彩燈控制器·設(shè)計

1、目錄一系統(tǒng)設(shè)計概述21.實踐要求：22.原理分析與電路方框圖：2二原件選擇與電路設(shè)計31.脈沖發(fā)生電路32.計數(shù)控制電路53.譯碼驅(qū)動電路64.儲存單元65.計數(shù)器顯示電路86.顯示矩陣8三電路的安裝與測試91.電路連接：92.電路調(diào)試：10四總結(jié)11附表1：原件清單12附表2：圖片程序源碼13附表3：總電路圖15附表4：電路實物16參考文獻17一 系統(tǒng)設(shè)計概述1. 實踐要求：通過對硬件編程，將圖形、文字、動畫存儲在E2PROM中，通過計數(shù)器控制圖形、文字、動畫的地址，在利用顯示矩陣顯示出來。系統(tǒng)所顯示的內(nèi)容可反復(fù)循環(huán)，直至手動或加壓清零，便可回到初始地址。1）設(shè)計脈沖產(chǎn)生電路、圖形控制電路和

2、存儲電路；2）用發(fā)光二極管點陣（8×8）作為顯示電路，顯示內(nèi)容的動面感要強。3）圖形能連續(xù)循環(huán)，圖形大于64幅，圖形顯示間隔在20ms2s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；4）能手動和加壓清零功能，有自動選畫功能；5）完成電路全部設(shè)計后，通過實驗箱驗證設(shè)計課題的正確性2. 原理分析與電路方框圖：通過對實驗要求的解讀，可知實踐需要通過對EEPROM編程來控制一個8X8LED的矩陣輸出存在EEPROM中的各種圖形或者文字。因此就需要分別用8個地址線來分別控制點陣的行與列。本次實踐中，我們使用74LS138及EEPROM來實現(xiàn)對行列的控制。由于人類視覺暫留實踐為20ms，因此將點陣的列設(shè)計成高頻的刷新電路，

3、行設(shè)計成低頻的換面切換電路，這樣就能夠顯示出清晰，可變的圖形。顯然，我們可以用譯碼器來控制列，刷新點陣。用EEPROM來控制行，來輸出圖形。點陣中的LED燈是低電壓導(dǎo)通，因此應(yīng)該把陰極定位列，陽極定為行。頻率控制電路可以利用基于555振蕩器的多諧振蕩器加計數(shù)器來實現(xiàn)。高頻頻率應(yīng)為400500Hz，根據(jù)要求所知，圖形間隔在20ms到2s之間，因此低頻頻率應(yīng)為5Hz50Hz。在列方面，我們使用74LS161的二進制計數(shù)器來實現(xiàn)對譯碼器的控制即可；在行方面，由于要求顯示出64幅的畫面，實際我們設(shè)計了80幅畫面，因此我們使用一個16*5進制的計數(shù)器，用兩片74LS161同步CP端且用置數(shù)法來實現(xiàn)，并用

4、顯示電路來顯示低位、高位計數(shù)器的計數(shù)情況，地位控制每幅畫面，高位控制每組畫面。并用通過對高位芯片置數(shù)端，清零端的控制來實現(xiàn)要求中的選畫與清零。EEPROM我們選用常用的2864，使用計算機固化程序。程序的設(shè)計我們采用液晶字庫顯示程序直接導(dǎo)出16進制代碼，分別輸入對應(yīng)行列進行固化。將低位計數(shù)器接入EEPROM的低位，高位芯片接入高位；高頻計數(shù)器輸出接入EEPROM的最低三位。通過上述分析，我們將系統(tǒng)分為八個功能模塊：高頻脈沖發(fā)生電路，低頻脈沖發(fā)生電路，列計數(shù)控制電路，行計數(shù)控制電路，譯碼驅(qū)動電路，存儲單元，圖案顯示矩陣，數(shù)字顯示電路。系統(tǒng)原理框圖如下所示：顯示器電路顯示矩陣譯碼驅(qū)動電路計數(shù)器控制

