1.3 花樣輸出電路模塊設(shè)計輸出電路由八位移位寄存器74LS164、八個彩燈和八個驅(qū)動電阻構(gòu)成（如圖3-4所示）。寄存器的數(shù)據(jù)輸入端接收開關(guān)電路輸出的四種碼，這四種碼在移位寄存器的八位并行輸出端從QA向QH移動，輸出四種彩燈花樣。圖3-4 輸出電路驅(qū)動電路用8只三極管組成8路射隨器作緩沖放大，去觸發(fā)作電流開關(guān)的8只雙向可控硅，以控制彩燈發(fā)光。電路的十5V電源由220V9V變壓器降壓，經(jīng)D1一D4橋式整流，7805穩(wěn)壓后給控制電路供電。從IC5第腳輸出的數(shù)據(jù)信號送到IC6的輸入端第腳，在時鐘脈沖作用下，數(shù)據(jù)在IC6的8位并行輸出端從Q0一Q7順序移動。這一移動的8位控制信號經(jīng)功率驅(qū)動電路去推動8路彩燈，就出現(xiàn)了8路4花樣自動循環(huán)切換的流水彩燈。當(dāng)輸入移位寄存器數(shù)據(jù)輸入端的碼為10000000時，清零后在移位脈沖CP的作用下，寄存器數(shù)碼移動情況如圖3-5所示CPRiQAQBQCQDQEQFQGQH111000000 02001000000300010000 0400 00100005000001000600000010070000000108000000001圖3-5 寄存器數(shù)碼移動情況表由表3-5可看出，輸入碼中的那位高電平“1” 從寄存器的輸出端QA經(jīng)八個移位脈沖CP作用后逐漸到了QH，使輸出端所連接的彩燈依次點亮，實現(xiàn)了彩燈依次點亮的花樣。當(dāng)輸入另外的三種碼時，寄存器的數(shù)碼移動原理相似，所以就不累贅了。3.2功能器件的介紹本系統(tǒng)中主要使用了如下一些功能器件：555定時器、8位移位寄存器74LS164、雙四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153。下面就這些器件的功能特點、主要參數(shù)和使用方法作相應(yīng)說明。3.2.1 555定時器如圖3-6所示：圖3-6 555定時器由于555定時器內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，用555定時器組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。555定時器有二個比較器A1和A2，有一個RS觸發(fā)器，R和S高電平有效。三極管VT1對清零起跟隨作用，起緩沖作用。三極管VT2是放電管，將對外電路的元件提供放電通路。比較器的輸入端有一個由三個5kW電阻組成的分壓器，由此可以獲得 和 兩個分壓值，一般稱為閾值。555定時器的1腳是接地端GND，2腳是低觸發(fā)端TR，3腳是輸出端OUT，4腳是清除端R，5腳是電壓控制端CV，6腳是高觸發(fā)端TH，7腳是放電端DC，8腳是電源端VCC。555定時器的輸出端電流可以達(dá)到200mA，因此可以直接驅(qū)動與這個電流數(shù)值相當(dāng)?shù)呢?fù)載，如繼電器、揚聲器、發(fā)光二極管等。3.2.2 8位移位寄存器74LS164芯片管腳圖如圖3-7所示：圖3-7 74LS164移位寄存器主要參數(shù)及特點1. 串行輸入帶鎖存 2. 時鐘輸入,串行輸入帶緩沖 3. 異步清除 4. 最高時鐘頻率可高達(dá)36Mhz 5. 功耗：10mW/bit 6. 74系列工作溫度： 0C to 70C 7. Vcc最高電壓：7V 8. 輸入最高電壓：7V 9. 最大輸出驅(qū)動能力： 10. 高電平：0.4mA 11. 低電平：8mA 移位寄存器屬于同步時序電路，在同一時鐘脈沖作用下，可以將