可编程彩灯控制器原理及设计Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998目录一、课题设计任务及要求 .3二、设计目的 3三、优选设计方案 4四、整体设计思想及原理框图 5五、各模块设计与分析 61、脉冲发生电路 72、控制电路和译码电路 103、存储电路 124、数码管显示电路 .14六、元器件清单 15七、安装及调试中出现的问题和解决方法 15八、设计感想 17附录一、实验电路图 20二、实验电路连接图 .21三、参考文献 21一、课题设计任务及要求课题名称：可编程彩灯控制器设计任务及要求：1、设计脉冲产生电路、图形控制电路和存储电路；2、用8×8LED点阵作为显示电路，显示内容的动面感要强。

3、能用按键切换不同的显示组合，至少有3个按键切换；4、每种组合至少有3种变化，每种组合内图形能连续循环；5、要有数码管显示当前是第几种组合（或是第几个按键）；6、图形显示间隔（显示频率）至少有3种可选。

控制器可有2种控制方式：（1）规则变化：变化节拍有秒和秒，交替出现，每种节拍可有多种花样，各执行1或2个周期后轮换；彩灯变化方向有单向移动和双向移动、跳跃移动等。

（2）随机变化。

变化花样相同，但节拍和花样的轮换随机出现。

7、完成电路全部设计后，通过实验箱验证设计课题的正确性。

二、设计目的本课程设计主要是为了实现可编程彩灯控制的功能，且通过本次电子课程设计，了解电子产品设计的一般过程，掌握电子线路设计的基础方法和一般过程，能灵活运用已学过或者类似的集成块构成电路实现上述功能，还能灵活掌握555电路的应用方法。

能用仿真软件对电子线路进行仿真设计，还能用Portel等软件绘制PCB图，掌握了电子电路调试的方法，且能独立解决设计与调试过程中出现的一般问题，并进一步掌握EEPROM的编程方法和应用。

三、优选设计方案方案A：根据设计要求，本系统由控制电路，编码发生电路和输出驱动电路等组成。

其彩灯控制器的总体设计思想如下：1.编码发生器编码发生器根据花形要求，按节拍送出64位状态编码信号，以控制彩灯按规律亮或灭。

因为彩灯路数少，花形要求不多，可选用移位寄存器输出64路数字信号，控制彩灯发光。

编码发生器采用16片4位通用移位寄存器74LS194来实现。

74LS194具有异步清除和同步预置、左移、右移和保持等多种功能，控制方便灵活。

64路彩灯采用两片74LS194组成64位移位寄存器，花形设计比较灵活。

移位寄存器的64个输出信号通过驱动电路控制电路来控制彩灯，编码器中数据输入端和控制端的接法由花形决定。

根据选择的花形，可列出移位寄存器（编码发生器）输出状态。

2.控制电路控制电路为编码器提供所需的节拍脉冲和驱动信号，控制整个系统工作。

控制电路的功能有两个：一是按需要产生节拍脉冲；二是产生移位寄存器所需要的各种驱动信号。

控制电路设计通常按照下述步骤进行：逐一分析单一花形运行，移位寄存器的工作方式和驱动要求，按照工作状态决定74LS194移位寄存器工作的状态顺序，同时是分析移位寄存器工作方式和驱动要求的依据。

方案B：采用555定时器输出脉冲，高频通过计数器控制电路和译码电路，不断刷新显示矩阵的各列；而低频产生脉冲，决定显示哪一幅画面。

由于需要产生64幅以上的图形，可以设计一个64进制的计数器，即可显示64幅图，此低频接在EEPROM的高位，而高频计数器控制电路的输出接在EEPROM的低三位。

即高位决定显示哪幅画，低位表示每幅图形的每列的显示。

显然，方案B比较合理而且能实现课程设计的要求，采用方案B来进行课程设计。

四、整体设计思想及原理框图本系统可设计为四个模块：1.脉冲发生电路采用两个555定时器组成振荡器，一个产生高频和一个产生可调低频。

高频通过计数器控制电路和译码电路，不断刷新显示矩阵的各列；而低频产生脉冲，决定显示哪一幅画面。

2.图形控制电路用74LS161芯片设计一个64进制的计数器，以显示64幅图，其中低片计数器构成16进制，高片计数器构成4进制，并且将低频通过计数控制电路接在EEPROM的高位，从而选择显示哪一幅画。

而高频通过计数器控制电路接在EEPROM的低三位，不断刷新显示矩阵的各列，用以控制图形的显示。

由于显示矩阵是由64个发光二极管组成，把译码器输出接在显示矩阵的阴级进行行控制，EEPROM接在显示矩阵的阳极进行列控制，只有同时导通时，二极管才亮。

译码电路是低电平有效，每次只有一个输出有效，所以需要快速进新刷新，故将高频通过计数器控制电路接在译码电路的输入端。

3.数码管显示电路当前8X8显示矩阵显示的是哪一幅画，可以通过2个数码管显示出来。

其中第一个数码管显示该画面所在的组别，另一个显示该幅画为这个组别的第几幅画。

由于上面设计为16X4的64进制计数器控制显示画面。

故可以设计四种组合，每一个组合为16副画。

4.存储电路显示什么样的图形就决定于EEPROM的编程，而最终显示在显示矩阵上。

此外，暂停功能：控制低频计数器低位的EP和ET端实现。

手动选画功能：当低频计数器的PE端为高电平时，图形自动连续循环；当PE端为低电平时，计数器处于置数功能，可通过选画开关选择需要显示的图画，其中高片计数通过置数选择画面组别，底片计数器通过指数选择此组合内的某一幅画。