5、電路脈沖發(fā)生電路（低頻）脈沖發(fā)生電路（高頻）計數(shù)器控制電路存儲單元有了上述的分析，電路的結(jié)構(gòu)已經(jīng)比較清晰，接下來就要進行電路的具體設(shè)計、原件選擇及總體布局的設(shè)計。二 原件選擇與電路設(shè)計1. 脈沖發(fā)生電路用555定時器組成多諧振蕩器輸出方波脈沖。產(chǎn)生脈沖振蕩頻率的計算公式為：f=取電容C=10F則得：高頻電路的頻率為400Hz，得出,因此選用=340, =10。低頻電路的頻率要在0.5Hz到50Hz范圍內(nèi)變化，因此得出要在2857到2.8M范圍內(nèi)變化。因此選用=2K，為1M可調(diào)電位器。555定時器的功能表清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端Qn+1放電管T功能00導(dǎo)通直接清零10導(dǎo)通置011截止置11Qn

6、不變保持電路使用0.01F的小電容來旁路高頻信號，所得電路圖如下： 高頻振蕩電路 低頻振蕩電路2. 計數(shù)控制電路1） 列計數(shù)器控制電路：由于列模塊使用3-8線譯碼器來控制點陣的列，因此需要使用一個四位二進制計數(shù)器來作為譯碼器的輸入，只用計數(shù)器的第三位，選用74LS161，分別從000001111，接入譯碼器的三個輸入端，根據(jù)下面功能表，輸出端將從低位到高位依次輸出低電平，從而達到掃描列的作用。74LS161時鐘端接555的3口，因此掃描頻率為高頻脈沖發(fā)生器頻率400Hz。電路連接如圖所示：74LS161功能表輸 入 輸 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0

7、 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 16進制計數(shù)2） 行計數(shù)控制電路：由于需要使用兩片74LS161來實現(xiàn)一個80進制的計數(shù)器，因此我們采用了同步計數(shù)法，將兩片161的時鐘端（2口）都接到低頻脈沖發(fā)生電路的輸出口（3口），低位的進位位與高位的EP、ET端相連，以此實現(xiàn)計數(shù)功能。將高低位芯片的清零端和置數(shù)端分別接到開關(guān)上，來實現(xiàn)清零和置數(shù)功；將高位芯片的各輸入端（D0D3）分別接開關(guān)，以此來選擇畫面組，實現(xiàn)選畫功能，低位輸入端均接地。3. 譯碼驅(qū)動電路需要對點陣的列進行高速逐行的掃描

8、，一共有8行，根據(jù)譯碼器的工作原理可知可以用3-8線譯碼器來實現(xiàn)，分別從輸出低電平掃描各行。連接電路如下圖：譯碼電路連接方法4. 儲存單元存儲單元模塊的作用是通過變換發(fā)光二極管陣列的八個陽極管腳的高低電平來控制二極管的工作狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計思路對存儲器的輸出進行編程來構(gòu)造不同的圖案?？删幊檀鎯ζ鱁EPROM具有讀寫方便的優(yōu)點，并且使用靈活，因此采用EEPROM作為存儲器是個不錯的選擇。EEPROM的工作原理如下：EEPROM的寫入過程,是利用了隧道效應(yīng),即能量小于能量勢壘的電子能夠穿越勢壘到達另一邊。量子力學(xué)認為物理尺寸與電子自由程相當時,電子將呈現(xiàn)波動性,這里就是表明物體要足夠的小。就pn結(jié)來看

9、,當p和n的雜質(zhì)濃度達到一定水平時,并且空間電荷極少時,電子就會因隧道效應(yīng)向?qū)нw移。電子的能量處于某個級別允許級別的范圍稱為“帶”,較低的能帶稱為價帶,較高的能帶稱為導(dǎo)帶電子到達較高的導(dǎo)帶時就可以在原子間自由的運動,這種運動就是電流。 EEPROM寫入過程,如圖3所示,根據(jù)隧道效應(yīng),包圍浮柵的SiO2,必須極薄以降低勢壘。 源漏極接地,處于導(dǎo)通狀態(tài)。在控制柵上施加高于閾值電壓的高壓,以減少電場作用,吸引電子穿越。 要達到消去電子的要求,EEPROM也是通過隧道效應(yīng)達成的。如圖4所示,在漏極加高壓,控制柵為0V,翻轉(zhuǎn)拉力方向,將電子從浮柵中拉出。這個動作,如果控制不好,會出現(xiàn)過消去的結(jié)果。將列

