毕业设计55彩灯循环显示控制电路设计.docx
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毕业设计55彩灯循环显示控制电路设计
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
题目:
彩灯循环显示控制电路设计
初始条件：
课程设计指导老师,电工电子实验室,EWB仿真软件,参考资料等，74LS160十进制同步计数器，74LS194移位寄存器，D触发器，显示管，
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
（1）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、偶数列和音乐符号数列…….，如此周而复始，不断循环。
（2）打开电源时，控制器可自动清零。
（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。
时间安排：
第17周（7、8节）：
理论讲解，新1-02
第18～19周：
理论设计及实验室安装调试；
地点：
鉴主15通信工程实验室
（1），鉴主13通信工程专业实验室；
第20周：
撰写设计报告及答辩；地点：
鉴主17楼研究室。
指导教师签名：
2008年6月2日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
摘要…………………………………………………………………………
（2）
1．方案设计…………………………………………………………………（3）
1.1方案比较……………………………………………………………（3）
1.2方案选择……………………………………………………………（4）
2．单元电路的设计…………………………………………………………（4）
2.1主要芯片……………………………………………………………（4）
2.1.1十进制计数器74LS160………………………………………（4）
2.1.2移位寄存器74LS194………………………………………（5）
2.1.3LED显示数码管……………………………………………（6）
2.2自然序列循环发生器………………………………………………（7）
2.3奇数序列循环发生器………………………………………………（9）
2.4偶数序列循环发生器………………………………………………（10）
2.5音乐序列循环发生器………………………………………………（11）
2.6循环控制电路………………………………………………………（13）
2.7分频器………………………………………………………………（14）
2.8振荡脉冲发生器……………………………………………………（15）
2.9复位电路……………………………………………………………（16）
3．总体电路及工作原理……………………………………………………（17）
3.1总体电路图…………………………………………………………（17）
3.2工作原理……………………………………………………………（17）
4．仿真结果………………………………………………………………（18）
4.1振荡脉冲发生器仿真………………………………………………（18）
4.2分频器………………………………………………………………（19）
4.3复位电路……………………………………………………………（20）
4.4总电路………………………………………………………………（20）
5.体会………………………………………………………………………（21）
6．元件清单…………………………………………………………………（22）
7．参考文献…………………………………………………………………（23）
摘要
由于中，大规模集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。
在设计中更多的使用中。
大规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简捷，而且能提高电路的可靠性，降低成本。
彩灯是一束束用导线连接起来的并联灯泡，当接通电源后，彩灯就会工作，但里面可能是由编程或非编程的电路控制灯泡的运作的，譬如实现音乐彩灯、闪烁、循环、时控等功能，数列的产生可以通过计数器和逻辑门实现，而循环则需要用到时序电路控制，如触发器等，而最后可以用逻辑门把几个输出接到同一个数码管。
关键词:
数列计数器触发器数码管
1方案设计
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彩色霓虹灯。
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。
彩灯是一束束用导线连接起来的并联灯泡，当接通电源后，彩灯就会工作，但里面可能是由编程或非编程的电路控制灯泡的运作的，譬如实现音乐彩灯、闪烁、循环、时控等功能
这次的彩灯电路设计是要求是：
（1）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、偶数列和音乐符号数列…….，如此周而复始，不断循环。
（2）打开电源时，控制器可自动清零。
（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。
彩灯电路有很多种方式可以实现。
1.1、方案比较
1.1.1方案一：
数列的产生可以通过计数器和逻辑门实现，而循环则需要用到时序电路控制，如触发器等，而最后可以用逻辑门把几个输出接到同一个数码管。
