【课程设计】节日彩灯控制器设计

【课程设计】节日彩灯控制器设计 x x x x 大 学 课 程 设 计 课 程 单片机课程设计 题 目 节日彩灯控制器设计 院 系 电气信息工程学院测控系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 4月 6日 2011年 节日彩灯控制器设计 xxxx大学课程设计任务书 课程 单片机课程设计 题目 节日彩灯控制器设计 专业 测控技术与仪器 姓名 学号 一、任务 设计一款节日彩灯控制器。 二、设计要求 [1] 运用555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，四选一数 据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164等电路元件组成彩灯控制电 路。 [2]由555振荡电路产生一矩形脉冲，在经74LS93分频后得到四路分频信号， 由74LS74)74LS153组成的电子开关去控制这四路分频信号，进而控制彩 灯亮灭的顺序，从而出现彩灯四种花样自动切换。 [3] 写出详细的设计报告。 [4] 给出全部电路和源程序。 三、参考资料 [1] 刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录[M].北京:高等教育出版社，1957.15-18. [2] 刘润华,刘立山.模拟电子技术[J].山东:石油大学出版社,2003. [3] 苏成富.彩灯控制器[J].北京:电机电器技术,2000，(01). [4] 祝富林.音乐彩灯电路CS9482[J].北京:电子世界,1995，(12). [5] 彭介华.电子技术课程设计指导[J].北京:高等教育出版社,1997. 完成期限 2011.3.28至2011.4.8 指导教师 专业负责人 2011年 3月 28 日 1 节日彩灯控制器设计 目录 第1章 绪论 ......................................................................................... 3 1.1 彩灯控制器概述 ............................................................................................................. 3 1.2 彩灯控制技术状况 ......................................................................................................... 3 1.3 本设计任务 ..................................................................................................................... 4 第2章 总体方案设计与论证 .............................................................. 5 2.1 方案比较 ......................................................................................................................... 5 2.2 方案论证 ......................................................................................................................... 6 2.3 方案选择 ......................................................................................................................... 6 第3章 单元模块设计 ........................................................................ 7 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 ................................................................................. 7 3.2功能器件的介绍 .............................................................................................................. 11 第4章 系统的调试............................................................................ 14 4.1 环境调试 ......................................................................................................................... 14 4.2 硬件调试 ......................................................................................................................... 14 第5章 系统功能、指标参数 ............................................................ 16 5.1 系统能实现的功能 ....................................................................................................... 16 5.2 系统指标 ....................................................................................................................... 16 结 论 ................................................................................................... 