10、控制計數(shù)器的輸出端三根線分別接EEPROM的第三位（A0A2口），行控制計數(shù)器低位的輸出端四根線接中間四位（A3A6），高位輸出端四根線接高四位(A7A10)。CS、OE、VPP、GND四根管腳接地。編程方法如下：“ 1”表示二極管亮，“0”表示二極管滅。舉個例子，如果要顯示“中”字，則進行如下編程： 輸出（二進制） 輸出（十六進制）0000000000H00111000 38H00101000 48H11111111 FFH00101000 48H00111000 38H 00000000 00H00000000 00H 具體程序見附表2。Eeprom連接情況5. 計數(shù)器顯示電路計數(shù)顯示電路

11、由一片共陰極數(shù)碼管和一片顯示譯碼器構(gòu)成，譯碼器輸入端為對應(yīng)計數(shù)器的輸出端，從低到高分別接入到7口、1口、2口、6口。輸出abcdefg口與數(shù)碼管相應(yīng)管腳相連，連接如圖所示：6. 顯示矩陣圖案顯示模塊主要由8×8發(fā)光二極管陣列構(gòu)成，陣列為共陰接法，發(fā)光二極管點陣有16個管腳，分別與譯碼器和存儲器的輸出相連，能根據(jù)管腳的高低電平變換圖案，各個二極管的發(fā)光狀態(tài)互相獨立?？傠娐穲D見附表3所示。三 電路的安裝與測試1. 電路連接：實驗工具：尖嘴鉗、鑷子、起子、實驗箱、導(dǎo)線、萬用表、示波器。電子電路要達到設(shè)計要求，不僅取決于電路原理圖的正確設(shè)計，而且還與電路安裝的合理性密切相關(guān)。安裝技術(shù)的優(yōu)劣，

12、不僅影響外觀質(zhì)量，而且影響到電路的調(diào)試及性能。因此，電路安裝在本次課程設(shè)計中占有重要地位。我們領(lǐng)取了原件（見附表1），首先將芯片分類、電阻測值。并了解了二極管點陣的工作原理，找出了其管腳排列的方式并分清了行列。然后進行了整體的布局。根據(jù)原理圖，我們布置了芯片的擺放位置，避免交叉線，電源線和地線通過橫向?qū)ǖ目捉映?。芯片布置方面，我們采取從左往右，從下往上的方法。按此順序分別為，555定時器計數(shù)器譯碼電路/存儲單元計數(shù)器顯示電路顯示矩陣?？傠娐芬姼奖?。整體布局完成后，再從左到右開始插接分立元件并連線。關(guān)于連線的插接要滿足工藝性及檢測的要求，盡量使用工具操作，做到橫平豎直，90度轉(zhuǎn)角。先根據(jù)布線

13、要求的連線長度剪好導(dǎo)線，剝?nèi)?dǎo)線兩頭絕緣皮，然后把導(dǎo)線兩頭彎曲成直角。把準備好的連線插入相應(yīng)位置的插孔中。插拔連線時，應(yīng)用鑷子夾住導(dǎo)線后垂直插入或拔出插孔，不要用手插拔，以免把導(dǎo)線插彎。連線時要求貼緊面包板，不要留空隙。為了查線和美觀，連線采用不同的顏色（電源線用綠色，地線用藍色，其余模塊間連線用其他顏色用以區(qū)分），連線也應(yīng)盡量做到橫平豎直。接線安裝的過程是極其繁瑣的，由于彩燈實驗的線路較多較長，因此為了保證工藝性需要花大量時間排線及修改，因此會耗費不少時間。準確的排線是成功實踐的關(guān)鍵?？傮w上我們順利完成了安裝，工藝性良好。2. 電路調(diào)試：1） 電路的檢測：安裝好電路后，我們首先檢測所有芯片的

