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长治职业技术学院信息工程系

毕业设计说明书

设计课题名称霓虹灯变幻控制电路

专业班级

学生姓名

指导教师

2014年5月26日

毕业设计任务书

专业：

电气自动化技术班级：

12电气大专班

设计课题

霓虹灯变幻控制电路

指导教师

学生姓名

设计起止时间

2013年5月26日——2012年6月30日共五周

毕业设计的目的与任务

通过毕业设计将前面所学相关知识融会贯通，巩固、深化所学课程的内容，培养学生综合应用所学的理论知识进行电子电路的设计，使学生掌握常用电子电路的一般

设计方法和步骤，掌握电子电路的安装、焊接和调试等基本技能，培养学生的实际动手能力。

（具体任务另页）

毕业设计报告内容要求

要求编写出霓虹灯变幻控制电路的相关图纸和资料。

具体要求如下：

1、总体方案选择及电路原理；

2、单元电路设计；

3、整机设计，画整机电路原理图；

4、元器件明细表；

5、安装调试方法和步骤。

拟定的工作进度（以周为单位）

1、第一周选择方案，画原始电路框图；

2、第二至四周完成设计任务书要求的设计内容；

3、第五周完成毕业设计说明书的编写工作。

任务下达人（签字）：

日期：

2014年5月26日

任务接受人（签字）：

日期：

2014年5月26日

信息工程系毕业设计综合评价表

指导教师对设计及说明书的评语

指导教师签字：

年月曰

毕业设计指导小组意见

毕业设计指导小组组长签字：

年月曰

毕业设计及答辩评语

答辩小组组长签字：

年月曰

备注

毕业设计成绩答辩小组组长签字

摘要

近年来随着科技的飞速发展，数字电子技术的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制日新月异更新。

该设计的霓虹灯是基于数字电子技术，采用LED数码显示管以实现显示效果。

该设计整体上可分为时钟脉冲发生器、计数器、译码显示电路、清零电路、控制电路等五部分。

本系统具有较高的通用性及很大的使用价值，并且具有节能环保、经济实用、成本低廉等特点。

关键词：

霓虹灯LED数字电子技术

、八—

刖言

霓虹灯是一种特殊的低气压冷阴极辉光放电发光的电光源，而不同于其它诸如荧光

灯、高压钠灯、金属卤化物灯、水银灯、白炽灯等弧光灯。

霓虹灯工作原理：

当外电源电路接通后，变压器输出端就会产生几千伏甚至上万伏的高压。

当这一高压加到霓虹灯管两端电极上时，霓虹灯管内的带电粒子在高压电场中被加速并飞向电极，能激发产生大量的电子。

这些激发出来的电子，在高电压电场中被加速，并与灯管内的气体原子发生碰撞。

当这些电子碰撞游离气体原子的能量足够大时，就能使气体原子发生电离而成为正离子和电子，这就是气体的电离现象。

带电粒子与气体原子之间的碰撞，多余的能量就以光子的形式发射出来，这就完成了霓虹灯的发光点亮的整个过程。

霓虹灯的主要特点：

一、高效率

二、温度低，使用不受气候限制

三、低能耗

四、寿命长

五、制作灵活，色彩多样

六、动感强，效果佳，经济实用

本课程设计是数字电路的简单应用，设计了霓虹灯控制电路。

此控制电路功能齐全,可以控制霓虹灯的亮灭、闪烁时间及流动方向功能，同时应用了七段数码管来显示效果。

本设计在社会生活中具有广泛的应用价值。

摘要I

前言II

目录III

第一章课题概述1

1.霓虹灯的起源及发展史1

1.1霓虹灯的起源1

1.2霓虹灯的发展史1

1.3选择课题的意义和目的2

1.4本次设计的主要内容2

第二章电路原理图说明2

第三章电路中单元的工作原理及功能分析3

1．时钟脉冲3

1.1多谐振荡器3

1.2分频器6

2．计数器6

2.1二-五-十计数器6

2.2状态计数器8

3.控制门电路10

3.1控制门110

3.2控制门210

4．译码显示电路12

4.1工作原理13

4.2七段发光二极管13

4.3集成电路74LS4814

5．清零电路17

5.1工作原理17

第四章绘制整机电路原理图17

第五章元器件明细表19

第六章系统调试19

总结与展望19

致谢20

参考文献21

第一章课题概述

1.霓虹灯的起源及发展史

1.1霓虹灯的起源

霓虹灯是由英文“氖灯”，即“NEONSIGN得来的，“霓虹”两字实际上是

“NEON的译音，而现在人们已经把“霓虹灯”当作专用词运用了。

霓虹灯自1910年

问世以来，历经百年不衰。

它是一种特殊的低气压冷阴极辉光放电发光的电光源，而不同于其它诸如荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯、水银灯、白炽灯等弧光灯。