18 参考文献 ............................................................................................... 19 附录1 程序 .......................................................................................... 20 附录2 系统原理电路图 ....................................................................... 21 附录3 系统PCB图 ............................................................................. 22 2 节日彩灯控制器设计 第1章 绪论 彩灯是我国普遍流行的传统的民间的综合性的工艺品。彩灯艺术也就是灯的综合性的装饰艺术。新中国成立后，彩灯艺术得到了更大的发展，特别是随着我国科学技术的发展，彩灯艺术更是花样翻新，奇招频出，传统的制灯工艺和现代科学技术紧密结合，将电子、建筑、机械、遥控、声学、光导纤维等新技术、新工艺用于彩灯的设计制作，把形、色、光、声、动相结合，思想性、知识性、趣味性、艺术性相统一。在当今的社会里，彩灯已经成为我们生活的一部分，能给我们带来视觉上的享受还能美化我们的生活。 1.1 彩灯控制器概述 彩灯控制器主要是通过电路产生有规律变化的脉冲信号来实现彩灯的各种变化。它的主要器件是寄存器。现如今寄存器是数字系统常见的重要部件，除在计算机中广泛用于存放中间数据外，它在其他方面的应用，目前在教材中只介绍可构成环形或扭环形计数器。本次实验由于触发器具有记忆的功能，所以将移位寄存器设计成彩灯控制电路。由于电路本身实用，如果再通过计算机仿真，就可以直观地看到循环彩灯控制效果。如果稍微改动控制电路，就可以改变电路的不同工作状态，控制彩灯变幻出不同的闪烁效果。 1.2 彩灯控制技术状况 彩灯控制电路是由单元电路组合而成的，主要由555振荡电路产生一矩形脉冲，在经74LS93分频后得到四路分频信号，由74LS74)74LS153组成的电子开关去控制这四路分频信号，进而控制彩灯亮灭的顺序，从而出现彩灯四种花样自动切换。 3 节日彩灯控制器设计 1.3 本设计任务 运用555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164等电路元件组成彩灯控制电路，并用Proteus等软件仿真，做出其PCB图。 4 节日彩灯控制器设计 第2章 总体方案设计与论证 通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。 2.1 方案比较 方案一只能实现稍微比较简单的一些功能，能达到预期目的。结构较单一，为了更好的了解所学知识，巩固已学知识选择方案二，它能很好的完成任务 2(1(1 方案一 方案一原理框图如图2-1所示。 分频计数器 数据选择器 开关电路 移动寄存器 输出 图2-1 方案一的原理框图 方案一:用模十六计数器74LS161的输出端的最高位QD作为双D触发器的时钟，可以只用一个555定时器。计数器每计八个数，QD由低电平变为高电平，双D触发器的状态改变，四选一数据选择器74LS153选择下一种码输出，彩灯变为另一种花样，以后四种花样循环改变，变化比较单一。 2(1(2 方案二 方案二原理框图如图2-2所示。 5 节日彩灯控制器设计 图2-2 方案二的原理框图 方案二:彩灯控制器原理框图如图2-2所示。用555构成多谐振荡器。用4位2进制计数器74LS93接成16进制计数器，其4个输出端可以分别输出对计数脉冲的2、4、8、16分频信号。用双D触发器74LS74接成2进制加法计数器。数据选择器由双4选174LS153构成，并且只用它的一组4选1数据通道。移位寄存器选择八位74LS164，它是产生移动灯光信号的核心器件。 2.2 方案论证 如果按方案一连接电路，彩灯无法完成第四种花样(依次点亮，依次熄灭)，只能完成一半，依次点亮或依次熄灭，部分实现了设计要求。 2.3 方案选择 结合我们已学知识，为使实验更加成功，我觉得更适合做方案二，而不采用方案一。 6 节日彩灯控制器设计 第3章 单元模块设计 主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系;同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 本系统主要分为3个单元模块，它们分别是:时钟脉冲产生电路模块、彩灯开关电路模块和花样输出电路模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。 3.1.1 时钟脉冲产生电路模块设计 用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲,其周期为: T=0.7(R1+2R2)C„„„„„„„„„(3-1) 要用两个555产生两个时钟脉冲,一个控制74LS161模十六计数器和八位移位寄存器,要能看到彩灯的流动,其周期设为1秒左右, 电阻值和电容值可设为: R1=1KΩ ， R2=51KΩ ， C=0.01μF 由公式(3-1)计算得:T=0.721S 电路图如图3-1所示: 图3-1 时钟电路 7 节日彩灯控制器设计 另一个555产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换,其周期设为模十六计数器的20倍,改变R1、R2的阻值即可，可设为: R=1KΩ ， R=1MΩ ，C=0.01μF 12 由公式(3-1)计算得:T=14.42S 3.1.2 彩灯开关电路模块设计 要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器74LS153循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4。使双D触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双D触发器能产生00、01、10、11这四钟循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四花样循环。 IC2、IC4、IC5共同组成了一个电子开关。IC2输出的计数脉冲经IC4两位二进制计数，在IC4的两个输出端共可得到“00”~“11”4个逻辑状态。这4个状态作为IC5的4个数据通道选择信号，对应从IC3输送到IC5的QA、QB、QC、QD4个分频信号。其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。当IC4输出为“00”时，选通IC5的?脚;为“01”时，选定IC5的?脚。