LED单片彩灯控制器设计书.docx
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LED单片彩灯控制器设计书
LED单片彩灯控制器设计书
一、设计任务与要求
利用控制电路可使彩灯按一定规律不断改变状态，不仅可获得良好的观赏效果，而且可以省电。
1、以LED数码管作为控制器的显示器件，它能自动地显示出数字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），然后又依次显示出自然数列、奇数列、和偶数列，如此周而复始，不断循环。
2、打开电源时控制器可自动清零，从电源接通时刻起，数码管最先显示自然数列，然后按规律循环。
3、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。
4、写设计说明书，画原理图。
二、设计的方案的选择与论证
设计要求数码管显示，自动显示数字队列0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列）和0、2、4、6、8（偶数列），然后又依次显示同上数列，不断循环。
则需要我们提供能遵循上述循环的脉冲，也就是说产生脉冲的电路是必不可少的，这里将选用555定时器。
显示数字从0到9只要设计十进制计数器74LS90D产生就可以，要从1、3、5、7、9跳变，只要将QA强制置1，要从0、2、4、6、8跳变，只要将QA强制置0。
最后通过555定时器不断送出脉冲，按照上诉循环。
当然这些过程还需要用到74LS162、74LS153，来控制电路。
上述也就是用十进制计数器对时钟信号脉冲进行计数实现第一步，让显示电路输出0、1、3……8、9，然后用分频器将计数脉冲的频率变为原来的十分之一接到另一计数器中产生两位二进制地址码，再通过四选一数据选择器分别产生奇数、偶数数列。
电路完成后因为开始的时候不一定能从0到9开始跳变，所以设计一个开关来控制。
只要将开关一端接高电平，另一端接地，打开电源开关，自动清零，即通电之后最先显示自然数列0，再显示1，按上述规律变化。
因为555送出的脉冲不会产生太大的
差异，所以只要电路正确每个数字的显示时间就会基本相等。
2.1主要组成部分：
（1）时钟信号发生器
用555定时器电路在外部配上几个适当的阻容和二极管构成时钟信号，为彩灯电路提供必要的信号源。
并且要求设计的频率可以使每个数字的显示时间在0.5S到2S范围内连续可调，也就是要求电容和电阻的搭配要在一定范围内，若搭配不合理，会导致频率过快，或过慢，以至于在测试的时候极为不方便，甚至测不出来。
所以555定时器要陪上合理的电容电阻器件。
（2）计数器、数据选择器、译码器；
用十进制计数器对时钟信号脉冲进行计数实现第一步，让显示电路输出0、1、3……8、9，然后用分频器将计数脉冲的频率变为原来的十分之一接到另一计数器中产生两位二进制地址码，再通过四选一数据选择器分别产生奇数、偶数，然后通过译码器接到显示电路实现其循环。
（3）开关电路。
2.2基本原理
本控制器电路应由时钟发生信号电路、计数器、分频电路、数据选择器、译码器显示电路组成。
本控制器的核心元件为计数器、分频器、数据选择器、译码器，分别采用集成电路74LS90、74LS162、74LS153和7448。
【1】74LS90为14脚双列直插的异步二—五—十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器，其引脚如下图1所示。
通过不同的连接方式，74LS90可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助R0
（1）、R0
（2）对计数器清零，借助S9
（1）、S9
（2）将计数器置9，同时它还可以从不同的引脚接出作为2-5-10分频器使用。
其具体功能详述如下：
（1）计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。
（2）计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。
（3）若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。
（4）若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端,则构成异步5421码十进制加法计数器。
（5）清零、置9功能。
a）异步清零
当R0
（1）、R0
（2）均为“1”；S9
（1）、S9
（2）中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA=0000。
b）置9功能
当S9
（1）、S9
（2）均为“1”；R0
（1）、R0
（2）中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA=1001.
