循壞彩燈控制電路設計

摘要

本次電路設計利用555定時器、計數器等設計LED彩燈控制電路。通過按鍵實現如下循環特性：當按鍵沒有按下時8個彩燈交叉循環點亮；即在前四秒第1、3、5、7盞燈依次點亮、后四秒內8、6、4、2盞燈依次點亮，而當按鍵按下一次后(按下兩次等效于沒有按下)，實現8盞燈依次循環點亮(產生燈光追逐音樂、活躍氣氛的效果)，并設計成同步電路模式。

用555定時器設計的多諧振蕩器來提供時序脈沖，其優點是在接通電源之后就可以產生一定頻率和一定幅值矩形波的自激振蕩器，而不需要再外加輸入信號。之后脈沖信號輸入到計數器，同時將計數器輸出端QC、QB、QA接到譯碼器的輸入端，當譯碼器輸出電平為低電平時，與其相連接的LED會變亮。LED 采用共陽極連接，并串.上500Ω的電阻。電路由按鍵SPST_ NC_ SB控制，使彩燈進入到不同的循環模式。

電路圖連接好后，經Multisim軟件調試測試，電路可以實現設計要求，即實現從題中要求的交叉循環顯示和音樂序列的循環顯示。整體電路采用同步電路模式，采用TTL集成電路，電壓Vec均為5V。運用了所學的555定時器、譯碼

器、計數器與邏輯門電路等相應的電路器件,提高了對于數字電子技術這門專業基礎課的認識與理解，在實踐中發現不足，努力改正，提高了我自學、創新等能力，同時我們也掌握了相應設計電子電路的能力，有利于今后對于專業課程的學習。

關鍵詞: 多諧振蕩器（LM555CM），順序脈沖發生電路，              計數器，譯
碼器彩燈，循環控制

目錄

第一章  緒論

1.1  課題設計背景

1.2  課程設計目的

1.3  課程設計要求

1.4  元器件清單

第二章  電路原理概訴

2.1  555定時器

2.2  多諧振蕩器

2.3  順序脈沖發生器

2.4  計數器(74LS161) 和譯碼器(74LS138) 的邏輯功能

2.5  彩燈循環系統

第三章  各功能塊電路圖

3.1  電路組成框圖

3.2  多諧振蕩器

3.3  順序脈沖發生電路

3.4  彩燈循壞電路

3.5  仿真電路總圖

結論

致謝

參考文獻

  數字電子技術實驗是一門重要的實踐性技術基礎課程，開設本課程的在于使學習理論聯系實際，在老師的指導下完成大綱規定的實驗任務。開發我們分析問題或解決問題的能力，培養嚴謹的工作作風，實事求是的科學態度，刻苦鉆研、勇于探索和創新的開拓精神以及遵守紀律團結合作和愛護公物的優良品質。 近年來，由于集成電路的迅速發展，使得數字邏輯電路的設計發生”了根本性的變化。在設計中很多的使用中規模集成電路，不僅可以減少電路組件的數目。使電路簡化。而且能提高電路的可靠性，降低成本。因此集成電路來實現現更多更復雜的器械前景成為必然。

  現代生活中，彩燈越來越成為人們的裝飾品，它不僅能美化環境，渲染氣氛，還可用于娛樂場所和電子玩具中。絕大多數的彩燈控制電路都是用數字電路來實現的，例如，用中規模集成電路實現彩燈控制器主要用計數器，譯碼器，分配器和移位寄存器關等集成。

流水燈是一串按一定的規律像流水一樣連續閃亮的燈的組合，流水燈控制是可編程控制器的一個應用，其控制思想在工業控制技術領域也同樣適用。流水燈控制可用多種方法實現，如單片機I/0口控制，雙向位移寄存器控制，計數器循環控制等，本次選用計數器和譯碼器做控制電路，其脈沖產生由555定時器構成 的多諧振蕩器構成，再通過三線八線譯碼器輸出給發光二極管，實現了所需要的功能。

1) 鞏固和加強《數字電子技術基礎》課程的理論知識;

2) 掌握電子電路的一般設計方法，了解電子產品研制開發過程;

3) 掌握電子電路安裝和調試及故障排除方法，學會用Multisim軟件對進行電路仿真操作;

4) 通過查閱手冊和文獻資料，提升獨立分析問題和解決問題的能力;

5) 培養創新能力和創新思維。

1) 提出設計方案;要根據指導教師布置的課題，學會找參考書籍、查閱手冊、圖表和文獻資料等。通過獨立思考，深入鉆研有關問題，學會自己分析解決問題的方法;