调节RW2改变 5VIC2的输出脉冲周期，可以改变开关的切换时间，用以选择每种花样出现时间的 14长短 A2开关电路图如图3-2所示: B 1U2VCC~1G761Y1C054101C1U1AU1B4~1PR~2PR593111C231Q2Q1CLK2CLK682121C315~1Q~2Q1D2D~2G113910~1CLR~2CLR2Y74LS74N74LS74N2C011 2C112 2C21374LS153N 2C3 图3-2 开关电图 令Q1Q2=AB，74LS153数据选择器的功能表如图3-3所示 8 节日彩灯控制器设计 图3-3 数据选择器功能表 由表3-3可知，数据选择器的地址输入端A、B循环转变，输出端1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4输出，使彩灯的四花样自动循环改变。 3.1.3 花样输出电路模块设计 输出电路由八位移位寄存器74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成(如图3-4所示)。寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从QA向QH移动，输出四种彩灯花样。 图3-4 输出电路 9 节日彩灯控制器设计 驱动电路用8只三极管组成8路射随器作缓冲放大，去触发作电流开关的8只双向可控硅，以控制彩灯发光。电路的十5V电源由220V,9V变压器降压，经D1一D4桥式整流，7805稳压后给控制电路供电。 从IC5第?脚输出的数据信号送到IC6的输入端第?脚，在时钟脉冲作用下，数据在IC6的8位并行输出端从Q0一Q7顺序移动。这一移动的8位控制信号经功率驱动电路去推动8路彩灯，就出现了8路4花样自动循环切换的流水彩灯。 当输入移位寄存器数据输入端的码为10000000时，清零后在移位脉冲CP的作用下，寄存器数码移动情况如图3-5所示 CP Ri QA QB QC QD QE QF QG QH 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 1 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 1 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 1 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 1 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 1 图3-5 寄存器数码移动情况表 由表3-5可看出，输入码中的那位高电平“1” 从寄存器的输出端QA经八个移位脉冲CP作用后逐渐到了QH，使输出端所连接的彩灯依次点亮，实现了彩灯依次点亮的花样。当输入另外的三种码时，寄存器的数码移动原理相似，所以就不累赘了。 10 节日彩灯控制器设计 3.2功能器件的介绍 本系统中主要使用了如下一些功能器件:555定时器、8位移位寄存器74LS164、双四选一数据选择器74LS153。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。 3.2.1 555定时器 如图3-6所示: 图3-6 555定时器 由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。 555定时器有二个比较器A1和A2，有一个RS触发器，R和S高电平有效。三极管VT1对清零起跟随作用，起缓冲作用。三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器，由此可以获得 和 两个分压值，一般称为阈值。555定时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端TR，3脚是输出端OUT，4脚是清除端R，5脚是电压控制端CV，6脚是高触发端TH，7脚是放电端DC，8脚是电源端VCC。555定时器的输出端电流可以达到200mA，因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载，如继电器、扬声器、发光二极管等。 3.2.2 8位移位寄存器74LS164 芯片管脚图如图3-7所示: 11 节日彩灯控制器设计 图3-7 74LS164移位寄存器 主要参数及特点 1. 串行输入带锁存 2. 时钟输入,串行输入带缓冲 3. 异步清除 4. 最高时钟频率可高达36Mhz 5. 功耗:10mW/bit 6. 74系列工作温度: 0?C to 70?C 7. Vcc最高电压:7V 8. 输入最高电压:7V 9. 最大输出驱动能力: 10. 高电平:,0.4mA 11. 低电平:8mA 移位寄存器属于同步时序电路，在同一时钟脉冲作用下，可以将寄存的二进 制代码或数据依次移位，用来实现数据的串行/并行或并行/串行的转换、数值运 算以及其他数据处理功能。 3.2.3 双四选一数据选择器74LS153 芯片管脚图如图3-8所示 12 节日彩灯控制器设计 图3-7 74LS153数据选择器 数据选择是指经过选择，把多路数据中的某一路数据传送到公共数据线上，实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器。它的作用相当于多个输入的单刀多掷开关。本设计只用到了其中一组4选一开关。 13 节日彩灯控制器设计 第4章 系统的调试 对开关电路实行调试看是否可以让74LS153循环的输出4个信号。双D触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双D触发器能产生00、01、10、11这四钟循环的状态，即观察高低电平的变化。从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四花样循环。 IC2、IC4、IC5(IC2和IC4为D触发器，IC5为四选一数据选择器)共同组成了一个电子开关。IC2输出的计数脉冲经IC4两位二进制计数，在IC4的两个输出端共可得到“00”~“11”4个逻辑状态。这4个状态作为IC5的4个数据通道选择信号，对应从IC3输送到IC5的QA、QB、QC、QD4个分频信号。其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。当IC4输出为“00”时，选通IC5的?脚;为“01”时，选定IC5的?脚。调节RW2改变IC2的输出脉冲周期，可以改变开关的切换时间，用以选择每种花样出现时间的长短。 最后运行程序观察彩灯的变化情况。可根据先检查各芯片的电源和地是否接上，检查线路是否连好;前面的检查无问题后，再根据彩灯的变化情况，确定可能的原因，分析是哪个功能模块出了问题。 