图174LS90的引脚图
【2】74LS153是包含两个完全一样的四选一数据选择器。
两个数据选择器有公共的地址输入端，而输出端和输入端是各自独立的。
通过给定不同的地址代码（QA、QB的状态）。
即可从4个输入端中选出所要的一个，并送至输出端Y。
该设计的关键是对产生十进制的74LS90的QA强制置数的处理，设计要求产生奇数，实际上就是QA强制置1；要求产生偶数，实际上就是把QA强制置0；然后通过译码器将信号翻译后输出到显示电路。
定时器555是一种双极型中规模集成电路,只要元件和适当的电路连接,就可构成多谐振荡器。
该器件的电源电压为5V,驱动电流也较大,并能提供与TTL与COM电路相兼容的逻辑电平。
因此可以由上述电路实现电路所需的信号源。
【3】74LS162十进制同步计数器（同步清除）：
74LS162为可预置的十进制同步计数器，它清除端是同步的。
当清除端/SR为低电平时，在时钟端CP上升沿作用下,才可完成清除功能。
74LS162的预置是同步的。
当置入控制器/PE为低电平,它的清除端是同步的。
当清除端/SR为低电平时，在时钟端CP上升沿作用下，才可完成清除功能。
162的预置是同步的。
当置入控制器/PE为低电平时,在CP上升沿作用下，输出端Q0－Q3与数据输入端P0－P3一致。
对于74LS162，当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端CEP、CET为高电平，则/PE应避免由低至高电平的跳变，而74LS162无此种限制。
74LS162的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。
当CEP、CET为高电平时，在CP上升沿作用下Q0－Q3同时变化,从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰,对于74LS162，只有当CP为高电平时，CEP、CET才允许由高至低电平的跳变，而74LS162的CEP、CET跳变与CP无关。
162有超前进位功能。
当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。
在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。
对于74LS162，在CP出现前，即使CEP、CET、/SR发生变化，电路的功能也不受影响
74LS162功能表如下：
*SR
*PE
CET
CEP
工作模式
L
X
X
X
清零
H
L
X
X
置数
H
H
H
H
计数
H
H
L
X
不变
H
H
X
L
不变
表174LS162功能表
74LS162引脚图如下
图274LS162引脚图
三、电路设计计算与分析
3.1系统设计框图
3.2核心部分设计
图3总原理图
如上图3所示，U1是由74LS90接成的十制计数器，将INB和QA相连，将R91和R92接地，并从14脚INA接信号输入，构成十进制计数器，再用另一块74LS90接成十分频器，其接法和十进制计数器一样的接法，都是将INB和QA相连，R91和R92接地，从14脚INA接信号输入，11脚QD接与非门U6的两个输入端，将其输出端接U3即74LS162的2脚CLK以十进制计数器的十分之一的频率输入地址码计数器U4，从而使其中U3的3、4、5、6脚接地，7脚、9脚、10脚接高电平，再将地址码信号和十进制计数器U1的相应输出信号接到数据选择器U4（74LS153），即U3的13脚和14脚分别接U4的2脚和14脚，其中U4的4脚接地，5脚接高电平使计数器在0、1、2……9之后使Y1强制置1即可实现电路输出为奇数，4脚接地则可使输出端Y1强制置0，从而输出偶数列，U1的11脚、8脚、9脚分别接数码管的4,3,2。
Y1接数码管的1脚。
U3的QB接一个与非门送到U3的清零端，实现三个两位地址的循环输出。
由74LS90构成的自然数列如下（即图4）
图474LS90构成的自然数列
由74LS90构成的奇数列如下（即图5）
让QA强制1：
图574LS90构成的奇数列
由74LS90构成的偶数列如下（即图6）
让QA强制0：
图674LS90构成的偶数列
3.3时钟信号发生器如下图7：
图7时钟信号发生器
定时器555是一种双极型中规模集成电路,只要元件和适当的电路连接,就可构成多谐振荡器。
该器件的电源电压为5V,驱动电流也较大,并能提供与TTL与COM电路相兼容的逻辑电平。
因此可以由上述电路实现电路所需的信号源。
如图7所示，由555定时器构成的多谐振荡器可提供核心电路所需的时钟信号，
其外接元件参数如图所示，分别外接两个2K的电阻和20K的滑动变阻器以及一个1ｕF和100nF的电容，外加5伏的工作电压，从而可以产生频率在5HZ到20HZ的矩形波。
图8脉冲波形
3.4开关电路
如图3所示，在74LS90（U1和U2）的2、3脚4根引脚相连后接开关的一端，开关的另一端连高电平，在电路接上电源之前把开关连上，接上电源后电路输出自动显示0，接着断开开关即可实现从0到9的计数，接着跳到奇数列，然后偶数列。
3.5显示电路
要实现每个数字显示时间在0.5S到2S范围内连续可调，而555定时器经过了十分频所以设计时要求输出频率在5HZ到20HZ范围内。
参数计算：
频率公式
…………………………………….
