双色三循环方式彩灯控制器的设计

1四川航天职业技术学院电子工程系课程设计专业名称：G09飞行器电子装配技术课题名称：双色三循环方式彩灯控制器的设计设计人员：指导教师：王艳2010年12月02日《数字电子技术课程设计》任务书一、课题名称：双色三循环方式彩灯控制器设计二、技术指标：1、电源VDD=12v2、相邻两灯点亮的时间约在0.3-0.7s间可调，延时时间约在1-6s间可调3、计数器和译码器分别采用CMOS中规模集成电路CC4516和CC45144、译码器4145共16个输出。5、CMOS非门构成的振荡器的振荡周期T=1.4RC，555构成的振荡器的振荡周期T=0.7（R1+2R2）C三、要求：1、控制器有3种方式：方式A：单绿左移—单绿右移—单红左移—单红右移；方式B:单绿左移—全熄延时伴声音；方式C：单红右移—四灯红闪、四灯绿闪延时。2、控制器有8路输出，每路用双色发光二极管指示。3、由单刀三掷开关控制3种方式，每种方式用单色发光二极管指示4、论文格式按系下发的《课程设计格式要求》统一执行。5、要求原理图、印制板图、装配图三图齐全（印制板图和装配可合二为一）。指导教师：王艳学生：电子工程系2010年12月02日课程设计报告书评阅页课题名称：班级：姓名：2010年月日指导教师评语：考核成绩：指导教师签名：2010年月日目录彩灯控制器（摘要）…………………………………………………1第一章课题构思……………………………………………………1第二章方案设计与单元设计………………………………………1第三章原理说明……………………………………………………5第四章仿真分析及结果……………………………………………11第五章调式过程……………………………………………………14总结语……………………………………………………………………17参考文献………………………………………………………………18-1-摘要[摘要]:要求进一步掌握模拟电子技术,数字电子技术等课程的知识在本课程设计中的应用，熟悉电路的设计过程及设计方法，掌握课程设计的基本过程和课程设计报告的撰写方法。循环彩灯的电路很多，循环方式更是五花八门，而且有专门的可编程彩灯集成电路。绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的，例如，用中规模集成电路实现的彩灯控制电路主要用计数器，译码器，分配器和移位寄存器等集成。本次设计的双色循环彩灯控制器就是用计数器和译码器来实现，其特点用双色发光二极管，能发红色和绿色两色光。[关键词]：计数器，译码器，集成，双色二极管第一章课题构思1、用中小规模集成电路设计一台彩灯控制器。用计数器和译码器设制作一个双色三循环方式彩灯控制器。2、控制器有8路输出，每路用双色发光二极管指示。3、控制器有3重循环方式：方式A：单绿左移---单绿右移---单红左移---单红右移；方式B：单绿左移---全熄延时伴声音；方式C：单红右依---四灯红闪，四灯绿闪延时。4、由单刀掷开关控制3种方式，每种方式用单色发光二极管指示。5、.两灯点亮时间约在0.2～0.6S间可调，延时时间约在1～6S间可调。6、要求用DC-12V电源设计。7.原理图设计根据所确定的设计电路，利用Protel或EWB等有关工具软件绘制电路原理图、PCB板图；8.设计报告按《课程设计管理手册》规定的规范和要求书写。-2-第二章方案设计与单元设计近年来，由于中，大规模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。大规模集成电路，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，双色三循环方式彩灯控制器总体方案设计如下：1.据总的功能和技术要求，把复杂的逻辑系统分解成若干个单元系统，单元的数目不宜太多，每个单元也不能太复杂，以方便检修。2.各个单元电路由标准集成电路来组成，选择合适的集成电路及器件构成单元电路。3.