彩灯循环显示控制电路设计Word格式.docx

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3、2013年7月1日至2013年7月4日，电路调试和设计说明书撰写。

4、2013年7月5日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

指导教师签名：

年月日系主任（或责任教师）签名：

年月日摘要随着时代的发展，各式各样绚丽的霓虹彩灯出现在许多的场合，LED彩灯由于其丰富的灯光和色彩，低廉的成本及控制简单等特点而得到了广泛的运用。

本设计利用多种中小规模集成电路构成彩灯控制电路，主要分为时钟产生电路、循环控制电路、数列产生电路、显示电路四个部分。

实现了自然数列、奇数数列、偶数数列、音乐符号数列地循环显示功能。

时钟产生电路利用555定时器和D触发器构成周期为0.5s2s连续可调的方波信号；

循环控制电路利用CD4518计数器和74HC139译码器构成具有上电自动清零、可自动循环功能的电路；

数列产生电路利用CD4518计数器的不同接法实现特定的数列的输出，从而通过逻辑门与数码显示管连接。

设计的思想是以最少的芯片数量，制作成体积小、功耗低，并且具有很好的可靠性和可扩展性。

关键词:

循环控制数列集成电路数码管AbstractAlongwiththetimedevelopment,everykindofcolorfullightsappearinmanyoccasions,becauseofitsrichLEDlights,lightingandcolor,lowcostandsimplecontrolcharacteristicsandawiderangeofapplications.Thisdesignusingavarietyofsmallandmediumscaleintegratedcircuitlightscontrolcircuit,clockgeneratingcircuit,mainlydividedintocirculationcontrolcircuit,seriesgeneratingcircuit,displaycircuitfourparts.Toachieveanaturalseries,seriesofoddnumbers,evennumbers,musicsymbolsequencecycledisplayfunction.Theclockgenerationcircuitusing555timerandDtriggercyclefor0.5s2scontinuouslyadjustablesquarewavesignal;

circulationcontrolcircuitusingtheCD4518counterand74HC139encoderwithelectricautomaticresetcircuit,automaticcirculationfunction;

sequencegenerationcircuitusingCD4518counterdifferentjointimplementationofspecificsequenceoutput,therebyconnectingpipethroughthelogicgatewithdigitaldisplay.Designthinkingistheminimumnumberofchip,madeintoasmallvolume,lowpowerconsumption,andhasagoodreliabilityandscalability.Keywords:

circulationcontrolseriesintegratedcircuitdigitaltube1主要任务及技术要求1.1主要任务以LED数码管作为控制器的显示元件，它能自动地依次显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、2、4、6、8（偶数列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音乐符号数列），然后由依次显示出自然数列、奇数列、偶数序列，音乐符号序列.如此周而复始，不断循环。

1.2技术要求技术要求打开电源时，控制器可自动清零。

每个数字的一次显示时间基本相等，这个时间在0.5s到2s范围内连续可调。

2设计方案比较2.1系统设计方案比较系统设计方案比较方案一图2-1单片机控制框图此方案采用可编程器件STC89C5X系列芯片，根据设计任务要求，对单片机进行编程，采用循环数组的方式控制数码管的显示。

利用单片机来设计彩灯循环显示电路已经成为主流，单片机的优点时设计简单，容易实现，只需一个简单的程序就可以完成复杂的功能，彩灯的各种漂亮的显示都是有赖于单片机的快速发展和应用，在我们的生活中单片机的应用会越来越多，分量会越来越重，各个方面都将有单片机发展的一席之地。

此方案所用芯片较少，电路简单易掌握，但对于数电知识学习帮助不大。

方案二图2-2计数器控制框图这个电路框图可以实现设计的要求，依次输出自然数列，奇数序列，偶数序列还有音乐数列，各序列可通过同一芯片的不同接法实现，也可用不同芯片实现，而且还可以通过一个循环电路使之循环输出，序列的输出顺序由译码器控制，由数码管输出各序列，其显示的间隔时间也可以通过调节脉冲信号的频率来进行调整，而脉冲信号可由脉冲产生电路实现，也可直接用脉冲信号源。