利用十进制计数器74LS160组成数列发生器，用移位寄存器74LS194组成控制电路。
它的原理是:
同步开关负责移位寄存器的置初值1000；D触发器实现分频作用；将自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐序列由最大值向最小值变化时，高位输出的变化作为移位寄存器的触发脉冲，再用移位寄存器的输出分别控制各序列产生芯片的清零端，可实现电路的循环显示功能。
1.1.2方案二：
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。
下面是实现该功能的框图：
图1.1.1.方案二原理框图
1.2方案选择
经过比较，方案二需要很多的硬件知识和计算机编程，而且单片机电路我们了解的不是狠多，所以我选择了第一个方案。
2单元电路的设计
2.1主要芯片
2.1.1十进制计数器74LS160
十进制计数器74LS160的管脚图（图2.1.1.1）和功能表（图2.1.1.2）如下所示：
图2.1.1.174LS160管脚图
图2.1.1.274LS160功能表
2.1.2移位寄存器74LS194
移位寄存器74LS194的管脚图（图2.1.2.1）和功能表（图2.1.2.2）如下所示：
图2.1.2.1移位寄存器引脚图
图2.1.2.2移位寄存器真值表
2.1.3LED显示数码管
LED有共阴极和共阳极两种。
如图所示。
二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。
一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点为dp发光二极管。
当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。
为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。
下图为LED数码管结构原理图：
图2.1.3.1高电平驱动，共阴级
图2.1.3.2低电平驱动，共阳极
2.2自然序列循环发生器
自然序列循环发生器需要产生从0到9的数字，利用芯片74LS160十进制同步计数器，可设计出自然序列。
如下图所示，自然序列循环发生器的电路图（图2.2.1）和真值表（图2.2.2），由电路图和真值表可以看到，此电路当清零端、置数端、计数使能端CET、CEP都接高电平时，输出端可以产生“0000”、“0001”、“0010”...“1001”、“0000”、“0001”......的循环序列，即产生了自然数列。
图2.2.1自然序列循环发生器电路图
CLR
LOAD
CET
CEP
Actionontherisingclockedge
L
X
X
X
清零
H
L
X
X
置数
H
H
L
X
保持
H
H
X
L
保持
H
H
H
H
0000
H
H
H
H
0001
H
H
H
H
0010
H
H
H
H
0011
H
H
H
H
0100
H
H
H
H
0101
H
H
H
H
0111
H
H
H
H
1000
H
H
H
H
1001
H
H
H
H
0000
H
H
H
H
0001
……
……
……
……
……
图2.2.2自然序列循环发生器真值表
2.3奇数序列循环发生器
奇数序列循环发生器需要产生“1”、“3”、“5”、“7”、“9”的数字，此单元电路也可采用十进制计数器74LS160.在自然序列产生电路的基础上，将数码管的低位输入接高便可得到奇数列产生电路。
如下图所示，自然序列循环发生器的电路图（图2.3.1）和真值表（图2.3.2）。
图2.3.1奇数序列循环发生器电路图
CLR
LOAD
CET
CEP
Actionontherisingclockedge
L
X
X
X
清零
H
L
X
X
置数
H
H
L
X
保持
H
H
X
L
保持
H
H
H
H
0001
H
H
H
H
0011
H
H
H
H
0101
H
H
H
H
0111
H
H
H
H
1001
H
H
H
H
0001
……
……
……
……
……
图2.3.2奇数序列循环发生器真值表
此电路当清零端、置数端、计数使能端CET、CEP都接高电平，数码管的低位端接高电平时，输出端可以产生“0001”、“0011”、“0101”、“0111”、“1001”、“0001”......的循环序列，即奇数列循环。
2.4偶数序列循环发生器
偶数序列循环发生器的电路图（图2.4.1）和真值表（图2.4.2），如下图所示
图2.4.1偶数序列循环发生器电路图
CLR
LOAD
CET
CEP
Actionontherisingclockedge
L
X
X
X
Reset
H
L
X
X
LOAD
H
H
L
X
NOchange
H
H
X
L
NOchange
H
H
H
H
0000
H
H
H
H
0010
H
H
H
H
0100
H
H
H
H
1000
H
H
H
H
0000
H
H
H
H
0010
H
H
H
H
0100
……
……
……
……
……
图2.4.2偶数序列循环发生器真值表
此电路当清零端、置数端、计数使能端CET、CEP都接高电平，数码管的低位端接低电平时，输出端可以产生“0000”、“0010”、“0100”、“0110”、“1000”、“0000”......的循环序列，即循环显示偶数序列。
2.5音乐序列循环发生器
音乐序列循环发生器需要产生“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“0”、“1”的序列，此单元电路也采用十进制计数器74LS160.