霓虹灯是靠充入玻璃管内的低压惰性气体，在高压电场下冷阴极辉光放电而发光。

霓虹灯的光色是由充入惰性气体的光谱特性决定：

光管型霓虹灯充入氖气，霓虹灯发红色光；荧光型霓虹灯充入氩气及汞，霓虹灯发蓝色、黄色等光，这两大类霓虹灯都是靠灯管内的工作气体原子受激辐射发光。

1.2霓虹灯的发展史

霓虹灯的发展可以追溯到英国物理学家和化学家法拉第对气体放电的研究，电流通

过含有少量正负离子的气体时，受紫外线、宇宙射线、微量放射物质的作用，在足够高的外加电压作用下运动，并与中性气体分子碰撞后，使中性分子发生电离，因而离子的数目倍增。

电流通过气体时还伴有发光现象，即所谓的辉光放电。

其发光的颜色随所充气体的不同而不同。

法拉第的理论及其在实验上的成就，为霓虹灯技术的发展奠定了坚实的基础。

霓虹灯始源于法国。

当时所用的灯体玻管的直径为45毫米，先将玻璃管弯制成所

需的文字或图案，然后再用1只电压为1万多伏的变压器供电，使之发光。

当时，灯管两端电极采用石墨制成，内部充入氮气或二氧化碳气体，前者会发红光，后者发白光。

由于这两种气体较活泼，很容易和石墨电极起化学反应，阴极溅散出的石墨很快在玻璃管内壁形成黑色薄膜层，并大量吸收充入灯管内的气体，使灯管的充气压力很快下降，致使霓虹灯的寿命很短。

当时为了解决这个问题，特在霓虹灯管上加1个特殊的电磁阀

门，并在霓虹灯使用一段时间以后再往灯内重新补充一定量的气体，但这样做并未能在根本上克服上述缺陷。

因此，这种灯不仅寿命短、制作工艺复杂，而且造价昂贵，很难普及。

在1907年至1910年期间，科学家克洛德和林德发明了液态空气分馏。

利用这一发明，在霓虹灯内充入一定的惰性气体，这样就明显减缓了气体在灯管内部的消耗速度，颜色也丰富了，可产生红、绿、蓝、黄等颜色。

第二次世界大战前夕，光致发光的材料被研制出来了。

这种材料不仅能发出各种颜色的光，而且发光效率也高，我们称之为荧光粉。

荧光粉被应用在霓虹灯制作中后，霓虹灯的亮度不仅有了明显提高，而且灯管的颜色也更加鲜艳夺目，变化多端，同时也简化了制灯的工艺。

故在第二世界大战结束后，霓虹灯得到了迅猛的发展。

1.3选择课题的意义和目的

霓虹灯在生活中的发展和应用非常迅速，而且闪烁变幻的种类繁多，变化多样，因此设计霓虹灯变幻控制电路有非常重大的实际意义。

经过上学期对模拟、数字电子技术的学习，我这次的设计，目的在于让我能综合运用所学的知识，对各基本器件的运用更加熟练，也更好的锻炼我的设计思维和动手设计能力。

1.4本次设计的主要内容

本次设计我利用在学校学的数字电子技术知识，应用于霓虹灯控制系统中。

通过输入脉冲和计数器，让以LED数码管作为控制电路的显示元件，它能自动的依次显示出数字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、&7、0、1（音乐字符数列）。

