彩灯控制器的设计

安 徽 工 程 大 学 机 电

学 院

课 程 设 计 说 明 书 课程设计名称：电子技术课程

课程设计题目：彩灯控制器的设计

指导老师：查君君

专业班级：自动化1404

学生姓名：张晨

学号：[1**********]1

起止日期：2016.06.20-2016.07.01

任务书 设计题目：彩灯控制器的设计

设计任务：共有四个彩灯，分别实现三个过程，构成一个循环共12秒；第一个过程要求四个灯依次点亮，共4秒；第二个过程要求四个灯依次熄灭，共4秒，先亮者后灭；最后4秒要求四个灯同时亮一下灭一下，共闪4下。 要求： （1）根据设计要求，确定电路的设计方案，初选电路元器件，设置参数。

（2）仿真分析、测量电路的相关参数，修改、复核，使之满足设计要求，列出调试步骤。

（3）综合分析计算电路参数，验证满足设计要求后，画出总结构框图和逻辑电路图，简述各部分工作原理，认真完成设计报告。

引言

随着人们生活水平的提高，大家的生活环境也不断改善和美化。忙碌的一天生活过去，人们往往会去娱乐场所放松一下。节日的到来，城市中张灯结彩，举办节目来庆祝节日的到来。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，彩灯作为一种景观，安装在建筑物的适当地方一是作为装饰增添节日气氛，二是有一种广告宣传的作用，也可用在舞台上增强晚会灯光效果。通过彩灯控制器就可以控制彩灯显现出不同的过程，达到人们预想的装饰的作用。 通过数字电路方法利用四位双向通用移位寄存器以及四个发光二极管来实现。其中信号发生器采用脉冲发生器。用以提供频率为时钟信号；四进制分频器将时钟信号分频，产生时钟信号；三进制节拍控制器产生节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移、清零和送数功能。可由双向移位寄存器完成；灯光电路完成系统循环演示，这里采用LED模拟。

本设计所设计的控制器通过数字电路控制，它的器件量少、电路简单、操作方便，可以广泛的使用在家庭、宾馆、舞厅、剧院、广告等领域，极大的丰富了现代社会生活，在当今的社会里，彩灯已经成为我们生活的一部分，给我们带来视觉上的享受的同时还能美化我们的生活。

摘要 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，为了让彩灯达到预想的装饰作用，就需要一种简单实用的彩灯控制器。

通过数字电路方法利用四位双向通用移位寄存器74LS194以及四个发光二极管来实现。其中信号发生器采用脉冲发生器，用以提供频率为1Hz的时钟信号；四进制分频器将1Hz的时钟信号四分频，产生0．25Hz(即4S)的时钟信号；三进制节拍控制器产生3个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移、清零和送数功能，可由双向移位寄存器74LS194完成；灯光电路完成系统循环演示，这里采用LED模拟。设计的电路实现了三个过程：四个灯依次点亮，共4秒；依次熄灭，共4秒，先亮者后灭；四个灯同时亮一下灭一下，共闪4下。这种控制器可以对彩灯进行多样显示并且方便、简单。

该设计在proteus仿真软件上进行了仿真，验证了该设计方法正确性和有效性，技术性能达到了设计要求。

关键字：脉冲发生器、移位寄存器、led管、proteus仿真

目录

第一章：绪论

第二章：系统整体方案设计

2.1 方案一

2.2 方案二

2.3 选择的方案

第三章：所选方案各部分单元电路的设

计

3.1 节拍控制执行器单元电路

3.2节拍控制器单元电路

3.3彩灯设计显示单元电路

第四章：基于Proteus的软件仿真

4.1 整体的仿真图

4.2 对仿真结果的分析

第五章：总结

参考文献

附录：1、原理图

2、仿真图

第一章 绪论 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流水灯。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；Led彩灯由于它的特点成为了在装饰街道和城市建筑物的首选，但是，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，制成品只能按照固定模式闪亮，无法根据不同场合或不同时问段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外，从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。因此，有必要对现有的彩灯控制器进行改进。与市面上大多数的LED彩灯控制器相比，该种彩灯控制器具有灵活多变的点亮方式，性价比更高，与普通的全硬件LED彩灯控制器相比具有更好的经济效益。