14、電源端與接地端的電壓。采用的方法是用萬用表的直流電壓端。黑表筆接地，紅表筆分別接觸各芯片的接電源或者接地的端口。檢測發(fā)現(xiàn)行控制計數(shù)器中的低位的161芯片接地端的電壓為0.08V偏高，檢查后發(fā)現(xiàn)此芯片接地端誤接到了電源線上去了。第二步我們檢測低高頻脈沖發(fā)生電路的震蕩情況，我們使用示波器來檢測。將示波器的黑筆接地，紅筆接到555的3口，調(diào)節(jié)衰減旋鈕，觀察波形震蕩，發(fā)現(xiàn)脈沖發(fā)生器均正常工作。第三步我們進行了對二極管點陣的16根輸入地址線的檢測。檢測的方法是使用萬用表的二極管檔。將黑表筆接譯碼器或者2864的輸出端口，將紅表筆接點陣的對應(yīng)的二極管管腳，若萬用表鳴叫則說明線路連接良好。若不鳴叫需要逐段檢

15、測，查到哪款開始不鳴叫則需排查錯誤。2） 電路調(diào)試中遇到的問題及解決過程發(fā)現(xiàn)行控制計數(shù)器計數(shù)不正常：在脈沖為低電平時不停計數(shù)，當脈沖為高電平時則不計數(shù)。一開始是懷疑被高頻信號所干擾，但采取移動芯片的方法后仍然不起作用。在老師的幫助下，我們發(fā)現(xiàn)時我們的實驗箱有問題，在多接一根地線后計數(shù)增長工作了。顯示圖形不正常，有跳躍的現(xiàn)象出現(xiàn)。首先我們排除了eeprom的問題：我們一開始編程的時候只拍了前8列，但橫向編程時從A0A3，共16列，因此需要橫向排滿后再換行。但是發(fā)現(xiàn)還是有跳躍現(xiàn)象，這是我們就想到了肯能是EEPROM的輸入地址線有問題。果然，通過使用萬用表的二極管檔進行逐一檢查后發(fā)現(xiàn)行控制計數(shù)器的高

16、低位線路接反了。導(dǎo)致無法正常顯示。在排除了這個問題后發(fā)現(xiàn)有部分圖形沒有顯示，原來我們使用的是160的芯片，這樣從10011111的圖形沒能顯示出來，在更換成161后才能夠正常顯示。圖形顯示不能自動回復(fù)。這個問題一開始一直無法解決，在老師的幫助下深入了解了eeprom的工作原理后，發(fā)現(xiàn)只要將A11之后不用的輸入管腳接地即可完成自動清零的功能。最后我們得到了理想的圖形。調(diào)整了部分線路的工藝后給老師驗收。效果令人滿意。四 總結(jié)這次實踐最后順利的完成了要求中的所有項目：顯示64幅以上動畫、頻率可調(diào)、能手動選畫、加壓清零等。工藝良好，精心設(shè)計的各種圖案如花朵、小狗、字母、數(shù)字、愛心甚至是貪吃蛇都順利的顯

17、示出來，吸引不少同學(xué)前來觀看，最后順利通過驗收，并將作為樣品保存，這使我們倍感驕傲。在實踐過程中我們發(fā)現(xiàn)了不少連接檢測電路的訣竅：比如在接直導(dǎo)線時，可以先將線頭一段多剝掉一些，然后另外一段在面包板上量取距離后直接剪斷，然后再將金屬絲從剪斷的一段抽出，這樣導(dǎo)線長度就比較精確合適；可以將導(dǎo)線的插入段傾斜插入，這樣可以使導(dǎo)線更加帖服實驗板，使工藝感更佳；檢測電路時我們活用萬用表的各項功能，正確的找到了各種問題并及時解決。由于時間及實驗箱大小的有限，我們沒有將本來希望擴展的用EEPROM控制的電子音樂播放器實現(xiàn)出來，有點小小的遺憾，不過我們還是圓滿的完成了既定的目標和要求。通過這次為期一周的電子技術(shù)課