4.1 环境调试 Proteus 是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是:实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能;有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 4.2 硬件调试 通过对总系统的各个模块的调试可能出现了一些问题: (1)彩灯只有一种花样变化，没有其它的花样: 原因可能是双D触发器74LS74不能产生周期性的两位二进制码或是555不 14 节日彩灯控制器设计 能产生触发双D触发器的CP脉冲，使双D触发器维持在一种状态。可换一片好的74LS74芯片或检查555CP脉冲产生电路，看是否产生周期性的CP脉冲，使双D触发器产生四种循环的状态，彩灯就能四花样变化。 (2)彩灯无规律变化: 原因可能是四种码的产生电路不能产生符合要求的四种码，检查模十六计数器的CP脉冲是否稳定，看74LS161是否能计数，即QA、QB、QC、QD是否周期性的高低电平变化，前面没问题，再检查与门74LS08和非门74LS04是否能实现它们逻辑功能。 (3)彩灯的四种花样都有，但中间有一些混乱的状态: 原因可能是数据选择器输出的两种码之间的间隔大于彩灯每一种状态持续的时间，使彩灯的一种花样完成后并没有进入另一种状态，当进入另一种状态时上一种状态的多余码进入下一个状态，故出现了混乱的状态。可改变双D触发器的CP脉冲，即改变多谐振荡器的电阻，使得一种花样完成后，数据选择器地址输入端状态改变，正好选择另一组码输出，彩灯花样改变。 15 节日彩灯控制器设计 第5章 系统功能、指标参数 5.1 系统能实现的功能 设计的彩灯控制器实现 (1) 彩灯一亮一灭,从左向右移动; (2) 彩灯两亮两灭，从左向右移动; (3) 四亮四灭，从左向右移动; (4) 从1,8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭; (5) 四种花样自动变换。 5.2 系统指标 我们对数据选择器和移位寄存器进行了测试，主要是观察运行后高低电平的 变换记录表格。数据选择器记录表格如5-1所示、移位寄存器如表5-2所示。 BA1 (Q2) (Q1) Y 0 0 Y 1 1 0 Y1 1 2 0 1 Y 0 0 3 Y表5-1 数据选择器运行参数 4 Y 1 数据选择器的地址输入端A、B高低电平循 环转变，输出端1Y循环选择四种码Z1、Z2、Z3、 16 节日彩灯控制器设计 Z4输出，使彩灯的四花样自动循环改变。 CP Ri QA QB QC QD QE QF QG QH 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 1 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 1 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 1 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 1 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 1 表5-2 移位寄存器移动高低电平变化 17 节日彩灯控制器设计 结 论 本次课程设计对彩灯控制器的运行成果感觉比较满意，它实现了我们要求达到的目标，比如能按一定时间进行彩灯变换。并且变换不是单一。让身处其中的群众有一种酣畅淋漓的感觉。但是在设计中也出现了一些问题。比如控制开关电路无法控制4种输出码;8位移位寄存器无法找到完全对应型号等等。电压控制不是很稳定，造成灯泡亮度不明显。这些都需要以后的工作当中需要注意并解决问题。 18 节日彩灯控制器设计 参考文献 [1] 马秀娟.电工电子实践 教程 人力资源管理pdf成真迷上我教程下载西门子数控教程protel99se入门教程fi6130z安装使用教程 [M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2004.157-160 [2] 吕曙东、孙宏国.电工电子实验技术[M].南京:东南大学出版社，2004.196-198 [3] 褚南峰.电工技术试验及课程设计[M].北京:中国电力出版社，2005.166-168 [4] 郭永贞.电子技术试验与课程设计指导模拟电路分册[M].南京:东南大学出版 社，2004.34-39 .电子技术基础[M].第五版.北京:高等教育出版社，2006.2-510 [5] 康华光 [6] 西华大学老师.电子技术试验指导书[M].成都:西华大学电工电子试验实习中 心，2009.105-188 19 节日彩灯控制器设计 附录1 程序 #include include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit star =P1^1; sbit stop =P1^2; sbit up =P1^3; sbit down =P1^4; void delay(void) { uint t; for(t=0;t<30000;t ); } void main(void) { while(1) { P2=0xff; while(!star) { P2=0xfe; if(!up) { while(1) { if(!stop brake; P2=_crol_(led,1); delay(); } } if(!down) { while(1) { if(!stop) brake; P2=_crol_(led,1); delay(); } } } } } 20 节日彩灯控制器设计 附录2 系统原理电路图 21 节日彩灯控制器设计 附录3 系统PCB图 22 节日彩灯控制器设计 大学课程设计成绩评价表 课程名称 单片机课程设计 题目名称 节日彩灯控制器设计 指导教 学生姓名 学号 职称 师姓名 评分 序号 评价项目 指 标 满分 按期圆满的完成了 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的任务，难易程度和工作量符 工作量、工作态度 1 合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作20 和出勤率 作风严谨，善于与他人合作。 课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思 2 课程设计质量 路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ，图表完备45 正确。 工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定 3 创新 5 应用价值。 4 答辩 能正确回答指导教师所提出的问题。 30 总分 评语: 指导教师: 年 月 日 23