因为社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们对商业空间的要求也越来越高。照明是店铺空间的重要组成部分之一，灯光设计能够吸引和引导消费者的目光。通过空间光环境的塑造，塑造出引人入胜的展示空间和展示形象，采用多种照明手法展示店铺主题形象，让人产生联想，唤起消费者的共鸣，建立与消费者互通的情感交流。1、食品店由食品摆放的差别分为柜台式和立柜式销售模式，不同的模式所采用照明方式也不同。由于食品本身的体积较小，色彩比较丰富，其照明的强度和显色要求较高。食品店一般由分柜台销售区、收银区和通道区组成。推荐产品配置：柜台销售区：立柜销售区：收银区：通道区：2、西点店西点店铺以经营面包、蛋糕为主，展示上就要求高显色，强调色泽鲜亮、新鲜等因素，对照明的要求较高。在满足上述展示的重点因素外，还需要营造一个舒适的购物环境。同时就西点店铺衍生出的就餐区域，照明应同时考虑功能性和就餐、休闲氛围的营造。现在已经高度广泛应用在酒吧，酒店，舞台，KTV，等商业作用的地方！同时彩灯技术在霓虹灯、广告彩灯、汽车车灯等领域中也广泛使用未来是的发展潜力是非常巨大的！

从目前彩灯发展的情况看，彩灯发展有如下的趋势：(1)向高效节能方向发展 首先是采用节能光源，然后是按照节能光的尺寸、形状，精心设计灯具的光学系统，真正提高灯光的有效利用率；（2）向集成可调化方向发展技术的迅速发展；（3)向多功能小型化发展随着紧凑型光源的发展；（4）向装配系列化转现代灯具的选型追求简洁明快。

第二章 系统总体设计方案

2.1 方案一 (1)利用555接成多谐振荡器（因其是一种自激振荡器，不需外加触发信号，便能自动产生脉冲）

(2)利用74LS160进行周期控制即利用合适的与非门非门接成适当进制的计数器，并利用起，其输出来控制74LS194的S0、S1使其实现左移右移和并行输入输出功能。

（3）、在74LS194的D0、D1、D2、D3端接合适的信号，输出端来控制LED。便可实现本设计。

2.2 方案二、

使用芯片：移位寄存器74ls194、与非门、脉冲发生器等，通过数字电路方法利用四位双向通用移位寄存器74LS194以及四个发光二极管来实现。其中信号发生器采用脉冲发生器，用以提供频率为1Hz的时钟信号；四进制分频器将1Hz的时钟信号四分频，产生0．25Hz(即4S)的时钟信号；三进制节拍控制器产生3个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移、清零和送数功能。可由双向移位寄存器74LS194完成灯光电路完成系统循环演示，这里采用LED

系统方图

2.3 方案的选择

方案1所用的原理是我们在模电和数电中学到，但它的设计原理很复杂。用软件虽然可以仿真出正确的结果，但到现实中进行电路的调试时就会很复杂，并且所需精力也比较多，所以不宜采用。

方案2所选的单元电路也是我们在模电和数电课上学到的知识，但这些单元电路很常用。它的整体结构也简单，便于调试，也容易出结果，并且能巩固我们所学的知识。

综合以上2种设计彩灯控制器的设计方案，通过考虑设计方案的设计复杂程度、调试难易程度方面，得出：应选用方案2优点：

使用元件少，电路设计简单。 缺点：价格相对较高，连线复杂。

优点：价格相对较低，连接线少。

缺点：设计偏难，使用元件较多。

第三章 所选方案各部分单元电路的设计 3.1

节拍控制执行器单元电路

由正弦方波信号源、

D触发器74ls74和与非门74l00组成脉冲电路，其中信号源U3与2个D触发器相连将1HZ的脉冲信号分频为0.25HZ的脉冲信号； 信号源U2、U3分别与节拍控制器产生的信号相与非为了产生对移位寄存器来说正确的冲击信号。

