彩燈控制器設計與調試

1、濟南大學控制科學與工程學院 2010年12月數(shù)字電子技術綜合實驗彩燈控制器設計簡介：彩燈控制器設計簡介： 利用移位寄存器和計數(shù)器等設計一彩燈控制電路，改變利用移位寄存器和計數(shù)器等設計一彩燈控制電路，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。電電路的不同工作狀態(tài)，控制彩燈變幻出不同的閃爍效果。電路實用，也可以通過計算機仿真直觀地看到循環(huán)彩燈的控制路實用，也可以通過計算機仿真直觀地看到循環(huán)彩燈的控制效果，綜合運用所學數(shù)字電路知識，學會設計和調試方法，效果，綜合運用所學數(shù)字電路知識，學會設計和調試方法，從而產(chǎn)生濃厚興趣。如果稍微改動控制電路，可以更加完從而產(chǎn)生濃厚興趣。如果稍微改動控制電

2、路，可以更加完善，完成基于移位寄存器的彩燈控制器設計。善，完成基于移位寄存器的彩燈控制器設計。 在現(xiàn)代生活中，彩燈作為一種裝飾，既可以增強人們的在現(xiàn)代生活中，彩燈作為一種裝飾，既可以增強人們的感觀，起到廣告宣傳的作用，又可以增添節(jié)日氣氛，為人們感觀，起到廣告宣傳的作用，又可以增添節(jié)日氣氛，為人們的生活增添亮麗，用在舞臺上增強晚會燈光效果，利用控制的生活增添亮麗，用在舞臺上增強晚會燈光效果，利用控制電路可使彩燈（例如霓虹燈）按一定的規(guī)律不斷的改變狀電路可使彩燈（例如霓虹燈）按一定的規(guī)律不斷的改變狀態(tài)，不僅可以獲得良好的觀賞效果，而且可以省電（與全部態(tài)，不僅可以獲得良好的觀賞效果，而且可以省電（與

3、全部彩燈始終全亮相比）。因此，彩燈控制電路應用越來越豐富彩燈始終全亮相比）。因此，彩燈控制電路應用越來越豐富我們的生活，成為我們生活不可缺少的一部分。本課題是利我們的生活，成為我們生活不可缺少的一部分。本課題是利用四位雙向移位寄存器為核心元件實現(xiàn)彩燈的循環(huán)控制。用四位雙向移位寄存器為核心元件實現(xiàn)彩燈的循環(huán)控制。一、彩燈控制器基本工作原理一、彩燈控制器基本工作原理1.1設計思路：設計思路： 首先，利用首先，利用555定時器與外部的阻容元件構成脈沖產(chǎn)生定時器與外部的阻容元件構成脈沖產(chǎn)生電路，再由計數(shù)器電路，再由計數(shù)器74160實現(xiàn)計時的功能，為脈沖分配器做實現(xiàn)計時的功能，為脈沖分配器做好準備。再由

4、移位寄存器好準備。再由移位寄存器74LS194構成編碼發(fā)生電路，由于構成編碼發(fā)生電路，由于移位寄存器移位寄存器74LS194上升沿有效，通過對輸入端置數(shù)，加上上升沿有效，通過對輸入端置數(shù)，加上脈沖的驅動來控制彩燈的閃爍，從而使彩燈按照我們的要求脈沖的驅動來控制彩燈的閃爍，從而使彩燈按照我們的要求變化。整個流程是由變化。整個流程是由控制電路控制電路，編碼發(fā)生電路編碼發(fā)生電路和和輸出電路輸出電路等等組成。此綜合實驗講述了計數(shù)器芯片組成。此綜合實驗講述了計數(shù)器芯片74LS160，555定時器，定時器，移位寄存器移位寄存器74LS194的基本原理及應用。的基本原理及應用。1.2 基本工作原理：基本工作

5、原理： 脈沖產(chǎn)生與整形電路脈沖產(chǎn)生與整形電路555定時器產(chǎn)生脈沖驅動，再由十進定時器產(chǎn)生脈沖驅動，再由十進 制同步計數(shù)器制同步計數(shù)器74LS160，編碼發(fā)生電路，編碼發(fā)生電路74LS194控制彩燈變控制彩燈變化。因此，通過控制化。因此，通過控制74LS194的輸出就可以實現(xiàn)我們想要的的輸出就可以實現(xiàn)我們想要的彩燈循環(huán)變化。彩燈循環(huán)變化。 1.3彩燈控制器原理框圖彩燈控制器原理框圖 555 定時器定時器 74LS194 移位寄存器移位寄存器彩燈顯示彩燈顯示電路電路CP脈沖脈沖74LS160計數(shù)器計數(shù)器二、二、 相關芯片及硬件電路設計相關芯片及硬件電路設計2.1 74160十進制同步計數(shù)器十進制同