清零功能：控制低频计数器的清零端R，当R=0时，计数器实现清零功能。

原理框图如下：五、各模块设计与分析根据设计要求，本系统由脉冲发生电路、控制电路、译码驱动电路、存储矩阵和显示电路等几部分构成可编程彩灯控制电路。

A. 脉冲发生电路1、555定时器的组成和功能⑴．内部组成框图：它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5KΩ电阻的分压器而构成。

（如下图所示）⑵．引脚图及其功能1脚：外接电源负端VSS 或接地，一般情况下接地。

3脚：输出端Vo 2脚：TL 低触发端6脚：TH 高触发端 4脚：D R 是直接清零端。

当D R 端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TL 、TH 处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：Vco 为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只μF 电容接地，以防引入干扰。

7脚：放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

8脚：外接电源Vcc ，双极型时基电路VCC 的范围是 ~ 16V ，CMOS 型时基电路Vcc 的范围为3 ~ 18V 。

一般用5V 。

⑶．功能介绍：在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为2/3V ，1/3V 的情况下，555时基电路的功能表如下表所示。

清零端D R 高触发端TH 低触发端TL Qn+1 放电管T功能 00 导通 直接清零 10 导通置0 VccVo’VcoTHVGND2121PH R 2R R R T t D ++==⑷．555定时器构成的多谐振荡器工作原理接通电源后，假定V 0是高电平，则T 截止，电容C 充电。

充电回路是V CC —R 1—R 2—C —地，V C 按指数规律上升，当VC 上升到2/3V CC 时（TH 、TL 端电平大于2/3V CC ），输出V 0翻转为低电平。

V 0是低电平，T 导通，C 放电，放电回路为C—R 2—T —地，V C 按指数规律下降，当V C 下降到1/3V CC 时（TH 、TL 端电平小于1/3V CC ），V 0输出翻转为高电平，放电管T 截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得：输出高电平时间 C )R R (7.0t 21PH +=输出低电平时间 C R 7.0t 2PL =振荡周期 C )R 2R (7.0t t T 21PL PH +=+=输出方波的占空比 2、本模块工作原理介绍脉冲发生电路主要用来产生时间基准信号（脉冲信号）。

因为可编程循环彩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，所以采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。

本系统采用两片555定时器分别构成高频脉冲发生器和低频脉冲发生器。

高频脉冲发生器是用555构成多谐振荡器。

由于人眼每秒可分辨出24幅图，而高频计数器采用8进制，作为刷新频率的脉冲，此高频刷新电路输出脉冲的频率应大于24*8=192Hz ，这样便可以显示整幅的画面。

低频脉冲发生器用于提供计数电路的脉冲，它能决定画面显示的速率。

速率的调节可通过调节滑动电阻（0～1M ）来实现。

高频脉冲发生低频脉冲发生器R1=100K R1=750K R1’=0~1MR2=100K R0=R2=1KC1=C2= C1=10Uf C2=f=476Hz f=~B.控制电路和译码电路功能介绍74LS138是一种常见的3线8线译码器，它的八个输出引脚，任何时刻要么全为高电平1，则芯片处于不工作状态；要么只有一个为低电平0，其余7个输出引脚全为高电平1；如果出现两个输出引脚同时为0的情况，说明该芯片已经损坏。

其功能表如下：当附加控制门的输出为高电平（S＝1）时，可由逻辑图写出由上式可以看出，输出是这三个输入变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小项译码器。

74LS138的管脚图如右：功能介绍74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能。

⑴74LS161引脚图管脚图ET74LS161EPCP：时钟 P0~P3：四个数据输入端R：清零端EP，ET：使能端PE：同步置数端 Q0~Q3：数据输出端TC：进位输出(TC=Q0·Q1·Q2·Q3·ET)⑵74LS161功能表74LS161真值表从74LS161真值表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、当R=0时，Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能；当R=1且PE=0时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端P3，P2，P1，P0的状态一样，为同步置数功能。

而只有当R=PE=EP=ET=1、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。

74LS161还有一个进位输出端TC，其逻辑关系是T C= Q0·Q1·Q2·Q3·ET。

应用计数器的清零功能和置数功能，可实现本系统中清零、选画的功能。

3、本模块工作原理介绍⑴控制电路控制电路由3片74LS161计数器和3位二进制译码器74LS138组成，其中一片74LS161连接高频脉冲发生器和译码器74LS138，对显示矩阵电路进行行扫描和控制；另两片74LS161构成高低两片计数器，共同控制选画，置位，暂停等功能。