四花样彩灯控制器--课程设计

摘要

彩灯控制器在我门日常生活中有重要的运用，如广告牌的设计和节日彩灯的设计都能运用到它的原理。本次设计的四花样彩灯控制器是其中较简单的，但这是进行复杂设计的基础。

本次课程设计要设计一个四花样彩灯控制器。首先要分析设计要求，从要实现四花样入手推导出要使用的芯片。可通过八位右移寄存器74LS164实现八个彩灯的向右移动，从它的右移输入端输入四种码来实现它的四种花样。根据四种花样确定这四种码，可通过模十六计数器74LS161的输出端接与门74LS08和非门74LS04产生。要实现彩灯的自动转换，把四种码输入四选一数据选择器74LS153的四个输入端，它的地址输入端接双D触发器74LS74的两个输出端，74LS74可产生四种循环的状态，从而实现彩灯的自动转换。时钟信号由两个555产生，一个产生周期为0.721秒的矩形脉冲控制模十六计数器74LS161和八位右移寄存器74LS164,另一个产生周期为14.01秒的脉冲控制双D触发器。当彩灯完成一种花样时，双D触发器输出状态改变，数据选择器选择另一种码输出，彩灯变为下一种花样，直到完成四种花样再循环变化。

经实验验证，所设计的四花样彩器能完成四花样变换，每一种花样循环两次，四种花样不断循环。

关键字：时钟脉冲分频自动转换数据选择器

目录

前言 (1)

第一章设计要求 (2)

1.1 设计课题及要求 (2)

第二章系统组成及工作原理 (3)

2.1 系统组成框图 (3)

2.2 工作原理分析 (3)

第三章电路方案设计 (5)

3.1 电路图设计 (5)

3.2 方案比较 (5)

第四章单元电路设计与计算 (8)

4.1 555时钟脉冲产生电路 (8)

4.2 四种码产生电路 (9)

4.3 彩灯开关电路 (11)

4.4 花样输出电路 (13)

4.5 各芯片管脚图 (14)

第五章实验、调试及测试结果分析 (16)

5.1 结果的调试及分析 (16)

结论 (17)

参考文献 (18)

附录1 花样彩灯控制器的原理总图 (19)

附录2 元器件清单 (20)

前言

彩灯控制器有着非常广泛的运用，如：LED彩灯，音乐彩灯控制器，二维彩灯控制器等等，现简单介绍如下：

随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。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。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。优易LED全彩灯光控制系统由Color Edit编辑软件、主控器、分控器和LED光源组成，广泛应用于城市景观、风景名胜、道路桥梁、建筑轮廓、娱乐场所、户外广告、室内装饰等美化、亮化工程。

二维彩灯控制器可控制五路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭。若将一定数量的彩色灯组合联接，就能营造出平面上色彩变化的场景，这比通常控制一条线上的色彩流动更加丰富绚丽。控制器采用数字集成块，外围元器件少、电路结构简单，只要元器件完好、装接无误，装后无须调试即可一举成功。

音乐彩灯控制器是专用于卡拉ok厅 KTV包房的彩灯控制设备，其最大优点是不与电视音响等设备有任何连接，本设备通过检测包房里的环境音频信号强弱来控制通过彩灯的电流大小（即亮暗程度）来烘托娱乐的兴趣的目的，也就是随着声音的大小而使彩灯闪烁，歌声和彩灯一起跳动，从而让唱歌人激情高涨，留连忘返。

第一章设计要求

1.1 设计课题及要求

（一）题目：四花样彩灯控制器

（二）基本要求：设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现

(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。

（三）主要参考元器：

555定时器，模十六计数器74LS161，双D触发器74LS74，与门74LS08，非门74LS04，四选一数据选择器74LS153，八位移位寄存器74LS164。

第二章系统组成及工作原理

2.1 系统组成框图

把四花样彩灯设计分为几个独立的功能模块进行设计,每一个模块完成特定的功能,再把它们有机的组织起来构成一个系统完成彩灯控制器的设计。系统可由四个模块组成，它们分别是：四种码产生电路、开关电路、数据输出、时钟电路。设计框图如图2.1所示：

图2.1 系统组成框图

由两个555构成两个时钟电路，由模十六计数器和组合逻辑门构成四种码产生电路，由双D触发器和数据选择器构成开关电路，由移位寄存器和八个彩灯构成输出电路，一个时钟控制模十六计数器和移位寄存器，另一个时钟控制双D触发器。

2.2工作原理分析

从多谐振荡器出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送到模十六计数器；另一路做为移位时钟脉冲加到移位寄存器。调节多谐振荡器的电阻可以改变震荡频

率，即改变彩灯移动的速度，得到不同的动态效果。

多谐振荡器、双D触发器、数据选择器共同组成一个电子开关。多谐振荡器输出的计数脉冲经双D触发器两位二进制计数器，在它的两个输出端得到00、01、10、11四种逻辑状态。这四个状态作为数据选择器的四个数据通道选择信号，对应从模十六计数器输送到数据选择器的QA，QB，QC，QD四个分频信号。其作用相当于一个受控的一刀四位的机械转换开关。当双D触发器输出为“00”时，数据选择器输出10000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样一；为“10”时，数据选择器输出11000000序列脉冲，为八分频信号，实现花样二；为“01”时数据选择器输出11110000序列脉冲，为八分频信号，实现花样三；为“11”时数据选择器输出1111111100000000序列脉冲，为十六分频信号，实现花样四。调节开关电路的CP脉冲产生电路的电阻，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。