6、步計數(shù)器芯片芯片 74LS160是一個十進制同步計數(shù)器，不僅可以對時鐘脈是一個十進制同步計數(shù)器，不僅可以對時鐘脈沖進行計數(shù)，還可以用在定時、分頻和信號產(chǎn)生等邏輯電路。沖進行計數(shù)，還可以用在定時、分頻和信號產(chǎn)生等邏輯電路。160的清除端是異步的，當清除端為低電平時，不管時鐘脈的清除端是異步的，當清除端為低電平時，不管時鐘脈沖端沖端CP狀態(tài)如何，即可完成清除工作。狀態(tài)如何，即可完成清除工作。 圖圖1.1 彩燈控制器組成框圖彩燈控制器組成框圖A31A42CD4069A23增加驅動能力增加驅動能力模擬區(qū)模擬區(qū)圖圖2.1 74LS160引腳圖引腳圖74LS160TC 進位輸出端進位輸出端 CEP 計數(shù)控

7、制端計數(shù)控制端 P0P3數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端 Q0Q3 輸出端輸出端 CET 計數(shù)控制端計數(shù)控制端 /PE 置入控制端置入控制端 /R 清零端清零端 CP 時鐘脈沖時鐘脈沖 160 的預置是同步的。當置入控制端的預置是同步的。當置入控制端/PE 為低電平時，為低電平時，在在 CP 上上 升沿作用下，輸出端升沿作用下，輸出端 Q0Q3 與數(shù)據(jù)輸入端與數(shù)據(jù)輸入端 P0P3 一致。一致。160 的的計數(shù)是同步的，計數(shù)是同步的，靠靠 CP 同時加在同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。 當當 CEP、CET 為高電平時為高電平時，在在 CP 上升沿作用下上升沿作用下 Q0Q3 同時變化，

8、同時變化， 從而消除了從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。 74LS160 74LS160波形記錄（波形記錄（f=1KHZ)f=1KHZ)CP1 1Q QA AQ QB BQ QC CQ QD DT TC C5 56 68 82 23 34 47 79 92.2 四位雙向移位寄存器四位雙向移位寄存器74LS194 移位寄存器是指寄存器中的所存的代碼能夠在移位脈沖的作用移位寄存器是指寄存器中的所存的代碼能夠在移位脈沖的作用下左移或右移。既能左移又能右移的寄存器叫做雙向移位寄存下左移或右移。既能左移又能右移的寄存器叫做雙向移位寄存器。只需改變左、右移的控制信號便可以實

9、現(xiàn)雙向移位?？纱?。只需改變左、右移的控制信號便可以實現(xiàn)雙向移位?？纱休斎胍部梢圆⑿休斎耄纱休敵鲆部梢圆⑿休敵?，同時具行輸入也可以并行輸入，可串行輸出也可以并行輸出，同時具有保持和異步清零功能，其引腳如下圖有保持和異步清零功能，其引腳如下圖2.2。圖圖2.2 74LS194雙向移位寄存器管腳雙向移位寄存器管腳D0、D1、D2、D3為并行輸入端，為并行輸入端，Q1、Q2、Q3、Q4為并行輸出為并行輸出端。端。DSR為右移串行輸入端，為右移串行輸入端，DSL為左移串行輸入端為左移串行輸入端, S1、S0為操作模式控制端。為操作模式控制端。 RD 為異步清零端，為異步清零端， CP為時鐘脈沖端

10、。為時鐘脈沖端。GNDVCCQ0Q1Q2Q3S1S0CPD0DSRDSLRD1516141312111091234567874LS194D1D2D374LS194移位寄存器功能表移位寄存器功能表把移位寄存器的輸出反饋到其串行輸入端，就把移位寄存器的輸出反饋到其串行輸入端，就可進行循環(huán)移位，如圖可進行循環(huán)移位，如圖2.3把輸出端把輸出端Q3 和右移和右移串行輸入端串行輸入端SR 相連，設初始狀態(tài)相連，設初始狀態(tài) Q3Q2 Q1 Q0 =0001，則在時鐘脈沖作用下，則在時鐘脈沖作用下，Q3 Q2 Q1 Q0 將將依次變?yōu)橐来巫優(yōu)?000010000100001，可，可見，它是一個具有四個有效狀態(tài)

