西华大学课程设计说明书说明书 目录1前言11.1序言11.2目前彩灯的应用情况11.3主要工作概述22 总体方案设计32.1方案比较32.2 方案论证42.3方案选择43.单元模块电路设计53.1时钟信号发生器53.2 序列信号发生器73.3 移位输出显示电路134软件设计164.1Proteus仿真软件164.2 Altium designer软件164.3软件的设计结构185 系统调试195.1 脉冲信号发生器的调试195.2序列信号发生器和以为输出显示电路调试205.3整体电路的调试205.4系统实现的功能216设计总结与收获227 参考文献24附录：彩灯显示控制电路原理图251前言1.1序言由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。在设计中更多的使用中，规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简捷，而且能提高电路的可靠性，降低成本。因此用集成电路来实现更多更复杂的器件功能则成为必然。随着社会市场经济的不断繁荣和发展，各种装饰彩灯、广告彩灯越来越多地出现在城市中。在大型晚会的现场，彩灯更是成为不可缺少的一道景观。小型的彩灯多为采用霓虹灯电路则不能胜任。在彩灯的应用中，装饰灯、广告灯、布景灯的变化多种多样，但就其工作模式，可分为三种主要类型：管做成各种各样和多种色彩的灯管，或是以日光灯、白炽灯作为光源，另配大型广告语、宣传画来达到效果。这些灯的控制设备多为数字电路。而在现代生活中，大型楼宇的轮廓装饰或大型晚会的灯光布景，由于其变化多、功率大，数字长明灯、流水灯及变幻灯。长明灯的特点是只要灯投入工作，负载即长期接通，一般在彩灯中用以照明或衬托底色，没有频繁的动态切换过程，因此可用开关直接控制，不需经过复杂的编程。流水灯则包括字形变化、色彩变化、位置变化等，其主要特点是在整个工作过程中周期性地花样变化。本文所要设计的彩灯是用八个发光二极管代替的，能通过外部开关的操作，来实现彩灯亮点的左移、右移、全亮、全灭的效果。因此其会在越来越多的场合中使用，这使本设计具有很大的借鉴意义。这种控制电路可靠性，灵活性高，使用范围广，特别适合中小城市的交通灯、霓虹灯等的应用。而且，它对其他类似系统的开发具有一定的借鉴意义。1.2目前彩灯的应用情况 LED彩灯由于其丰 富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用 彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。彩灯广泛应用于流水灯、跑马灯、鸳鸯戏水灯、流水灯、控制功能，并给出了具体的硬件电路和相应的程序。此课题设计具有很大现实意义，LED彩灯广泛应用于商业街广告灯，也可作为歌厅、酒吧照明灯，在超大屏LED设计中也应用了此类的设计思想，随着近几年LED技术的不断发展LED发亮度得到了很大提高。1.3主要工作概述本文所要设计的八路彩灯的功能要求是通过手动开关操作，实现彩灯的两亮两灭的左移右移和全亮全灭的功能。以及在正式试验之前对彩灯的预置数功能，本实验的扩展功能也可以实现一亮一灭，三亮一灭，或者两亮的循环移位功能。本课题内容属于软件电路的设计与应用方面，实现过程包括总体方案的提出比较及选择、电路原理设计、元器件（芯片）参数计算。针对现在彩灯的广泛应用，可见彩灯循环是今后提高节假日气氛的重要因之一，它的发展深度将更为广泛，使用率将会大幅度提高。本课题设计的八路彩灯循环控制电路，在今后的生活中，在投入生产时，可以是多路彩灯，将集成芯片级联使用，扩展其功能。本设计是由时钟信号发生器电路、序列信号发生器电路和移位输出显示电路组成。负载变化频率高，变换速度快，使人有眼花缭乱之感，分为多灯流动、单灯流动等情形，将会更为广泛的应用。 2 总体方案设计2.1方案比较方案一：本方案是由555定时器、7490计数器、74138译码器和74ls794移位寄存器组成。7490计数器和74138译码器及74194移位寄存器的时钟信号由555振荡电路提供，改变555的振荡频率，即可改变计数器的计数快慢，即可控制彩灯闪烁快慢，计数器的输出信号输入至74138译码器，由74138译码。根据计数器输出不同的计数结果，即可控制74138译码器译码得到8种不同的输出信号，决定控制彩灯的循环变化。74138的输出接在74198的八个数据输入端，可以控制彩灯的循环移位的方向，即左移和右移。当计数器清零时，可以实现全灭功能. 555多谐振荡器7490计数器74138译码器74194译码器彩灯显示电路图2.1方案一得设计框图方案二：本方案是由555组成的多谐振荡器作为信号的脉冲发生器，74161计数器和74153双向数据选择器组成的序列信号发生器以及移位输出显示电路所共同组成。555多谐振荡器组成的信号脉冲源作为74161计数器、74194移位寄存器的clk连续脉冲信号。通过改变电阻、电容的大小，可以改变74161计数器的计数快慢程度，74161的输出端：Q0Q1作为74153的S0S1,Q2控制74153的两个使能端。双向数据选择输入端接SWDIP-8双端的开关控制它的输入。74153的两个输出端连接一个二输入的与非门，它的输出通过连接两个SWDIP-4接入74194的数据输入端，74194的两个芯片的S1S0通过SWDIP-2开关接电源以及电阻到地。改变SWDIP-2的通断状态，可以实现预置数，右移、左移的功能。脉冲发生器循环移位控制彩灯显示控制电路图2.2采用方案二的设计框图2.2 方案论证方案一：该系统是利用555多谐振荡器和7490计数器以及138译码器和74194移位寄器的彩灯显示功能。