四花样彩灯控制器设计杨洋（安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆 246011）指导教师：刘娟摘要：随着人们对城市美化要求的提高，在许多场合可以看到彩色霓虹灯的应用LED彩灯由于其丰富的灯光色彩低廉的造价和其控制简单等特点而得到广泛的应用。
有些彩灯控制器实现的团单一，体积过大，应用起来极不方便，为了更好的美化环境，是彩灯控制器适应不同的地点，不同的环境，而通过小型的数字集成器来设计更为实用的彩灯控制器，本次课程设计的目的是设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现：彩灯一亮一灭,从左向右移动；彩灯两亮两灭，从左向右移动；四亮四灭，从左向右移动；从1～8从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭；四种花样自动变换。
按照要求设计了电路，本电路使用555定时器构成振荡电路，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，数据选择器采用74LS153,74LS153里面有两个地址码共用的4选1数据选择器，通过输入不同的地址码就可以控制输出Y选择4个输出数据中的1个。
此器件在各种数字电路和单片机系统的显示系统中经常用到。
经过一系列的分析、准备。
本次课题设计除在美观方面处理得不够得当之外。
本次电路设计完成全部的设计要求。
关键字：555定时器；数据选择器；LED；四花样彩灯控制器第一章设计要求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；（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。
二、系统组成及工作原理2.1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，从而产生不同的动态效果。
一个电子开关由多谐振荡器、双D触发器、数据选择器组成。
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。
它的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。
2.2 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。
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。
三、电路方案设计3.1 电路图设计本电路图设计简单、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。
图 3.1 3.2 电路图仿真图3.2四单元电路设计与计算4.1 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 四种码表4.2由表4-2分析得：Z1=Q3Q2Q1Z2=Q3Q2Z3=Q3Z4=Q4所以四种码产生电路如图4.2所示：图 4.1 四种码产生电路4.2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(R1+2R2)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=1KΩ， R2=51KΩ， C=0.01μF由公式（4-1）计算得：T=0.721S 电路图如图4.2所示:图4.2 时钟电路另一个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 1=1KΩ， R2=1MΩ，C=0.01μF由公式（4-1）计算得：T=14.42S4.3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。
5_VI RTUA L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。
B （Q2）A （Q1） 1Y0 1 1 0 00 0 1 1 0Z1 Z3 Z4 Z2 Z14.4 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。
实验结果：1）一个灯时： 2）两个灯：四个灯时： 4）8个灯：五、安装调试5.1电路板安装及检查一、将原件插在电路板上，按电路图进行连线，并用电烙铁进行焊接注意事项：电路比较复杂，需要接线很多，焊点也很多，且焊点集中，焊接时一定注意不要将不该焊到一起的点焊一起了。
1、注意芯片的用法，特别是管脚的正确连接。
2、注意不要忘了将芯片的Ucc端和GND端接到电路上。
3、注意LED的正负极。
二、依次检查电路板的连线，看有没有焊错、虚焊或短路的地方，检查各芯片的电源和地是否接上，并调整过来。
检查无误后进行调试5.2 调试前面的检查无问题后，接通电源，进行调试，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。
5.3 故障及分析彩灯无规律变化：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、Q C 、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。
结论这个实验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，先将总体的功能分成多个部分来实现，这对电路设计思路的简化能起到很好帮助；并且能搞清各个模块的功能与实现要求操作的具体方法，对之后电路的检查也是很有帮助。
通过这次实验设计，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，如何布线等等，调试时也是，如何来对电路检查、修复故障。
并且，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。
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