11、的計數(shù)器，這見，它是一個具有四個有效狀態(tài)的計數(shù)器，這種類型的計數(shù)器通常稱為環(huán)形計數(shù)器。種類型的計數(shù)器通常稱為環(huán)形計數(shù)器。圖圖2.3 右移循環(huán)右移循環(huán)2.3 脈沖輸出及驅動電路脈沖輸出及驅動電路2.3.1 555定時器定時器圖圖2.4 555定時器內(nèi)部框圖定時器內(nèi)部框圖 TR R 7 1 圖圖2.5 5552.5 555時基電路管腳時基電路管腳振蕩周期：振蕩周期： T0.69（R1+2R2）C 圖圖2.6 2.6 多諧振蕩器多諧振蕩器1M1M100K100K1 1F0.010.01F8 84 45 53 37 72 26 61 1三、三、 工作原理工作原理3.1. 編碼發(fā)生器編碼發(fā)生器 節(jié)拍脈沖

12、節(jié)拍脈沖 花花 型型 1 1000 2 0100 3 0010 4 0001 編碼發(fā)生器根據(jù)花形的要求，按編碼發(fā)生器根據(jù)花形的要求，按CP脈沖送出脈沖送出4位狀態(tài)編碼信位狀態(tài)編碼信號，以控制彩燈按規(guī)律亮或滅。因為彩燈路數(shù)少，花形要求不多，號，以控制彩燈按規(guī)律亮或滅。因為彩燈路數(shù)少，花形要求不多，可選用移位寄存器輸出可選用移位寄存器輸出4路數(shù)字信號，控制彩燈的發(fā)光。編碼發(fā)路數(shù)字信號，控制彩燈的發(fā)光。編碼發(fā)生器采用四位通用移位寄存器生器采用四位通用移位寄存器74LS194來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。 移位寄存器的移位寄存器的4個輸入信號通過驅動電路控制彩燈，編碼發(fā)個輸入信號通過驅動電路控制彩燈，編碼發(fā)生器中數(shù)

13、據(jù)輸入端和控制端的接法由由花型決定?；ㄐ桶凑找簧髦袛?shù)據(jù)輸入端和控制端的接法由由花型決定。花型按照一定的順序依次閃亮或熄滅。定的順序依次閃亮或熄滅。 圖圖3.1 74LS194編碼發(fā)生電路圖編碼發(fā)生電路圖右移右移3.2 控制電路控制電路 控制電路為編碼器提供所需的節(jié)拍脈沖和驅動信號，控制控制電路為編碼器提供所需的節(jié)拍脈沖和驅動信號，控制整個系統(tǒng)工作?？刂齐娐返墓δ苡袃蓚€：一是按需要產(chǎn)生節(jié)拍整個系統(tǒng)工作?？刂齐娐返墓δ苡袃蓚€：一是按需要產(chǎn)生節(jié)拍脈沖；二是產(chǎn)生移位寄存器所需要的各種驅動。脈沖；二是產(chǎn)生移位寄存器所需要的各種驅動。 節(jié)拍控制脈沖的產(chǎn)生，按照上面分析可知，花形每四拍一循節(jié)拍控制脈沖的產(chǎn)

14、生，按照上面分析可知，花形每四拍一循環(huán)。節(jié)拍控制脈沖產(chǎn)生電路由環(huán)。節(jié)拍控制脈沖產(chǎn)生電路由555555和和74LS16074LS160計數(shù)器組成。計數(shù)器組成。圖圖3.3 彩燈控制器電路原理圖彩燈控制器電路原理圖CD4069彩燈控制器調試步驟：彩燈控制器調試步驟：實驗說明：實驗說明：1. 流水燈的移動方向由流水燈的移動方向由74194的的S1、S0端決定，詳見端決定，詳見194的功能表，的功能表，當當S1、S2同時為同時為1時置數(shù)時置數(shù)Q0Q3為為1000，故實驗開始時應先置數(shù)，故實驗開始時應先置數(shù)，但但160此時不一定從此時不一定從0000開始計數(shù)，故應選取參考點觀察，如當流開始計數(shù)，故應選取參

15、考點觀察，如當流水燈逆時針旋轉一次后水燈逆時針旋轉一次后160中的狀態(tài)為中的狀態(tài)為0000，到下一次逆時針旋轉，到下一次逆時針旋轉時正好為時正好為9次。次。2. 該實驗可以產(chǎn)生多種花樣，可以通過控制該實驗可以產(chǎn)生多種花樣，可以通過控制194的的S1、S0端控制其端控制其移動方向，也可以根據(jù)自己的喜好自己控制連線。移動方向，也可以根據(jù)自己的喜好自己控制連線。3. 綜合實驗項目中用到的線較多，約綜合實驗項目中用到的線較多，約52根，接線前務必測試導線，根，接線前務必測試導線，接觸保證良好，電路可靠，否則出錯很難檢查。接觸保證良好，電路可靠，否則出錯很難檢查。特別注意：模擬數(shù)字兩個區(qū)的共地問題！特別注意：模擬數(shù)字兩個區(qū)的共地問題！實驗器材：實驗器材：74194、74160、 CD4069、