此方案的具体设计思路如下：

1.利用555定时器来实现连续可调的脉冲，以实现序列时间间隔变化的控制。

2.用CD4518计数器和74HC139译码管实现各循环序列的显示。

3.用CD4518二-十进制同步计数器的不同接法实现奇数列、偶数列以及自然数列、音乐数列的显示。

4.用74LS48七段数码管译码器及数码管完成序列的输出显示。

利用中小规模集成电路组成该循环控制电路，由CD4518二-十进制同步计数器和74HC139二线-四线译码器组成。

优点是电路简单，功能稳定；

缺点是电路修改较为麻烦。

由四个CD4518二-十进制同步计数器分别构成四种数列的产生器，输出通过逻辑门共同接到数码管的译码器上。

2.2数列的循环方案比较方案一图2-3用74LS194构成的循环电路原理图这个电路图实现循环主要是依靠74LS194的移位功能来完成的。

先让开关J1拨至与电源相接，就是接入高电平，这样移位寄存器有了脉冲信号之后就可以实现置数的功能，四个输出端为1000，再将开关J1拨至与地相接也就是接入低电平，这时寄存器就可以实现移位的操作了，然后通过脉冲信号的触发下，寄存器的输出就可以从1000010000100001，这样依次循环了。

然后四个输出端用来控制计数器的信号控制端就可以控制序列输出了。

循环电路的设计采用74LS194移位寄存器，通过74LS194移位寄存器的四个输出端子分别控制四个计数器工作，74LS194的功能表如表1，引脚图如图3-4。

表174LS194的功能表输入输出清零CLR控制信号串行输入时钟CLK工作状态S1S0右移左移00100保持1010

（1）右移1100

（1）左移111置数图2-474LS194引脚图方案二要让四个数列依次循环则采用一个2线-4线译码器和一个四进制计数器。

用译码器的输出依次去控制芯片清零端，在通过一个四进制计数器去控制译码器输入，使其在四个输出间不断循环，而计数器的时钟脉冲则可通过每个芯片的进位端经过一四输入或门输出来控制。

如图3-5。

图2-5循环控制电路图表274LS139的功能表输入输出GBAY3Y2Y1Y0111110001110001110101110110110111图2-6CD4518引脚图图2-774LS139引脚图这两种方案都可以实现数列的循环，第一种方案需要拨动开关，而第二种就不需要可以自动依次产生数列。

另外第一种开关使其依次产生序列还需要一个脉冲控制，而在设计总体的电路的时候四个计数器也需要有脉冲信号的触发，这样的话就要多设计一个方波脉冲的产生电路，另外还要与计数器的脉冲信号匹配，因为74LS194的移位是要一个计数器的全部数列产生完后才下一个脉冲，这样不是很好与计数器的脉冲频率想匹配。

但是第二个方案就很好的解决了这个问题，这个方案的数列循环部分就是依靠芯片CD4518和74HC139也就是一个计数器还有一个译码器来实现的。

CD4518的脉冲信号是由计数器的进位端来控制的，这样就很好解决了方案一的问题，只有当一个计数器的全部数列输出完了之后才会有脉冲信号过来触发CD4518让它进入下一个状态，这样就是由电路自己控制的，不会产生方案一的问题。

2.3数字显示的部分数字显示的部分这个部分是利用CD4518计数器来实现的。

根据数列不同的特点来连接电路的。

电路图如图（以自然序列为例）。

图2-8自然序列的实现电路图显然这种方案已显得很简便。

故本课设选用这个电路作为数字显示部分。

具体原理分析见后面的分析部分。

2.4脉冲信号的产生产生信号脉冲的方法很多，这里我在设计的时候选用的是用多谐振荡器，它是一种在接通电源后，就能产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，常做为脉冲信号源。

由于不用接输入信号就可以产生所需要的矩形波，所以在设计的时候就选用这个方案。

而选用的电路是用555定时器构成的，因为555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用它组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，这样使产生的矩形波更稳定。