18、程設(shè)計，我們不僅鞏固了對電子技術(shù)知識，更是學(xué)到了很多課本上學(xué)不到的東西。在實踐的過程中我們充分鍛煉了自己的動手能力，在與同組同學(xué)交流過程中培養(yǎng)了團隊合作的意識，更重要的是我們磨礪了自己發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。使得本次課程設(shè)計更具意義！最后，感謝同組同學(xué)夏佳燕的默契配合，感謝各位指導(dǎo)老師耐心細心的指導(dǎo)。附表1：原件清單元器件明細表名稱 型號參數(shù)數(shù)量備注 計數(shù)器 74LS161 3片 二進制計數(shù)器 譯碼器 74LS138 1片 譯碼器 定時器 NE555 2片 定時器8×8的發(fā)光二極管點陣 1片 存儲器 EEPROM2864 1片可編程存儲器 電容 0.01f 10f 2個 2個 固定

19、電阻 10340 3K 1個 1個 1個 無 可變電阻 1M 1個 無八段共陰數(shù)碼管 LS543 2個 無數(shù)碼管驅(qū)動器 74LS48 2個 無附表2：圖片程序源碼（一）數(shù)字顯示0 0x00,0x18,0x24,0x24,0x24,0x24,0x18,0x00,顯示1 0x00,0x08,0x18,0x28,0x08,0x08,0x08,0x3E,顯示2 0x00,0x18,0x24,0x04,0x08,0x10,0x20,0x7E,顯示3 0x00,0x18,0x24,0x04,0x18,0x04,0x24,0x18,顯示4 0x00,0x08,0x10,0x28,0x48,0x7C,0x08

20、,0x08,顯示5 0x00,0x3C,0x20,0x38,0x04,0x04,0x38,0x00,顯示6 0x00,0x18,0x20,0x38,0x24,0x24,0x18,0x00,顯示7 0x00,0x3C,0x04,0x08,0x10,0x10,0x10,0x00, 顯示8 0x00,0x18,0x24,0x24,0x18,0x24,0x24,0x18,顯示9 0x00,0x18,0x24,0x24,0x1C,0x04,0x04,0x18,（二）移動方塊0x00,0x00,0x00,0x18,0x18,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x3C,0x24,0x24,0

21、x3C,0x00,0x00,0x00,0x7E,0x42,0x42,0x42,0x42,0x7E,0x00,0xFF,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0xFF,0xFF,0xC3,0xA5,0x99,0x99,0xA5,0xC3,0xFF,（三）0x81,0x42,0x24,0x18,0x18,0x24,0x42,0x81,0xC3,0xC3,0x24,0x18,0x18,0x24,0xC3,0xC3,0x18,0x18,0x24,0xDB,0xDB,0x24,0x18,0x18,0x18,0x5A,0x24,0xDB,0xDB,0x24,0x5A,0x18,0x9

22、9,0x5A,0x24,0xDB,0xDB,0x24,0x5A,0x99,（四）0x18,0x18,0x00,0xDB,0xDB,0x00,0x18,0x18,0xC3,0xC3,0x00,0x18,0x18,0x00,0xC3,0xC3,0x00,0x00,0x18,0x24,0x24,0x18,0x00,0x00,0x00,0x18,0x24,0x42,0x42,0x24,0x18,0x00,0x18,0x24,0x42,0x81,0x81,0x42,0x24,0x18,（五）0x42,0xA5,0x42,0x00,0x00,0x42,0xA5,0x42,0x42,0xA5,0x5A,0x

23、24,0x24,0x5A,0xA5,0x42,0x44,0xAA,0x44,0x00,0x00,0x22,0x55,0x22,0x88,0x55,0x88,0x00,0x00,0x11,0xAA,0x11,0x11,0xAA,0x11,0x00,0x00,0x88,0x55,0x88,（六）0x00,0x24,0x24,0x3C,0x24,0x24,0x24,0x00,0x00,0x18,0x24,0x3C,0x24,0x24,0x24,0x00,0x00,0x38,0x24,0x24,0x38,0x20,0x20,0x00,0x00,0x38,0x24,0x24,0x38,0x20,0x20