各个单元电路间的连接，所有单元电路在时序上应协调一致，满足工作需求，相互间电气特性应匹配，保证电路能正常，协调工作。2.1基本原理设计任务中所要求的3种循环方式并不复杂，用中小规模集成电路就能实现。本控制应由方式选择，振荡器，控制电路，延时电路，蜂鸣器等组成，其框图如图1所示：图1双色三循环方式彩灯控制器框图2.2计数器和译码器本控制器的核心器件为计数器和译码器，分别采用CMOS中规模集成电路方式选择振荡器控制电路计数器译码器LED显示延时电路蜂鸣器-3-CC4516和CC4514。CC4516为16脚双列直插的中规模集成可预置数的4位二制加/减计数器（单时钟），其引脚如图2所示。CC4516有5中功能：置数，清零，不计数，加计数，减计数，具体功能如表1所示。CC4514是4为锁存/4线—16线译码器，其输出为高电平有效。CC4514具有数据锁存，译码和禁止输出3种功能。数据锁存功能由EL端施加电平实现，EL=0时，O0~O15保持EL置“0”前的电平；禁止端）E为高电平时，O0~O15全为低电平；因此，CC4514作为译码器使用时，EL应接高电平，E应接低电平，CC4514的外引脚如图2所示。图8CC4516引脚图图2CC4514引脚图-4-表1CC4516功能表2.3LED显示电路LED显示电路如图3所示。O15O14O13O12O11O10O9O8O0O1O2O3O4O5O6O7图3LED显示电路O0）~O15为译码器的输出。4514共有16个输出，而双色发光二极管只有8个，因此每两个输出接同一个发光二极管，接法如图3所示。发光二极管为双色三极发光二极管，其限流电阻有3种连接方法（16个限流电阻，8个限流电阻，1个限流电阻），本控制器采用8个限流电阻的方法。发光二极管的极限电流一般为20~30mA，发光二极管的压降约为2V，通过发光二极管的电流可取为10~15mA，以保证发光二极管有足够的亮度，而且这样又不易损坏发光二极管。2.4振荡器CPCEUP/DNPLMR功能×××10置数，既把数P3P2P1P0送O3O2O1O0中××××1清零，即O3O2O1O0全为零×1×00不计数，即O3O2O1O0保持不变0100加数器0000减数器-5-振荡器有多种振荡器电路，图4所示的振荡器比较简单常用，其中（a）图为CMOS非门构成的振荡器，（b）图为555构成的振荡器。CMOS非门构成的振荡器的振荡周期T=1.4RC，555构成的振荡器的振荡周期T=0.7（R1+2R2）C。图4振荡器2.5触发器-6-循环方式A的设计思路如下：PL=1UP/DN=1UP/DN=0UP/DN=1起始计数（置“1000”）加数器O15时计数器O0时计数器本循环彩灯控制器方式A的设计难点就是控制电路（循环功能能否实现在于控制电路是否起作用）。要实现循环功能，计数器既要加法计数，也要减法计数，即加法计数到O15时变为减法计数，减法计数到O0再变为加法计数，这可用触发器控制计数器的UP/DN端来实现。图5所示为由D触发器构成的二分频电路，O15和O0作为时钟信号，一个时钟触发器的状态翻转一次。图6（b）是利用D触发器的直接置“1”端和直接置“0”端来实现触发器的状态转换。图5（c）和（d）是由门电路组成的基本RS触发器，图5（c）RS输入为高电平有效，因此O15和O0可直接作为S与R的输入。图5（d）输入为低电平有效，O15，O0反向后作为触发器输入。除以上几种电路外，也可以直接用RS触发器或JK触发器来实现。经实践，图5所示的几种电路都能达到控制的作用。(a)-7-（b）（c）-8-（d）图5触发器控制电路2.6延时电路循环方式B的设计思路如下：PL=1UP/DN=1E=1置1000加计数器O15时延时延时电路可采用单稳态电路，O15的下降沿作为单稳态电路的触发信号。根据功能要求。可采用微分型单稳态电路，555构成的单稳态电路及分立元器件构成的单稳态电路，而下降沿触发的与非构成的微分型单稳态电路和555构成的单稳态电路较为理想。