2.5方案的确定在数列循环的部分我采用的是用一个四进制计数器和一个译码器来实现的，这样避免了脉冲的混乱。

在数列显示部分用的是芯片74LS160的计数器的计数功能实现的。

在脉冲信号产生的环节则就是采用555定时器构成的多谐振荡器。

3单元电路的设计及其原理单元电路的设计及其原理3.1数列循环电路的设计数列循环电路的设计在这个部分主要是应用了一个四进制的计数器和一个译码器，这个部分的作用是为了使自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐序列的循环显示。

其中四个CD4518计数器的进位端与74HC139的CPA相接，这样就可以通过进位端状态由0变为1的瞬间给它一个脉冲触发，而另一个脉冲端则是与其输出端QA相接的，这样的接法是为了使74HC139实现8421BCD码十进制计数的功能。

然后再让74HC390的输出端QA，QB分别与译码器74HC194相接，这样可以用译码器来控制计数器的动作状态，它可以决定由哪个CD4518计数器来工作。

当QA,QB为“0”，“0”时，这时译码器的输出端就只有Y0为0，接一个反相器然后再接产生自然序列的计数器的清零端;

这样就可以实现只有自然序列输出的功能，同理当QA,QB为“0”,“1”时，这是译码器的输出端就只有Y1为0，接一个反相器然后再接产生奇数序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有奇数序列输出的功能;

当QA,QB为“1”,“0”时，这是译码器的输出端就只有Y2为0，接一个反相器然后再接产生偶数序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有偶数序列输出的功能;

当QA,QB为“1”,“1”时，这是译码器的输出端就只有Y3为0，接一个反相器然后再接产生音乐序列的计数器的清零端，这样就可以实现只有音乐序列输出的功能。

其产生序列的功能就是这样实现的。

图3-1循环控制电路3.2序列显示电路的设计序列显示电路的设计3.2.1十进制自然序列的显示电路十进制自然序列的显示电路由于CD4518本身就是一个十进制计数的芯片，因此对于这个部分就只需按照其功能表来接电路就可以实现十进制自然序列输出了。

在脉冲信号的触发下，计数器的输出端的状态依次为0000000100100011010001010110011110001001，然后再将计数器的输出端和数码管的输入端口相接就可以在数码管上面看到依次显示从0到9了。

其序列显示电路4-2。

图3-2自然序列显示电路图3.2.2奇数序列显示电路奇数序列显示电路将奇数1，3，5，7，9用8421BCD码分别表示为：

“0001”，“0011”，“0101”，“0111”，“1001”，可以发现最后一位都为1，因此可以在上述十进制自然序列的基础上将数码管的最低位接高电平就可以实现奇数序列了。

虽然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但是由于数码管最低位接高电平，在数码管显示的则是奇数列，但是显示的时间间隔是正常自然序列的2倍，为了实现相邻显示时间间隔相等，我们可以利用二分频电路解决上述问题。

其序列显示如图3-3。

图3-3奇数列序列显示电路3.2.3偶数序列显示电路偶数序列显示电路将偶数0，2，4，6，8用8421BCD码分别表示为“0000”，“0010”，“0100”,“0110”,“1000”,可以发现最后一位都为0，因此可以在上述十进制自然序列的基础上将数码管的最低位接低电平就可以实现偶数序列了。

虽然在每个脉冲触发的作用下，芯片实现的仍然是十进制，但是由于数码管最低位接高电平，在数码管显示的则是偶数列，但是显示的时间间隔是正常自然序列的2倍，为了实现相邻显示时间间隔相等，我们可以利用二分频电路解决上述问题。

其序列显示电路图如图3-4。

图3-4偶数列序列显示电路3.2.4音乐序列显示电路音乐序列显示电路音乐序列的特点是从0显示到7后又再变为0，这里可以将数码管的最高位固定接低电平就可以实现了。

因为CD4518的输出端只有三个与数码管相接，当CD4518的输出为“1000”和“1001”时，这时由于数码管最高位是固定接低电平的，也就是数码管的输入端仍是“0000”，“0001”。

这样数码管的显示就又变成0和1了。

其序列显示电路图如图3-5图3-5音乐序列显示电路图3.2.5显示电路整体显示电路整体四个数列产生电路通过CD4072四输入或门接到74LS48七段数码管译码器的输入端，输出端接共阴数码管。