555发出脉冲信号，移位寄存器由计数器和译码器控制，1s的时间间隔，让彩灯实现间亮间灭的功能方案二：该方案是使用555振荡脉冲电路和循环移位控制电路以及彩灯显示电路实现它的全亮全灭，二亮二灭，以及它的扩展功能一亮一灭、三亮一灭的循环、还有就是在实现各功能之前时的预置数功能，此系统都是通过开关控制的，比较方便。2.3方案选择上述两个方案最大区别就是，方案一采用的是译码器输出控制寄存器，实现功能的。方案二采用的是74153双向数据选择器输出端控制移位寄存器的输入端，中间是开关连接的。很方便，价格也低廉，通过上述方案的比较，最后我选择了方案二。3.单元模块电路设计3.1时钟信号发生器 主要用来产生脉冲信号。因为流水灯对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以可以采用555组成多谐振荡器，其输出脉冲作为下一级的时钟信号。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在516V工作，最大负载电流可达200mA，7555可在318V工作，最大负载电流可达4mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。555定时器构成多谐振荡器，组成信号产生电路 接通电源后，VCC通过电阻R1、R2给电容C充电，充电时间常数为（R1+R2），电容上的电压vC按指数规律上升，当上升到VREF1=2VCC/3时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，RS=10，触发器被复位，放电管T28导通，此时v0输出低电平，电容C开始通过R2放电，放电时间常数约为R2C，vC下降，当下降到VREF2=VCC/3时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，RS=01，触发器被置位，放电管T28截止，v0输出高电平，电容C又开始充电，当vC上升到时VREF1=2VCC/3，触发器又开始翻转。如此周而复始，输出矩形脉冲。其电路原理图如3.1所示。图3.1555构成的多谐振荡器按一下运行键后，可看见输出端是出现高低电平交替，时间间隔是由电路中的电容和电阻决定。因为课程设计的任务中要求时间间隔为一秒，因此在仿真时，电阻和电容值还需要改变。从而改变频率，将脉冲信号输出。脉冲信号发生器是由555定时器连接而成，工作电压为+5v。图3.2所示是555的引脚排列情况，表3.1是它的引脚功能。 图3.2 555管脚图将管脚2.6输入端连接到一起，将管脚5通过一个电容接地，将7管脚通过电阻和电容到地，在通过一个电阻接到电源上，3管脚作为脉冲的输出端。电容是0.00001F,电阻是40K，电源和端口7之间的电阻是100K，就可以实现时间间隔为一秒。振荡周期的计算：多谐振荡器的振荡周与两个暂稳态时间有关，两个暂稳态时间分别由电容充电、放电时间决定。设电路的第一暂稳态和第二暂稳态时间分别为T1、T2，根据以上分析所得电路状态转换时VI的几个特征值，可以计算电路振荡周期的值。T1的计算：t1作为第一暂稳态起点，t2作为第二暂稳态。T1=t2-t1,Vi(0+)=0V,VI(t为无穷大)=VDD,t=RC,根据RC电路过度过程的分析可知，当VI由0v变化到Vth所需要的时间为T1= T2的计算：同理，t2作为第二暂稳态时间起点，有V(0+)=Vdd+V=Vdd,V(t为无穷大)=0vt=RC,由此可以求出T2=所以 T=T1+T2= T1=+将Vth=Vdd/2带入上式有 T=RCln(4)=1.4RC所以T=1.4RC=10.00001*R=1所以 R=100000=100K3.2 序列信号发生器在数字信号的传共有74161和74LS161两种线路结构模式，其主要电特性的典型值如下：表3.2序列信号发生器典型值型号FmaxPDCT54161/CT7416132MHZ305mWCT54LS161/CT74LS16132MHZ93mW数字系统的测试中，有时需要用到一组特定的串行数字信号，这种数字信号称为序列信号。产生序列信号的电路称为序列信号发生器。序列发生器的构成方法有多种，比较简单、直观的方法是用计数器和数据选择器组成。可以由四位同步二进制计数器74LS161和八选一数据选择器74LS151或者双四选一的数据选择器74LS153组成。161有超前进位功能。当计数溢出时，进位端（RCO）输出一个高电平脉冲，其宽度为QA的高电平部分。下图3.3是161对应的管脚图，3.2表是它的管脚功能表。图3.3 74161管脚74161是4位二进制同步计数器（异步清零，）161为可预置的四位二进制同步计数器， 161的清除端是异步的。当清零端CLEAR为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。161的预置是同步的。当置入控制器LOAD为低电平时，在CLOCK上升沿作用下，输入端QA-QD与数据输入端A-D相一致。对于74161，当CLOCK由 低至高跳变或跳变前，如果控制端ENP、ENT为高电平，则LOAD应避免由低至高电平的跳变，而74LS161无此种限制。161的计数是同步的，靠CLOCK同时加在四个触发器上实现的。当ENP、ENT均为高平时，在CLOCK上升沿作用下QA-QD同时变化，从而消除了异步计数器的计数尖峰。对于54/74161，只有当CLOCK为高电平时，ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变，而54/74LS161的ENP、ENT跳变与CLOCK无关。计数器是由触发器级联而成，下图就有几个触发器构成的计数器。图3.4触发器构成的计数器下图3.4是在TINA软件中用74ALS161的计数器所实现的16进制计数器。3.5