数字电路彩灯课程设计.docx

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数字电路彩灯课程设计

前言2

彩灯控制器3

摘要3

一.设计任务4

二.设计要求4

三.设计方案4

总体方案的框图设计4

彩灯控制器具体电路5

555组成的振荡电路5

74LS160电路8

74LS138译码器电路11

74LS00、74LS10、74LS20的介绍14

四.仿真测试14

仿真软件介绍14

仿真图片展示15

整体效果图15

555定时器波形图17

计数器波形图17

彩灯波形图18

五.实物图片展示18

六.小结19

参考文献20

附录21

前言

伴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霓虹灯。

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。

但目前市场上各式各样的LED彩灯控制器大多数用硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同的场合、不同时段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率动态参数。

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、价格昂贵等缺点。

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。

利用控制器电路可是彩灯按一定的规律不断的改变状态，不仅可以获得良好的观赏效果，而且省电节能（与全部彩灯始终全亮相比较）。

此外，人们对于物质生活的要求也在逐渐的提高，不仅仅是对各种各样的生活电器的需要，也开始在环境的优雅方面有了更高的要求，比如日光灯已经不能满足人们的需要了，彩灯的运用已经遍布于人们生活的各个方面，例如卡拉OK包房，节日的装扮，家中的点缀。

这些不禁说明了我们对生活的要求有了质的飞跃，也说明科技在现实运用中有了较大的发展。

在这一设计中我们将涉及彩灯控制器的设计，从原理上使我们对这一设计有所了解，将其与我们的生活联系起来。

彩灯控制器

摘要

[摘要] 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。

[关键词]：

计数器，译码器,555

Abstract

Circulate the electric circuit of the colourful light a lot of, circulate the way is more multifarious, and has specialized programmable colourful light integrated  colourful light control electric circuits of the great majority all carry out with the numerical electric circuit of, for example, the colourful light control electric circuit that uses a medium scale integrated circuit realization mainly uses to count a machine, translating the code machine, assigning a machine and moving to deposit a machine etc.  double color of[with] this design's circulating colourful light controller is to use to count a machine and translate the code machine to carry out.

Keywords：

count a machine, translating the code machine,555

一．

设计任务

在文艺及休闲娱乐场所，各种图案的彩灯，若明若暗，相互映照，不仅增加了欢快的气氛，且给人以美的享受。

彩灯控制器就是将构成一定图案的彩灯按照人们的要求依照一定的规律周期性的亮暗变化，利用人的视觉特性，形成多姿多彩的光学效果。

彩灯控制器的原理框图如图1所示。

脉冲信号源产生一定频率的矩形波电压信号，驱动七进制计数器的工作，最后通过组合逻辑电路把七进制计数器的输出信号变换为驱动彩灯按一定的规律周期性或点亮或熄灭或闪烁的信号。

二．设计要求

设计一个彩灯控制器，要求如下：

（1）由3只彩灯（发光二极管）组成图案。

（2）控制红、绿、黄一组彩灯循环闪亮，变化的规律是：

红→红绿→绿→黄绿→黄→全亮→全灭→红。

（3）可以调整闪亮速度的快慢。

三．设计方案

总体方案的框图设计

（彩灯控制器框图）

彩灯控制器具体电路图

555组成的振荡电路

555的结构及其功能

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。

一般用双极型工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在~16V工作，7555可在3-18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