74LS48是专为共阴数码管设计的译码器，74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（ag）端外，74LS48还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。

74LS48的功能表如表3。

表374LS48功能表该模块总体电路原理图如图3-6所示：

图3-6显示电路整体图3.3脉冲产生电路的设计脉冲产生电路的设计由于上述设计中所用到的芯片全要有脉冲信号的触发才能由于上述设计中所用到的芯片全要有脉冲信号的触发才能完成相应的功能，所以就需要用到脉冲产生电路。

我这里用到的完成相应的功能，所以就需要用到脉冲产生电路。

我这里用到的是用是用555定时器设计的多谐振荡器，多谐振荡器的优点是在接通定时器设计的多谐振荡器，多谐振荡器的优点是在接通电源之后就可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，电源之后就可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，而不需要再外加输入信号了。

而用而不需要再外加输入信号了。

而用555定时器设计的多谐振荡器定时器设计的多谐振荡器也有很多优点，由于也有很多优点，由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式采用差分电路形式，这样就使多谐振荡器产生的振荡频率受电源，这样就使多谐振荡器产生的振荡频率受电源电压和环境温度变化的影响很小。

电压和环境温度变化的影响很小。

设设R3和和R2的上半部分为的上半部分为RA，R1和和R2的下半部分为的下半部分为RB，电容，电容C2两端的电压为两端的电压为VC。

接通电源后，电容。

接通电源后，电容C2被充被充电，当电，当VC上升到上升到2/3VCC时，使输出电压为低电平，同事放电时，使输出电压为低电平，同事放电三极管三极管T导通，此时电容导通，此时电容C2通过通过RB和和T放电，放电，VC下降。

当下降。

当VC下降到下降到2/3VCC时，时，V0翻转为高电平。

当放电结束后，翻转为高电平。

当放电结束后，T管管截止，截止，VCC将通过将通过RA和和RB向电容器向电容器C2充电，当充电，当VC上升到上升到2/3VCC时，电路又翻转为低电平。

如此周而复始，于是，在电时，电路又翻转为低电平。

如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩路的输出端就得到一个周期性的矩形波。

其电路图如图形波。

其电路图如图，由公，由公式式f=1.43（R1+2R2）C以及设计任务可知，由以及设计任务可知，由555构成的多谐振荡构成的多谐振荡器的振荡频率应该在器的振荡频率应该在1HZ到到4HZ之间，可根据公式取之间，可根据公式取R1=5K，R2=1K，C1=10uF。

图3-7脉冲产生电路3.4二分频电路的设计因为奇、偶序列数字显示时间间隔是自然序列和音乐序列的2倍，为了实现显示数字时间间隔相等的要求，可以使用二分频电路，让自然序列和音乐序列的显示时间与奇偶电路的显示时间相等。

JK触发器可以构成二分频电路。

由于JK触发器的状态方程为，将JK触发器的J、K端均接在高电平，则从输出端Q输出的是二分频后的时间脉冲，其时间间隔为原脉冲的2倍。

其电路图如图3-8。

图3-8二分频电路3.5上电复位电路设设计要实现四个数列依次不断的循环，必须在循环控制电路的控制端施加清零，为了操作方便，本设计采用上电自动清零电路。

由于掉电时电容两端电压为零，上电的瞬间根据电容两端电压无法突变的原理，会使计数器的清零端产生一个高有效电平，随着电容充电，清零端又降到低电平，使得电路开始工作。

上电复位电路的设计图如图3-9所示。

图3-9上复位电路3.6总电路图的设计总电路图的设计这个电路图可以实现设计的要求，可以依次输出自然数列，奇数序列，偶数序列还有音乐数列，而且还可以循环输出，数码管的显示的间隔时间也可以通过调节脉冲信号的频率来进行调整。

电路图中四个CD4518的输出端口分别与四个与门相接，然后再将四个门电路的输出端分别与数码管的输入端相接。

其中产生自然数列和音乐数列的脉冲信号的频率是产生奇数序列和偶数序列的脉冲信号的频率是2倍，这是因为为了实现数字显示时间间隔相等的要求，这里利用二分频器很好地实现了这一功能。