2) 通過實際電路方案的分析比較、設計計算、元件選取、安裝調試等環節，初步掌握簡單實用電路的分析方法和工程設計方法;

3) 學習電子設計自動化EDA (Electronic Design Automation) 工具Multisim并設計電路圖，功能仿真;

4) 掌握常用儀器設備的正確使用方法，學會簡單電路的實驗澗試和整機指標測試方法，提高動手能力，能在教師指導下，完成課程任務。按任務要求，設計電路，計算參數，選擇元器件。根據所沒計的電路和所選擇的元器件制板，焊接安裝電路，并按照調試步驟進行調試。逐步排除故障最終達到設計要求;

5) 撰寫設計報告， 寫出設計與制作的全過程，附上有關資料和圖紙及心得體會了解與課題有關的電子線路以及元器件工程技術規范。

6) 培養嚴肅認真的工作作風和科學態度。通過課程設計實踐，逐步建立正確的生產觀念、工程觀念和全局觀點;

7) 利用555定時器、計數器等設計LED彩燈控制電路。要求有原理電路、EDA仿真和實際電路;

8) 彩燈循環控制的功能要求為:通過按鍵實現如下循環特性，當按鍵沒有按下時8個彩燈交叉循環點亮，即在前四秒內第1.3、5、7盞燈依次點亮，后四秒內8、6、4、2盞燈依次點亮，而當按鍵按下一次后(按下兩次等效于沒有按下)，實現8盞燈依次循環點亮(產生燈光追逐音樂、活躍氣氛的效果);

9) 要求設計成同步電路模式;

10) 參考器件: 該電路可由555定時器、同步4位二進制計數器74HC161，3線-8線譯碼器/分配器74HC138等組成。也可由學生自行選擇器件。

多諧振蕩電路仿真

圖示1

產生信號脈沖的方法很多，這里選用的是多諧振蕩器。它可以在接通電源后產生一定頻率和一定幅值的矩形波，用作脈沖信號源。由于555定時器內部的比較器靈敏度較高，而目采用差分電路行式，用5555定時器組成的多諧振蕩器振蕩頻率手電源電壓和溫度變化的影響很小，使產生的波形更穩定，所以我們選用555定時器組成多諧振蕩器。接通電源后，電容C1被充電，當Vc上升到2/3Vec時，使Vo為低電平，同時555定時器內部的放電三極管T導通，此時電容C1通過R2和三極管放電，Vc下降。當Vc下降到1/3Vcc時，Vo翻轉為高電平。電容C1放電所需時間為T2=R2*C1*1 n2≈0.7R2*C1當放電結束是，T截止，Vcc通過R1、R2及電容C1充電，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需時間，即為電容C1充電所需時間為T1=(R1+R2)*Cl*1n2≈0.7(R1+R2)*C1當Ve上升到2/3Vcc時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出端就得到一個周明性的矩形波。T=(R1+2R2)*C1*1n2≈0. 7 (R1+2R2)*C1電容C2取10nF，將電源Vec中雜質成分濾除，起到抗干擾作用。

  考慮到彩燈循環點亮的時間要求，故設計出多諧振蕩器的振蕩周期為1s，即振蕩頻率為1Hz。由于T=(R1+2R2)*C1*1n2≈0. 7(R1+2R2)*C1=1s，取C1=lμ F,可得R1+2R2=1442 kQ，取R1=442kQ，R2=500k∩。占空比q=( R1+R2)/ (R1+2R2) ≈0.65，將各原件按照電路圖所示與555定時器相連接，即得到所需多諧振蕩器，從而產生脈沖信號。

555定時器是由比較器C1和C2，基本RS觸發器和集電極開路的放電三極管T三部分組成。Ve是比較器C1的輸入端，Va是比較器C2的輸入端。C,和C的參考電壓Vn和Vx由Va經三個五千歐電阻分壓給出。在控制電壓輸入端Vo懸空時,Vn=2/3Vc, Vn=1/3Vcc. 如果Vo外接固定電壓，則Vm=Ve，V=1/2Voo ，R是置零輸入端。只要在R端加上低電平，輸出端Vo便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態的影響。正常工作時必須使R處于高電平。

555定時器是一種中規模集成電路，只要在外部配上適當阻容元件，就可以方便地構成脈沖產生和整形電路。

積分電路的電路圖如圖2所示。當R＞＞1/ωC 時， 。所以

　　