利用它可以方便地构成脉冲产生，整形电路和定时、延时电路。

具有功能强，使用灵活、方便等优点，在数字设备，控制电路，家用电器，电子玩具等许多领域有广泛的应用。

（555内部结构图）（555引脚图）

在数字系统中，为了使各部分在时间上协调动作，需要有一个统一的时间基准。

用来产生时间基准信号的电路称为时基电路。

555集成定时器就是其中的一种。

它是一种由模拟电路与数字电路组合而成的多功能的中规模集成组件，只要配少量的外部器件，便可很方便的组成触发器、振荡器等多种功能电路。

因此其获得迅速发展和广泛应用。

　　555集成定时器的工作原理如下：

如图所示为其内部电路结构图。

整个电路包括分压器，比较器，基本RS触发器和放电开关四个部分。

（1）分压器由三个5kΩ的电阻串联组成分压器，其上端接电源VCC（8端），下端接地（1端），为两个比较器A1、A2提供基准电平。

使比较器A1的“+”端接基准电平2VCC/3（5端），比较器A2的“-”端接VCC/3。

如果在控制端（5端）外加控制电压。

可以改变两个比较器的基准电平。

不用外加控制电压时，可用μF的电容使5端交流接地，以旁路高频干扰。

（2）比较器A1、A7是两个比较器。

其“+”端是同相输人端，“-”端是反相输入端。

由于比较器的灵敏度很高，当同相输入端电平略大于反相端时，其输出端为高电平；反之，当同相输入端电平略小于反相输人端电平时，其输出端为低电平。

因此，当高电平触发端（6端）的触发电平大于2VCC/3时，比较器A1的输出为低电平；反之输出为高电平。

当低电平触发端（2端）的触发电平略小于VCC/3时，比较器A2的输出为低电平；反之，输出为高电平。

　　（3）基本RS触发器比较器A1和A2的输出端就是基本RS触发器的输入端RD和SD.因此，基本RS触发器的状态（3端的状态）受6端和2端的输入电平控制。

图中的4端是低电平复位端。

在4端施加低电平时，可以强制复位，使Q=0.平时，将4端接电源VCC的正极。

　（4）放电开关图中晶体管VT构成放电开关，使用时将其集电极接正电源，基极接基本RS触发器的Q端。

当Q=0时，VT截止；当Q=1时，VT饱合导通。

可见晶体管VT作为放电开关，其通断状态由触发器的状态决定。

555定时器组成的多谐振荡

器

（555多谐振荡器）

由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。

这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。

充电时间常数T充=（R1＋R2）C。

不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。

电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。

由分析可知，电容上的电压Vc将在VT+与VT-之间往复振荡，VC和Vo的波形如图所示。

（电路的电压波形图）

由图中Vc的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间T2各为

T1=（R1+R2）Cln（Vcc-Vt-/Vcc-Vt+）

=（R1+R2）Cln2

T2=R2Cln（0-Vt+/0-Vt-）

=R2Cln2

故电路的振荡周期为：

T=T1+T2

通过改变R和C的参数即可改变振荡频率

振荡频率为：

F=1/T

电路输出波形的占空比为：

q（%）=（R1/（R1+R2））*100%

555振荡电路是为了产生脉冲信号，通过振荡电路中的电阻进行调节使得后面发光二极管时间发生改变，从而改变频率。

74LS160电路

结构及其功能

74LS160，是一个4位二进制的计数器，它具有异步清除端与同步清除端，不同的是，它不受时钟脉冲控制，只要来有效电平，就立即清零，无需再等下一个计数脉冲的有效沿到来。

具体功能如下：

1.异步清零功能

只要（CR的非）有效电平到来，无论有无CP脉冲，输出为“0”。

在图形符号中，C成为R的非的信号为CT=0，若接成7进制计数器，这里要特别注意，控制清零端额信号不是N-1（6），而是N（7）状态。

其实，很容易解释，由于异步清零端信号一旦出现就立即生效，如刚出现0111，就立即送到（CR的非）端，使状态变为0000.所以，清零信号是非常短暂的，仅是过渡状态，不能成为计数的一个状态。