然后又依次显示出自然数列、奇数列、偶数列和音乐字符数列，如此周而复始，不断循环

通过本次设计，让我掌握如何应用数字电子技术来设计一套霓虹灯闪烁系统的方法，为我今后进入社会工作打下了一定基础。

第二章电路原理图说明

霓虹灯变幻控制电路的电路结构如图所示。

它包括时钟脉冲发生器、计数器、译码

显示电路、清零电路、控制电路等5部分。

其中，计时器是系统的主要部分。

第三章电路中单元的工作原理及功能分析

1.时钟脉冲

时钟脉冲发生器是为了产生频率0.5-2HZ矩形波所以是一个多谐振荡器。

由于振荡周期长（在0.5-2S之间）,为了减少振荡电容的容量，可以加一级分频器。

多谐振荡器选用稳定性好、价格不高的555定时器构成。

分频器则选用74LS290计数器。

电路图如下图所示：

1.1多谐振荡器

1.1.1概述

多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳态。

接通电源后，不需要外加触发信号，通过电容的充电和放电就可在两个暂稳态之间相互转换，从而产生自激震荡，输出周

期性的矩形脉冲信号，逻辑符号如图所示

-J1TL

如要求输出振荡频率很稳定的矩形脉冲时，则可采用石英晶体多谐振荡器。

由于矩形脉冲含有丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称为多谐振荡器。

以下介绍由555定时器组成的多谐振荡器的工作原理及其功能和引脚图。

1.1.2.工作原理

用555集成电路组成多谐振荡器电路为系统提供时钟脉冲。

如图:

该电路接通电源Vcc后，Vcc经R1和R2对电容C充电，其电压uc由0按指数规律上升。

当uc>2/3Vcc时，电压比较器C1和C2的输出分别为uc1=0、uc2=1，基本RS触发器被置0，输出u0跃到低电平UOL与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。

充电时的周期为twl。

随着电容C的放电，uc随之下降，当uc<1/3Vcc时，电压比较器C1和C2的输出分别为uci=1、uc2=0,基本RS触发器被置1,输出U0跃到高电平UO。

同时，电源Vcc又经电阻R1和R2对电容C充电。

电路又返回到前一个暂稳态。

因此，电容C上的电压uc

在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使产生了振荡，输出矩形脉冲。

放电时的周期为tw2。

可得多谐震荡器的振荡周期T为：

T=1/10*1/f=0.05〜0.2

振荡周期最大值和最小值与R,RwR2,Ci的关系，用下面的公式估算：

Tmin=（R1+2R2）C1In2

Tmax=（Ri+2Rw+2R2）C1In2

计算后得出：

C1=0.33uf

G=0.01uf

R1=R2=75KQ

1.1.3功能和引脚图

（1）.555定时器的逻辑功能如下：

当u11>2/3Vcc、u12>1/3Vcc时，电压比较器C1和C2的输入uc1=0、uc2=1，基本

RS触发器被置0,输出uo=0,同时V导通。

当u11<2/3Vcc、u12<1/3Vcc时，电压比较器C1和C2的输入uc1=1、uc2=0,基本

RS触发器被置1,输出uo=1,同时V截止。

当u11<2/3Vcc、u12>1/3Vcc时，电压比较器C1和C2的输入uc1=1、uc2=1，基本

RS触发器被置保持原状态不变，输出uo和V的状态不变，即电路保持原状态不变。

综上，555定时器的功能表如下表。

555定时器的功能表

引脚图介绍如下：

脚1（GND：

接地端

脚3（OUT：

输出端

脚5（CO：

控制端

脚7（DIS）:

放电端

%DTHCO

rnernni

555

LUUJL2JLU

冬S77?

OUTR

脚2（TR）:

触发输入端脚4（RD：

直接置0端脚6（TH：

阈值输入端

脚8（Vcc）：

电源

1.2分频器

1.2.1工作原理

用74LS290构成十进制计数器，当周期为0.1秒得脉冲信号由CP端进入计数器时，每隔10个脉冲74LS290计数一次，所以从QD输出端输出周期为一秒的脉冲信号，完成秒脉冲的设计。

2.计数器

计数是一种最简单基本的运算，计数器就是实现这种运算的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成。

如果按照计数器中的触发器是否同时翻转分类，可将计数器分为同步计数器和异步计数器两种。

如果按照计数过程中数字增减分类，又可将计数器分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器，随时钟信号不断增加的为加法计数器，不断减少的为减法计数器，可增可减的叫做可逆计数器。