24、,0x00,0x00,0x44,0x28,0x10,0x10,0x10,0x10,0x00,0x00,0x00,0x22,0x55,0x49,0x22,0x14,0x08,0x18,0x24,0x12,0x09,0x12,0x24,0x18,0x00,0x10,0x28,0x44,0x92,0xAA,0x44,0x00,0x00,0x00,0x18,0x24,0x48,0x90,0x48,0x24,0x18,0x00,0x00,0x44,0xAA,0x92,0x44,0x28,0x10,（七）0x00,0x10,0x30,0x11,0x1E,0x0A,0x0A,0x14,0x00,0x20,0

25、x60,0x22,0x3C,0x14,0x14,0x22,0x00,0x08,0x0C,0x88,0x78,0x50,0x50,0x28,0x00,0x04,0x06,0x44,0x3C,0x28,0x28,0x44,0x04,0x0C,0x1F,0x3F,0x1F,0x0C,0x04,0x00,0x38,0x38,0xFE,0x7C,0x38,0x10,0x00,0x00,0x00,0x20,0x30,0xF8,0xFC,0xF8,0x30,0x20,0x20,0x30,0xF8,0xFC,0xF8,0x30,0x20,0x00,0x00,0x00,0x10,0x38,0x7C,0xFE,0

26、x38,0x38,0x00,0x04,0x0C,0x1F,0x3F,0x1F,0x0C,0x04,(八)0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0xC0,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x81,0x03,0xE0,0x80,0x81,0x81,0x81,0x81,0x01,0x07,0xE0,0xA0,0x80,0x81,0x81,0x01,0x05,0x07,0xE0,0xA0,0xA0,0x80,0x01,0x05,0x05,0x07,0xE0,0xA0,0xA0,0xBD,0x85,0x05,0x05,0x07,0xE0,0xA

27、0,0xA0,0xBC,0x05,0x05,0x05,0x07,0xE0,0xA0,0xA0,0x3C,0x04,0x05,0x05,0x07,0xE0,0xA0,0x20,0x3C,0x04,0x04,0x05,0x07,0xE0,0x20,0x20,0x3C,0x04,0x04,0x04,0x07,附表3：總電路圖附表4：電路實物參考文獻陳明義，宋學(xué)瑞主編. 電工電子實驗教程.中南大學(xué)出版社 2002.陳明義主編. 電子技術(shù)課程設(shè)計實用教程.中南大學(xué)出版社 2002.陳明義主編. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).中南大學(xué)出版社 2005.通信0601    

28、60;  廖娟  9 實現(xiàn)。在本次設(shè)計中，我們共設(shè)計了100種圖案，其中有漢字（兩組，20副），英文字母（10幅），數(shù)字（10幅），矩形漸變（10副），人在走動（10幅），三角形變換（10副），一箭穿心變化（10副），箭頭運動（10副），麻將牌移動（10副）圖案可循環(huán)變換，或者分組變換，視覺效果不錯。  8*8顯示點陣最多可顯示100幅圖，由EEPROM2864中的程序來決定。編程如下表：(部分) 圖形  第一列 第二列 第三列 第四列 第五列 第六列&#

29、160;第七列 第八列  數(shù)字0   00  00  7C  82  82 7c  00  00  數(shù)字1 00 00 00 FE 00 00 00 00  數(shù)字2 00 00 F2 92 92 92 8C 00  數(shù)字3 00 00 92 92 92 92&

30、#160;6C 00  數(shù)字4 20 30 28 24 FE 20 20 00  數(shù)字5 00 00 9E 92 92 92 62 00  數(shù)字6 00 30 48 4C 4A 31 00 00  數(shù)字7 00 02 02 02 02 FE 

31、;00 00 數(shù)字8 00 20 54 8A 8A 54 20 00  數(shù)字9 00 00 8C 52 32 1C 00 00  字母A 00 F8 14 12 12 14 F8 00  字母B 00 00 7E 4A 4A 34 00 00  字母C 00 3C 42 42