3.2 节拍控制器单元电路

利用三进制同步计数电路来实现控制节拍

由一个与非门和两个D触发器组成的三进制同步计数电路用于产生控制移位寄存器工作方式的S0 S1信号，计数周期为四秒，共有三个状态。 以S0 S1对应的触发器输出分别为Q0 Q1,则状态真值表如表所示 状态真值表

求出状态方程 根据列出的状态真值表，分别求出Q0 Q1的状态方程如下

求驱动方程

由

D触发器的特性方程直接写出驱动方程如下

电路实现

根据驱动方程，连接电路如图 就是一个同步的三进制计数器.

3.3彩灯设计显示单元电路

通过移位寄存器74LS194的四个输出端和四个发光的二极管阳极相连组成彩灯的显示单元电路，能够实现三个不同过程的彩灯显示

如图为移位寄存器

功能如下

A、B、C、D为并行输入端；QA、QB、QC、QD为并行输出端；SR为右移串行输入端；SL为左移串行输入端；S0、S1为操作模式控制端；CLR为直接无条件清零端；CLK为时钟脉冲输入端。

74LS194有5种不同操作模式：并行送数寄存；右移(方向由→)；左移(方向由→)；保持及清零。S0、S1和CLR端的控制作用逻辑功能如示

a、并行送数功能

CR=1、M1=M0=1时，CP上升沿可将加在并行输入端D0~ D3的数码d0~d3送入寄存器中。

b、右移串行送数功能

CR =1，M1=0，M0=1时，在CP上升沿的操作下，可依次把加在DSR端的数码从时钟触发器FF0串行送入寄存器中。

c、左移串行送数功能

CR =1，M1=1，M0=0时，在CP上升沿的操作下，可依次把加在DSL端的数码从时钟触发器FF3串行送入寄存器中。

如表所示为彩灯单元电路输出的真值表：

四路彩灯输出显示

由表可知，需要一个分频器起节拍产生和控制作用，每4s一个节拍，3个节拍共12s后反复循环。一个节拍结束后应产生一个信号到节拍程序执行器，完成彩灯渐亮、渐灭、同时亮、同时灭等功能。

分频及节拍控制可以用一个模12计数器来完成；彩灯渐亮、渐灭可以用器件的左移、右移功能来实现，因此可选用移位寄存器74194来完成。同时亮0.5s、同时灭0.5s可考虑把1Hz的秒脉冲信号直接加到输出显示端来完成。

综上所述，要完成四路彩灯显示功能需要有分频器、节拍控制器、节拍程序执行器及脉冲源等电路。

记第一，二，三节拍分别为

后Y0YYY0结束Y1马上开始，Y112有效时间应为4秒，Y2马上开始，如此循环不断。为此可考虑采用移位寄存器构成的移位型控制器。由于有三个状态，因此需要用三个触发器对现时状态进行记忆，为使各状态的有效时间间隔为4秒，则驱动该移位控制器动作时钟周期应为4秒。应在开机瞬间，使移位型控制器的状态被确定下来，即

触发器置位、复位来实现。 Y0YY12节拍应为100，可控制输入信号使

为实现Y0功能要求器件具有右移功能，为实现Y1功能要求器件有左移功能；而且左、右移输入可为“0”也可为“1”；为实现Y2功能，要求器件同时具有并行置数功能。因此可选用一种具有左移、右移和并行置数功能的通用移位寄存器74LS194。74LS194具有并行输入端A、B、C、D，并行输出端QA、QB、QC、QD，右移输入端SR，左移输入端SL和模式控制输入端S0，S1以及一个无条件直接清除端CLR。模式控制输入S0，S1有00、01、10、11四种组合方式，分别表示双向移位寄存器所具有的四种功能，即禁止、右移、左移和并行置数。为了使当Y0YY12