2.1二-五-十计数器

74LS290是异步十进制计数器。

它由一个一位二进制计数器和一个异步五进制计数器组成。

2.1.1工作原理

如果计数脉冲由端CP0输入，输出由「端引出，即得二进制计数器；如果计数脉冲由CP1端输入，输出由-■■■'引出，即是五进制计数器；如果将「与CP1相连，计数脉冲由CP0输入，输出由引出，即得8421码十进制计数器。

因此，又称此电路为

二-五-十进制计数器。

2.1.2功能和引脚图

1）.74LS290的逻辑功能如下：

1•异步置零：

R=RaR^=1,S9=SaS9B=O,QQQQ=0000,计数器被置零。

与时钟脉冲CP无关。

2.异步置九：

R=RaRd=0,S9=SaS9b=1,QQQQ=1001，计数器被置九。

与时钟脉冲

CP无关。

3•计数：

RoARoB=0,S9aS9b=1,处于计数状态。

有四种情况，即

（1）计数脉冲由端CP0俞入，输出由Q0端引出，即得二进制计数器；

⑵计数脉冲由CP1端输入，输出由QQQ引出，即是五进制计数器；

（3）将Q0与CP1相连，计数脉冲由CP0输入，输出QQQQ，即得8421码异步十进制计数器。

⑷将Q3与CP0相连，计数脉冲由CP1输入，从高位到低位的输出QQQQ，即得8421码异步十进制加法计数器。

综上，74LS290的功能表如下表。

输入

输出

说明

RdaR

OB

S9aS

9B

CP

Q3

Q2

Q1

Q0

1

0

X

0

0

0

0

置0

0

1

X

1

0

0

1

置9

0

0

计数

（2）.74LS290引脚图

74LS290

11IjJLJW111piagni>

引脚图介绍如下：

脚11.10（CP1CP0.）:

时钟输入端

脚1.3（S9AS9B）:

置9输入端

脚12.13（ROAROB）:

置0输入端

脚4.589（Q0.Q1、Q2Q3:

计数器输出端

脚7（GND：

接地端脚14（VCC：

正电源

脚2.6（NC：

空脚

2.2状态计数器

四个状态S0.S1、S2、S3分别代表前面四种显示数列。

从前面表中，每一种状态的转换是Q0从1变成0时，因此设计一个状态同步计数器，它只需要2个触发器（选用

双D触发器74LS74）,计数器输入时时钟脉冲，时钟脉冲取自计数器QD的下降沿。

2.2.1状态分配

为了使驱动函数便于化简，原状态与新状态应该逻辑相邻如下图:

Qe、

0

1

0

S0

S1

1

S2

S3

所以得状态编码为

S0=00S仁01S2=11S3=10

2.2.2状态转换真值表

状态

QFn

QEn

QFn+1

QEn+1

DF

DE

S0

0

0

0

1

0

1

S1

0

1

1

1

1

1

S2

1

1

1

0

1

0

S3

1

0

0

0

0

0

223卡诺图化简，求驱动函数。

Qe、.、Q

0

1

0

0

•r/%

*i

*\f1

1:

1

0

L*

■i

11

■#

\1;