（1）
占空比公式
…………………………………..………
（2）
代人要求f在5HZ到20HZ之间求得
R1=R2=2K，可调电阻选20K,C=1uf。
四、总结及心得
1通过这两周设计彩灯控制器电路，熟悉了74LS90D74LS16274LS153等的逻辑关系以及555的功能及应用。
提高了自己能力，对数字电路这门课程产生了更浓厚的兴趣和更深的理解。
2在此次设计中遇到了一些问题，比如在设计555定时器构成多谐振荡器时，电容的连接不当会造成多谐振荡器无效，通过独立思考，深入钻研相关问题，学会自己分析解决问题的方法。
经过电路板的设计，大大提升了我们设计能力，拓宽了我们的思维方式真正把学到的知识应用到实际当中
3虽然在上课时，我有学到这些元件的功能，但课堂上的知识太多而且只是局限于书本的理论知识，这并不能使我完全全部掌握这么多元件的逻辑和功能，通过本次设计，我完完全全掌握了许多元件的功能和混合应用。
4此次课程设计，锻炼了独立思考解决问题的能力，出现差错的随机应变的能力，和与人合作的精神，相信我在以后的设计中会表现的更加出色，会在以后设计出更多的逻辑电路。
五、附录
5.1总原理图
电路仿真设计完成后的总电路图如下所示（即图9）：
图
9电路仿真图
5.2画PCB版图
在protel99SE中画好原理图然后导入PCB文件中画出PCB电路。
PCB板图如下
图10PCB电路图
5.3元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
R3
20k
1
滑动变阻器
R1/R2
2K
2
电阻
C2
100nF
1
电容
C1
1uF
1
电容
U3
74LS162
1
计数器
A1
555
1
定时器
U4
74LS153
1
数据选择器
U2
74LS90D
2
计数器
J1
开关
1
D1/D2
1BH62
2
二极管
U6A/U7A
7400
2
与非门
7448
1
译码器
U5
DCD_HEX
1
数码管
表2元件清单
六、参考文献
1.阎石主编.数字电子技术基础.第五版.北京:
高等教育出版社,2006.5;
2.梁秀荣编.电子设计自动化技术实用教程.徐州:
中国矿业大学出版社,2007.2;
3．康华光．数字电子技术基础．北京：
高等教育出版社，1998
4．罗杰．电子技术基础试验．北京：
高等教育出版社，2008
5．金唯香．电子测试技术．长沙：
湖南大学出版社，2004
6．苗松池．电子实习与课程设计．北京：
中国电力出版社，2010.2
7．王毓银．数字电路逻辑设计．脉冲与数字电路．北京：
高等教育出版社，1999
8．余孟尝．数字电子技术基础简明教程．北京：
高等教育出版社，2003
9．胡锦．数字电路与逻辑设计.北京：
高等教育出版社，2002
10．周良权，方向乔.数字电子技术.北京：
高等教育出版社，1994
11．李世雄，丁康源.数字集成电子技术教程．北京：
高等教育出版社，1993
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