所謂RC(Resistance-Capacitance Circuits)電路，就是電阻R和電容C組成的一種分壓電路。如下圖所示，輸入電壓加于RC串聯電路兩端，輸出電壓取自于電阻R或電容C。由于電容的特殊性質，對下圖(a)和(b)不同的輸出電壓取法，呈現出不同的頻率特性。由此RC電路在電子電路中作為信號的一種傳輸電路,根據需要的不同，在電路中實現了耦合、相移、濾波等功能,

順序脈沖發生電路仿真

圖示 2

在設計中需要系統按照事先規定的順序進行一-系列的操作。這就要求統的控制部分能給出- ~組 在時間上有-定先后順序的脈沖信號,再用這組脈沖形成所需要的各種控制信號。順序脈沖發生器就是用來產生這樣一組順序脈沖的電路。

本題采用計數器和譯碼器組合成順序脈沖發生器， 用4位同步二進制計數器74LS161和3線一8線譯碼器74LS138構成順序脈沖發生器電路。以74LS161的低3位輸出QC、QB、QA作為74LS138的3位輸入信號。

由74LS161的功能表可知，為使電路工作在計數狀態，LOAD、 CLR、ENP 和ENT均應接高電平。由于它的低3位觸發器是按八進制計數器連接的，所以在連接輸入CLK信號的情況下，QC QB QA的狀態將按000一直到111的順序反復循環，并在譯碼器輸出端依次輸出YO’至Y7’的順序脈沖。

按照題目要求，通過按鍵實現如下循環特性，當按鍵沒有按下時8個彩燈交叉循環點亮，即在前四秒內第1、3、5、7盞燈依次點亮，后四秒內8、6、4、2盞燈依次點亮，而當按鍵按下一次后(按下兩次等效于沒有按下)，實現8盞燈依次循環點亮(產生燈光追逐音樂、活躍氣氛的效果)。可知，當按鍵沒有按下時，74LS138(U2)工作，此時，74LS138 (U5)不工作，則輸出電平均為高電平，將74LS138(U2)輸出端的依次與74LS138 (U5)輸出端的Y0' Y2' Y4' Y6' Y7’Y5'Y3’Y1'做與運算，后分別連接到對應的LED的陰極上。此時做與運算對74LS138(U2)輸出的電平無影響，此時，在前四秒內第1、3、5、7盞燈依次點亮，后四秒內8、6、4、2盞燈依次點亮。當按鍵按下之后，同理可知，LED的亮與滅由74LS138 (U5) 輸出端的電壓決定。譯碼器的輸入端CBA由000變化到111的過程中，輸出端只有一端輸出低電平，此時對應連接的LED會亮。由多諧振蕩器輸入脈沖信號，計數器工作，其輸出端QC、QB、QA 的依次累加，是譯碼器的輸出端依次變為低電平，從而實現了LED的循環閃爍。

例如，當74LS138(U2)工作時，計數器的輸出端QC、QB、 QA 為000時，則譯碼器的輸入端CBA也為000，此時Y0'低電平，由于另一個譯碼器未工作，則其輸出端輸出均為高電平，求與運算，不影響對LED的控制，此時LED1亮，當下一個時序脈沖輸入到計數器是，則QC、 QB、 QA變為001，從而使LED3亮，其余不亮，以此類推，實現循環。

1)74LS161是常用的4位二進制可預置的同步加法計數器， 從74LS161功能表功能表中可以知道，當清零端CLR=“O”，計數器輸出QD、QC、QB、QA立即為全“O”，這個時候為異步復位功能。當CLR=“1”且LOAD=“O”時，在CLK信號上升沿作用后，74LS161輸出端QD、QC、QB、QA的狀態分別與并行數據輸入端D，C，B，A的狀態一樣，為同步置數功能。而只有當CLR=LOAD=ENP=ENT=“1”、CLK脈沖上升沿作用后，計數器加1. 74LS161 還有一一個進位輸出端RCO。合理應用計數器的清零功能和置數功能，一片 74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器。