■fr■

DF=QE

Qe、、q

DF

0

1

0

—

产1

1;—一―

1

0

0

DE

DE=QF

2.2.4逻辑电路图

由于时钟脉冲取自计数器QD下降沿，而双D触发器CT4074是上升沿触发，因此需加一个反相器。

清零脉冲

3.控制门电路

3.1控制门1

它的功能是控制二-五-十进制计数CPB的输入时钟脉冲信号。

有4个输入信号QA、

CRQFQE—个输入信号CPB

控制门电路输入输出关系表

显示数列

状态计数器

门1输入输出

门2输入输出

自然数列

S0

CPB=QA

A=QAD=QD

奇数列

S1

CPB=CP

A=1D=QD

偶数列

S2

CPB=CP

A=0D=QD

音乐符号数列

S3

CPB=QA

A=QAD=0

真值表

状态

状态变量

QFQE

输入时钟

CPQA

输出时钟

CPB

SO

00

x0

0

00

x1

1

S1

01

0x

0

01

1x

1

S2

11

0x

0

11

1x

1

S3

10

x0

0

10

x1

1

1.根据真值表画卡诺图

2.填卡诺图

00

01

11

10

00

0

01

1

1

11

才—寸

/彳

1

'*

1、

1

I-

/

10

3.写出逻辑函数的最简与或表达式

YCpb=QaQ+CPQ=QaQ+CPQ

3.2控制门2

控制门2的作用是控制七段显示译码器输入端DA的输入信号。

它有4个输入变

量QFQE和计数器输出QAQD。

2个输出变量DA

真值表

状态

状态变量

输入时钟

输出时钟

QFQE

QDQA

DA

so

00

00

00

00

01

01

00

10

10

00

11

11

S1

01

00

01

01

01

01

01

10

11

01

11

11

S2

11

00

00

11

01

00

11

10

10

11

11

10

S3

10

10

10

10

00

01

10

11

00

01

00

01

1.根据真值表画卡诺图

2.填卡诺图

\QFQE

CDQ'、

00

01

11

10

00

71\

01

1

:

■11

广-—■

1

11

1一

11/

10

3.写出逻辑函数的最简与或表达式

YD=QdCF+QdQ=Q[QF+QdQ

YD=QeCF+QaCE=QeCF+QaQ

根据得出的表达式画出控制门1和控制门2

4.译码显示电路

本设计用74LS48和共阴极七段LED显示器组成。

电路图如下图所示:

4.1工作原理

直接将两片74LS290Q0.Q1、Q2Q3接到递减译码管A.B.C.D端，即可对数字进行^显^示。

4.2七段发光二极管

4.2.1概述

LED数码显示管是半导体数码管的简称,是一种数字显示器件,能与CMOSTTL等集

成电路。

LED数码管的发光颜色大多为红色，也有绿色、橙色的。

数字时钟，数字仪表以及其他数字显示中都大量采用LED数码显示管。

数码显示器的内部接法：

七段译码显示器输出低电平有效时，需选用共阳接法的数码显示器；七段译码显示器输出高电平有效时，需选用共阴接法的数码显示器。

本设计选用共阳极接法的数码显示器。

4.3集成电路74LS48

4.3.1概述

74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机

系统的显示系统中，

4.3.2功能及引脚图

（1）.74LS48的功能表如下：

7恫3助粽-七斛灘动勧魁

+»8

或城

输入

BI/RBO

LT

RBI

DCBA

a

b

c

d

e

f

g

0

H

H

0000

H

1

1

1

1

1

1

p

1

1

H

X

0001

H

F

1

1

0

0

0

F

2

H

X

0010

H

i

1

0

1

1

0

1

3

H

X

0011

H

i

1

1

1

0

0

1

4

H

X

0100

H

F

1

1

0

0

1

1

5

H

X

0101

H

i

0

1

1

0

1

I

6

H

X

0110

H

p

0

1

1

1

1

1

7

H

Z

0111

H

i

1

1

0

0

0

0

8

H

X

1000

H

i

1

1

1

q

1

1

g

H

X

1001

H

i

1

1

0

0

1

1

10

H

K

1010

H

F

0

0

1

q

0

1

11

H

X

1011

H

p

0

1

1

0

0

r

12

H

X

1100

H

0

1

0

0

0

1

1

13

H

X

1101

H

1

0

0

1

0

1

1

14

H

X

1110

H

0

0

0

1

q

1

1

15

H

X

1111

H

p

0

0

0

0

0

p

班

X

X

XXXX

L

F

0

0

0

0

1]

F

2

REI

H

L

0000

L

0

0

0

0

0

0

0

3

LT

L

XXXX

H

1

1

1

1

1

1

1

4

由74IS48功能表可获得74IS48所具有的逻辑功能：

1、7段译码功能（LT=1,RBI=1）

在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入ABCDS74LS48译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。

除DCBA=0000外,RBI也可以接低电平。

2、消隐功能（BI=0）

此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，无论LT和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。

该功能主要用于多显示器的动态显示。

3、灯测试功能（LT=0）

此时BI/RBO端作为输出端，该端输入低电平信号时，输出全为“T,显示器7个

字段都

点亮。

该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。

4、动态灭零功能（LT=1，RBI=1）

此时BI