数据选择器的输出端接移位寄存器的输入端，在时钟脉冲的作用下，数据在移位寄存器的八位并行输出端从Q0到Q7顺序移动。移动的八位控制信号直接控制发光二极管的亮灭，就出现了八路四花样自动循环切换的流水彩灯。

第三章电路方案设计

3.1 电路图设计

将各单元电路组织起来就得到了系统电路图，如附录1所示：

本电路图设计简单、结构清晰，可分为四种码产生电路、开关电路、输出电路和时钟电路这四个模块。四种码产生电路由模十六计数器和组合逻辑门构成，开关电路由双D触发器和数据选择器构成，输出电路由移位寄存器和彩灯构成，时钟电路由两个555构成。

通过改变多谐振荡器的电阻可改变彩灯流动的速度和各花样持续的时间，实现了彩灯花样的动态变化，增强了控制器的灵活性。

3.2 方案比较

比较方案1：

在原方案的基础上，用模十六计数器74LS161的输出端的最高位Q D作为双D触发器的时钟，可以少用一个555定时器。计数器每计八个数，Q D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。如图3.1所示:

图3.1 比较方案1电路图

如果按此方案连接电路，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，所以不采用。

比较方案2：

彩灯控制器电原理图如图3.2所示。ICl、IC2由555接成多谐振荡器。IC3由4位2进制计数器74LS93接成16进制计数器，其4个输出端可分别输出对计数脉冲的2、4、8、16分频信号。IC4是双D触发器74LS74，在这里接成两位2进制加法计数器。IC5是双4选l数据选择器74LSl53，这里只用了它的一组4选1数据通道。IC6是3位单向移位寄存器74LSl64，它是产生移动灯光信号的核心器件。

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。电路图如图3.2：

图3.2 比较方案2电路图

从ICl⑧脚出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送到IC3的⑩脚；另一路作为移位时钟脉冲加到IC6的⑧脚。调节RWl改变ICl的振荡频率，可以改变灯光的移动速度，以得到不同的动态效果。

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Q A、Q B、Q C、Q D4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⑧脚；为“01”时，选定IC5的⑤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。

从IC5第⑦脚输出的数据信号送到IC6的输入端，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。

很明显，这个方案很烦琐。会更多的出现不确定因数造成的错误。不选该方案。

第四章 单元电路设计与计算

4.1 时钟脉冲产生电路

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(R 1+2R 2)C ………………………(4-1)

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：

R 1=1K Ω ， R 2=51K Ω ， C=0.01μF 由公式（4-1）计算得：T=0.721S 电路图如图4.1所示:

图4.1 时钟电路

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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：

R1=1KΩ， R2=1MΩ，C=0.01μF

由公式（4-1）计算得：T=14.42S

4.2 四种码产生电路

根据彩灯要实现的四花样,可确定移位寄存器输出的二进制码,即四种码产生电路要产生的码，如表4-1所示：

表4-1 四种码

要产生这四种码，可由十六进制计数器接组合逻辑门产生，十六进制计数器的真值表如表4-2所示：

表

由表4-2分析得：

Z1=Q3Q2Q1

Z2=Q3Q2

Z3=Q3

Z4=Q4

所以四种码产生电路如图4.2所示：

74LS161N

图 4.2 四种码产生电路

4.3彩灯开关电路

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。

开关电路图如图4.3所示：

图 4.3 开关电路

令Q1Q2=AB，74LS153数据选择器的功能表如表4-3所示：

表4-3 数据选择器功能表

由表4-3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。

4.4 花样输出电路

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。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。

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表4-4所示：

表4-4 寄存器数码移动情况表

由表4-4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。

4.5 各芯片管脚图

1. 模十六计数器74LS161，芯片管脚图如图4.4（a）所示：

2. 双四选一数据选择器74LS153，芯片管脚图如图4.4（b）所示：

图 4.4 74LS161和74LS153管脚图

3. 8位移位寄存器74LS164，芯片管脚图如图

4.5所示

图 4.5 74LS164管脚图

第五章实验、调试及测试结果分析

5.1结果的调试及分析

1.调试使用的主要仪器: 数字万用表直流稳压电源示波器函数信号发生器

2.测试电路的方法和技巧:

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，用数字万用表检查各模块的功能，发现并改正错误，直到符合要求为止。

3.调试中出现的故障、原因及排除方法：

（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Q A、Q B、Q C、Q D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。

结论

设计电路关键在于对设计要求的理解分析以及对基本电路相关知识的熟练掌握。设计电路时，将总体的功能分成若干个部分来实现，是简化电路设计思路的很好方法；且搞清各个模块的功能与实现要求操作的具体方法，对电路故障的检查也是很有帮助。

通过这次设计，学到了很多东西，如查找资料，设计比较，从各种图中提取所需。焊接时学到了好多，如如何在一定大小的板子上正确摆放好芯片，如何布线等等，调试时也是，知道了用工具如万用表来检查、修复故障。

此外，这次课设还让我们学到很多，包括焊接技术。也吸取了很多教训。真正提高了动手能力，学会获取资料，活跃了自己的思维，巩固了所学知识。