清零端是低电平有效。

2.同步置数功能

当（LD的非）为有效电平时，计数功能被禁止，在CP脉冲上升沿作用下D0~D3的数据被置入计数器并呈现在Q0~Q3端。

若接成七进制计数器，控制数端的信号是N（7）状态，如在D0~D3置入0000，则在Q0~Q3端呈现的数据就是0110。

引脚图：

74LS160的内部结构图：

74LS160的真值表：

74LS138译码器电路

结构及其功能

译码器

译码器是组合逻辑电路的一个重要器件，其可以分为：

变量译码器和显示译码两类。

变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码器和8421BCD译码器两类。

显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可以分为驱动LED和驱动LCD两类。

三线八线译码器（74LS138）

三线八线译码器74LS138是中规模集成电路的组合逻辑部件。

概念：

译码器是一种多输出组合逻辑部件，它能将n个输入端变换成2^n个输出函数，并且每个输出函数对应于n个输入变量的一个最小项。

当输出函数的个数m=2^n时，该译码器称为完全译码器，又叫做“二进制译码器”，当m<2^n时，该译码器称为不完全译码器。

二进制译码器具有n个输入端，2^n个输出端和一个（或多个）使能端。

A0~A2：

地址输入端

STA（E1）：

选通端

/STB（/E2）、/STC（/E3）：

选通端（低电平有效）

/Y0~/Y7：

输出端（低电平有效）

VCC：

电源正

GND：

地

A0~A2对应Y0——Y7；A0,A1,A2以二进制形式输入，然后转换成十进制，对应相应Y的序号输出低电平，其他均为高电平；

74LS138功能：

三线八线译码器74LS138是

完全译码器，它有三个输入端八个输出端和三个使能端。

它的输出是低电平有效，即在使能端时，所有输出信号中只有一个为0的有效信号，对应为一个最小项mi和反mi，其余皆为1的无效信号。

74LS138译码器真值表：

输入

输出

STA

/STB

/STC

A2

A1

A0

/Y0

/Y1

/Y2

/Y3

/Y4

/Y5

/Y6

/Y7

×

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×

×

×

×

H

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H

L

74LS138译码器电路

（74LS138译码电路）

74LS138译码器内部电路：

无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出管脚，任何时刻要么全为高电平1，芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出管脚全为高电平1。

如果出现两个管脚在同一时间为0的情况，说明该芯片已经损坏。

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，Yo非~Y7非同时又是A2、A1、A0这三个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有三个附加的S1、S2非和S3非。

当S1=1、S2+S3=0时。

G8输出为高电平，译码器处于工作状态。

否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平。

74LS138译码器通过对74LS160计数器产生循环状态进行译码高低电平，使得发光二极管发光循环。

74LS00、74LS10、74LS20的介绍

74LS00二输入端四与非门 逻辑表达式

74LS10三输入端三与非门 逻辑表达式

74LS20四输入端二与非门 逻辑表达式

将计数器输出的二进制代码输入译码器中，得到输出结果：

Y红=m1+m2+m6

Y绿=m5+m6+m4

Y黄=m6+m4+m2+m3

A\BC

00

01

11

10

0

0

1

2

3

1

4

5

7

6

因此可根据以上得出，当给译码器连续输入二进制代码时，对应的红亮暗情况：

A

B

C

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

0

0

1

0

1

1

1

0

红

绿

黄

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

1

0

0

1

1

0

0

1

1

1

1

四.仿真测试

仿真软件介绍

ProSPICE混合仿真：

基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：

可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；多样的激励源：

包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；丰富的虚拟仪器：

13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；生动的仿真显示：

用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；高级图形仿真功能（ASF）：

基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。

仿真图片展示

整体效果图

555定时器波形图

计数器波形图

彩灯波形图

五.实物图片展示

六.小结

这个方案总共使用了74LS160，74LS138，74LS00，74LS20，555定时器各一个，74LS10两个。

在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。

做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了;我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋;正所谓“三百六十行，行行出状元”。

我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好?

我们不断的反问自己。

也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。

社会需要我们，我们也可以为社会而工作。

既然如此，那还有什么必要失落呢?

于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。

同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。

某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。

实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。

团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。

而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。

挫折是一份财富，经历是一份拥有。

这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。

同时，对给过我帮助的所有同学和指导老师再次表示忠心的感谢!

参考文献

《电子技术基础》康华光主编高等教育出版社

《电子电路》（基础实验与实践）顾江鲁宏主编东南大学出版社

《数字电路逻辑设计》（脉冲与数字电路第三版）王毓银主编高等教育出版社；

附录：

元器件清单

名称

参数

数量

555定时器

1

计数器

74LS160

1

译码器

74HC138

1

二输入与非门

74LS00

1

三输入与非门

74LS10

1

四输入与非门

74LS20

1

电阻

47K

1

电阻

500

3

滑动变阻器

5K

1

涤纶电容

1

电解电容

10uf

1

发光二极管

红

1

发光二极管

绿

1

发光二极管

黄

1

导线

若干