2)譯碼器(74LS138) 是常用的3線一8線譯碼器，74LS138有三個附加的控制端，當輸入為高電平(G1=1)， 譯碼器處于工作狀態。否則，譯碼器被禁止，所有的輸出端被封鎖在高電平。這三個控制端也叫做“片選”輸入端，利用片選的作用可以將多篇連接起來以擴展譯碼器的功能。帶控制輸入端的譯碼器又是一個完整的數據分配器。74LS138為3線-8線譯碼器，共有54/745138 和54/74LS138兩種線路結構型式，其工作原理如下:當一個選 通端(G1 )為高電平,另兩個選通端(/(G2A)和/(G2B))為低電平時，可將地址端(A、B、C)的二進制編碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。利用G1、/(G2A)和/(G2B)可級聯擴展成24線譯碼器;若外接一個反相器還可級聯擴展成32線譯碼器。若將選通端中的一個作為數據輸入端時, 74LS138還可作數據分配器。

彩燈循環電路仿真

圖示 3

彩燈循環系統是整個設計的最后的顯示部分，也是最直觀明顯的顯示設計成果的關鍵。將順序脈沖發生器產生的順序脈沖加到彩燈，上之后，可以使彩燈產生循環閃爍的效果。 8個LED采用共陽極接法，輸入電壓為5V，并串聯500日，作為保護電阻使用，以免LED的電壓過大。所以在使用LED時，要接上拉或下拉電阻，選一個適中的，這是要根據發光二極管正向內阻，發光二極管正向電壓降、正常工作電流決定的。發光二極管正向壓降為1.66V，正常工作電流為5mA，當選擇500Q電阻。發光二極管正向內阻為1. 66V/5mA=3320，而5* {332/ (332+500)}≈1. 995V>1. 66V，發光二極管會發光。如圖11所示，二極管兩端電壓也會穩定在1.66V (閾值電壓)。此時，當譯碼器輸出端輸出為低電平時，對應的LED就會變亮，在下一-次脈沖來臨之前，將一直保持。當進入到下一次脈沖時，譯碼器的另一個輸出端變為低電平，此時另一個LED會變亮，如此循環。

74LS08D圖示 4

其真值表如圖所示：

電路進行仿真模擬，每間隔1s，LED變換-一次，如此循環閃爍。與多諧振蕩器的振蕩周期一致，符合預期。當按鍵沒有按下時8個彩燈交叉循環點亮，即在前四秒內第1、3、5、7盞燈依次，后四秒內8、6、4、2盞燈依次點亮，而當按鍵按下一次后(按下兩次等效于沒有按下)，實現8盞燈依次循環點亮(產生燈光追逐音樂、活躍氣氛的效果)。采用同步電路模式，運用相應的芯片，基本實現了彩燈循環閃爍的功能。當多諧振蕩器產生時序脈沖信號時，計數器被觸發會產生順序脈沖信號，彩燈的狀態也會隨著脈沖信號的改變而改變。

本次課程設計是彩燈循環控制電路的設計。我們按照老師提示和題目要求，運用555計時器構成多諧振蕩器來產生脈沖信號,由計數器和譯碼器對產生順序脈沖，最后來驅動LED,實現了彩燈的循環閃爍。采用的方法簡單易行，便于理解，成本較低。但我們也意識到方法太過單-，能實現的功能十分有限。其實，對于實現同一功能，我們會有不同的選擇，本題設計時，彩燈與彩燈之間的顯示時間間隔還可以通過改變信號的頻率來改變，當然，也可以采用分頻器進行設計。簡潔也就是我們所希望做到的設計風格。在使用Multisim做仿真時，用555多諧振蕩電路產生的脈沖信號太慢。開始一直以為是連線或者參數選擇錯誤，檢查驗證了很多遍，后來通過上網查閱資料才知道Multisim10的傳遞函數普遍偏慢，無法產生預想的脈沖頻率，故用電壓脈沖方波信號代替。總電路圖畫好后還出現了很多問題，但是在不斷的思考和改善電路后，終于得出預想的結果。在這過程中，我學到了如何利用Multisim等學習軟件實現數字電路的設計仿真。
  

從電路圖的設計、實現、仿真到實驗報告，我們都有自己的努力，在這短短的幾天內，從課本理論知識到實際的理解，從題目中的簡單計算到設計運用中的精心推敲，我們把數電知識的學習上升了一個層次，真正賦予了這門課程實際意義與價值。我們充分認識到理論結合實際的重要性，在設計過程中，我們依然會遇到一些難題，這暴露了我們理論知識掌握不夠全面的弱點。于是，遇到難題的時候，我們及時回歸理論，向書本和網絡求教，這種互為補充的過程幫助我們發現不足，完善自己的只是構架，體現了理論與實踐并行的意義。希望這次設計實踐是一次全新的開始，我們可以在此基礎上提高創新意識，發散創新思維，在專業方面做得更好。

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