图6为与非构成的微分型单稳态电路，其中Cd，Rd为微分电路，当ui为窄脉冲触发时，Cd和Rd可省略。O15的下降沿作为单稳态电路的触发信号，因此O15要经微分和限幅后再触发单稳态电路。延时时间有RC决定。555构成的单稳态电路如图7所示，C1R1和VD起微分限幅作用。因此本电路要求低电平触发，没有触发的时候555的第2脚要为低电平，所以要接R2，对于R1和R2的阻值比要求比较严格，要保证没有触发的时候第2脚电压大于1/3VDD,-9-触发的时候电压小于1/3VDD。延时时间由RP和C2决定。图6与非构成的微分型单稳态电路图7555构成的单稳态电路-10-在循环方式C中，要实现单红右移，计数器应从“0000”开始递增，因此应先清零再加法计数。根据计数器和译码器本身无法使输出实现四灯红闪，四灯绿闪，因此，可通过延时电路给8个双色发光二极管加上振荡信号来解决。方式C的循环过程可表示为:MR=1UP/DN=1E=1消零加计数器O7时延时在设计时要注意，要求是在同一个电路中通过方式选择来实现3种循环功能，而不是设计3个电路。3种循环方式要互相隔离，如按方式A工作时则不能有方式B现象出现，因此可采用双向模拟开关CC4066进行隔离。第三章原理说明-11-工作原理图-12-PCB图-13-装配图-14-3.1工作原理3.1.1选择方式A指示LED10灯亮，VD19导通，开关刚接通瞬间C4短路，IC2的PL＝1，IC2计数器置数“1000”，电源接通瞬间，C2短路，触发器直接置零R＝1，即IC2的UP/DN=1,j计数器从“1000”开始计数，C2充电结束后，触发器R＝0，不起作用。当计数器到”1111”,O15＝1，VD2导通，同时IC4A倒通，触发器翻转，UP/DN＝0，计数器递减计数。3.1.2选择方式B指示灯LED6亮，VD20导通，开光刚接通瞬间，C4短路，PL＝1，IC2计数器置数“1000”，电源接通顺间，C2短路，触发器R＝1，触发器直接置零，UP/DN＝1，计数器从”1000”开始计数，IC4A断开，D触发器输出不变，UP/DN一直为一，计数器始终递增计数。当计数到“1111”时，O15＝1，IC8B导通，当O15从高电平变为低电平时，触发单稳态电路，IC6输出变为高电平，E=1,灯全部熄灭，IC7导通，CT1导通，蜂鸣器响。延迟时IC4C导通，PL＝1，计数器始终在置数“1000”，延迟结束时，E＝0，计数又从“1000”开始计数。3.1.3选择方式C指示灯LED10亮，开关刚接通瞬间，C3短路，MR＝1，IC2计数器清零，电源接通瞬间，C2短路，触发器R＝1，触发器直接置零，UP/DN＝1，计数器从“0000”开始计数，当计数器到“0111”时，O7＝1，因IC8A导通，当O7从高电平变到低电平时，触发单稳态电路，IC6输出为高电平，E＝1，IC3的O0～O15输出全为低电平，IC4导通，延迟时计数器清零，IC7与非门输出脉冲信号，VT2发射级输出脉冲信号送到双色发光二级管，使8盏灯四灯红闪四灯绿闪。延迟结束，计数器又从“0000”开始计数。第四章仿真分析及结果对于本控制器的三种循环方式，只选择A进行仿真。4.1控制器(方式A)的仿真-15-从元器件库中调出各种电阻、电容、集成块.发光二级管等元器件,在EWB6.0版本中无双色三极发光二极管，可用两个发光二极管代替，其中一个用红色发光二极管，一个用绿色发光二极管。在EWB6.0版本中，发光二极管亮时，红色发光二极管的双箭头会由空心变为红色实心，绿色发光二极管则由空心变为绿色实心。元器件调出后，对元器件的位置进行调整，使布局比较合理。将电位器的操作键由空格键改为a键，按a键或A键可改变电位器的阻值。X2为电平指示灯，高电平示指示灯亮，低电平示指示灯不亮。灯泡X1采用虚拟灯泡，双击灯泡使其工作电压设置为220V。继电器K1采用常开触点的继电器，注意继电器的脚号连接要正确。双击交流电源U2，将交流电的工作电压设置为220V，工作频率设置为50HZ。XSC1为示波器图标。由于CMOS集成电路的输入端不允许悬