当打开电路的开关后，首先就是输出自然序列，这时是U3A先工作，它的清零端接的是“1“，这时就是它处在计数的操作，然后输出通过与或门相接再接至数码管的输入端，就可以依次显示从0到9，当U3A的输出要从9变到0的瞬间，它的进位端的状态是”1”，然后通过一个或门接至74HC390的脉冲输入端，这时从“0”变至“1”，恰好有一个脉冲，就可以通过译码器使U2A开始工作即开始计数，它从9变至1时，又通过进位端给74HC390一个脉冲，然后就通过译码器又使U4A开始工作，它从0变至8，当它从8变至0时，它的进位端又变至“1”，就又可以给74HC390一个脉冲信号，最后就通过译码器控制U5A的工作，输出音乐数列。

如此周而复始的这样循环，就可以实现我们需要的功能了。

其电路图如图3-10。

图3-10彩灯控制电路整体电路图4仿真结果4.1脉冲产生电路的仿真脉冲电路的仿真电路如图4-1，仿真结果如图4-2。

图4-1脉冲产生仿真电路图4-2脉冲产生电路仿真结果4.2二分频电路的仿真二分频的的仿真电路如图4-3，仿真结果如图4-4。

图4-3二分频电路仿真电路4-4二分频电路仿真结果4.3整整体电路仿真体电路仿真由于奇数序列和偶数序列显示的时间间隔是正常自然序列由于奇数序列和偶数序列显示的时间间隔是正常自然序列的的2倍，所以用脉冲源为奇数序列和偶数序列提供脉冲，用二分倍，所以用脉冲源为奇数序列和偶数序列提供脉冲，用二分频为自然序列和音乐序列提供脉冲。

片选部分负责控制自然序列频为自然序列和音乐序列提供脉冲。

片选部分负责控制自然序列奇数序列奇数序列偶数序列偶数序列音乐序列依次计数依次显示，显示完毕音乐序列依次计数依次显示，显示完毕后片选部分清零，实现序列循环显示。

运用后片选部分清零，实现序列循环显示。

运用multisim仿真软件搭仿真软件搭建电路，总电路图如图建电路，总电路图如图14所示。

运行后发现数码管跳变较缓所示。

运行后发现数码管跳变较缓慢，且上电自动清零不太稳定，使第一个显示的数字是自然序列慢，且上电自动清零不太稳定，使第一个显示的数字是自然序列的的“6”而不是而不是“0”。

将脉冲信号产生电路的滑动变阻器阻值调小。

将脉冲信号产生电路的滑动变阻器阻值调小后，跳变速度变快。

此外将片选电路部分计数器的清后，跳变速度变快。

此外将片选电路部分计数器的清零端通过开零端通过开关接高电频，实现手动清零。

关接高电频，实现手动清零。

5体会与心得通过这次课程设计，我明白了确定实验方案的重要性。

通过各种方案的比对，确定最终的设计方案，而方案的确定对实验过程影响很大：

一个单元电路方案的确定将影响下一个单元电路的设计，比如使用到的芯片和电路的功能。

同时，整体电路和各单元电路之间的联系也是很重要的，也许单单设计一个单元电路很容易实现的，但组合成整体电路时，又需要考虑很多因素，单元电路也许需要再改进。

设计实践中，各个模块之间有明显的前后联系，“电路模块化”的思想深入我的脑中，这对今后的设计是个好的开始和启发。

此外，我还加深了理论知识的学习。

这次的设计电路我用到了计数器还有译码器。

通过自己的分析和设计更好的运用了它们，不同的接法有不同的功能，能够实现出各种各样的电路功能。

从中体会到，只有通过不断的分析、思考以及对电路进行仿真，发现问题，不断改进，才能不断完善电路功能。

这次的课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己分析问题的能力，另外还让我们学习到查找资料的方法，以及处理设计电路的能力。

我相信是对我的一个很好的提高。

平时在学习理论知识的时候，根本就没有想到我所学的这些东西有什么用它们可以做什么，只是一味的利用