SSYYYSSYYYSS=100时，01 =01（右移），012=010时，01=10（左移），当012=001时01=11（并行置数）。

74LS194的输出端初态均为零，在开机瞬间，使移位控制端

下来，即 S0S1 的状态被确定Y0YY12 =100时，S0S1 =01 右移串行数据输入端 SR经脉冲信号经四分频电路和 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯从右到左依次亮共 4秒 ，当Y0YY12 =010 S0S1 =10 左移串行数据输入端 SL经脉冲信号经四分频电路和

Y0YY12 =001 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯从左到右依次灭共 4秒，

S0S1 =11 并行数据输入端 A、B、C、D经脉冲信号经四分频电路和 通过两或门组成的节拍电路，使四路彩灯同时为“ 1”0.5秒、同时为“0”0.5秒，重复4遍共4秒，完成一个循环共需12秒，12个CP脉冲。

第四章 基于Proteus的软件仿真

4.1整体仿真图

通过数字电路方法利用四位双向通用移位寄存器74LS194以及四个发光二极管来实现过程。其中信号发生器采用脉冲发生器，用以提供频率为1Hz的时钟信号；四进制分频器将1Hz的时钟信号四分频，产生0．25Hz(即4S)的时钟信号；三进制节拍控制器产生3个节拍循环的控制信号；节拍程序执行器完成在每个节拍下的系统动作，即数据的左移、右移、清零和送数功能。可由双向移位寄存器74LS194组成灯光电路完成系统循环演示。

4.2 仿真结果的分析

仿真结果如图所示

高电平时显示灯亮，低电平时显示灯灭，电平保持不变则灯的状态保持不变；在一个周期内（即12s），从图中的9s到13s内四个二极管依次点亮；13s到17s内四个二极管依次熄灭；17s到21s内四个二极管同亮同灭。在以后的周期内重复相同过程。

第五章 总结 本设计通过对彩灯的设计，训练学生对电子技术等内容的应用能力，掌握对电子产品设计的流程以及各种要求。课程设计主要培养学生综合运用所学的知识与技能分析与解决问题的能力，并巩固和扩大学生的课堂知识。通过课程设计学会查阅、使用各种专业资料和网上资源，并以严肃认真、深入研究的工作作风完成设计任务，逐步向工程技术员转变,培养毕业生独立完成任务的能力，体现和检验学生的综合设计能力，大力提高技术水平，培养新一代既有理论、又有动手能力的实用性人才，以适应国际建设和发展的需要。

在学习了数电和模电后，通过课程设计，可以帮助大学生学会综合运用各种知识，使得理论学习得到应用，对与大学生深刻掌握理论知识是很有帮助的，同时也帮助大学生提高独立分析问题和解决问题的能力，这对大学生以后的工作是很有帮助的。同时通过此次设计我也发现了自己在学习上的不足之处，对于基础知识的掌握和理解还有些欠缺，动手能力不强，在以后的学习中我要注意这一点并加以强化。

参考文献 [1] 贾秀美.数字电路实践技术（第一版）[M].中国科学技术出版社，2000. [2] 王毓银.脉冲与数字电路（第三版）[M].高等教育出版社，1999.

[3] 路勇.电子电路实践及仿真（第一版）[M].清华大学

[4] 岳怡.数字电路与数字电子技术（第一版）[M].西北工业大学出版社，

[5] 刘常澍.数字逻辑电路（第一版）[M].国防工业出版社

[6] 萧宝瑾.propel 99 SE操作指导与电路设计实例（第一版）[M].太原理工大学，2004

附录 原理图 仿真图