音乐序列循环发生器的电路图（图2.5.1）和真值表（图2.5.2），如下图所示。
图2.5.1音乐序列循环发生器电路图
CLR
LOAD
CET
CEP
Actionontherisingclockedge
L
X
X
X
清零
H
L
X
X
置数
H
H
L
X
保持
H
H
X
L
保持
H
H
H
H
0000
H
H
H
H
0001
H
H
H
H
0010
H
H
H
H
0011
H
H
H
H
0100
H
H
H
H
0101
H
H
H
H
0111
H
H
H
H
0000
H
H
H
H
0001
H
H
H
H
0010
H
H
H
H
0011
……
……
……
……
……
图2.5.2音乐序列循环发生器真值表
此电路当清零端、置数端、计数使能端CET、CEP都接高电平，数码管的高位端接低电平时，输出端可以产生“0000”、“0001”、“0010”、“0011”、“0100”、“0101”、“0110”、“0111”、“0000”、“0001”......的循环序列，即循环显示音乐数列。
2.6循环控制电路
如下图所示，循环控制电路（图2.6.1）、真值表（图2.6.2），其原理是将移位寄存器置数为QAQBQCQC=1000，再让寄存器实现右移功能，就能在QAQBQCQD得到“1000”、“0100”、“0010”、“0001”、“1000”.....的循环，从而控制4个序列循环发生器的工作。
将QA、QB、QC、QD分别接自然序列、奇数序列、偶数序列、音乐序列。
图2.6.1循环控制电路
CLR
S1
S0
Clock
DCBA
QAQBQCQD
H
H
H
↑
1000
1000
H
L
H
↑
1000
0100
H
L
H
↑
1000
0010
H
L
H
↑
1000
0001
H
L
H
↑
1000
1000
....
....
....
....
....
....
图2.6.2循环控制电路真值表
当开关打在上面时，s1，s0都接高电平，开始置入“1000”序列，当开关打在下面时，s1接低电平，S2接高电平，开始进行右移位，且SR接QD可以完成循环移位，即1000—0100—0010—0001—1000……
2.7分频器
在本实验中自然循环数列发生器由0，1，2，3，4，5，6，7，8，9变换和音乐数列循环发生器由0，1，2，3，4，5，6，7，0，1变换，而奇数列由1，3，5，7，9变换，偶数列由0，2，4，8变换，由任务要求可知每次示数变换时间间隔相同，故采用分频器。
其中自然和音乐数列循环发生器的触发频率应该时奇数偶数数列循环发生器的两倍。
如下图所示，这个分频器（图2.7）是由D触发器构成的，输入端接输出反向端，这样就可以得到Qn+1=Qn，这样就可以使输出端的脉冲频率变为输入端频率的一半。
图2.7分频器电路图
2.8振荡脉冲发生器
为了满足电路的每个数字的一次显示时间基本相等，这个时间在0.5s到2s范围内连续可调的条件，可由555定时器构成的多谐振荡器，如下图所示，振荡脉冲发生器（图2.8.1）根据每次脉冲时间是0.5s到2s连续变化，经计算：
接通电源后，电容C被充电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，同时放电BJTT导通，此时Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。
当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。
电容器C放电所需的时间为tPL=0.7R2C
当C发电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C充电，Vc有1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间为
tPH=0.7（R1+R2+RL）C
当Vc上升到2/3Vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期的方波，其频率为
F=1.43/（R1+2R2+RL）*C
图2.8脉冲发生器电路图
2.9复位电路
由于设计要求打开电源时，控制器自动清零，这可以由复位电路实现。
复位电路是一种上电压自动复位电路，利用的是电容两端的电压不能突变的原理，当打开电源时，复位信号保持在低电平，使控制器清零，随着Vcc通过电阻R对电容的充电，使C两端电压逐渐升高，经过一段时间后，复位信号才跨越逻辑阀值转变为高电平，使系统开始正常工作。
电路如下图所示。
图2.9复位电路
3总体电路及工作原理
3.1总体电路图
总体电路如下图（图3.1）所示：
图3.1彩灯循环显示控制电路
3.2工作原理
如上图所示，彩灯循环电路的工作原理：
由移位寄存器构成的循环控制电路的QA、QB、QC、QD端分别接自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐序列产生电路的清零端便可实行控制功能，将寄存器的ABCD=1000，则可使QAQBQCQD=1000，不发生移位时只有自然序列工作。
当寄存器开始移位时QAQBQCQD可得到1000→0100→0010→0001→1000.....从而使四个序列依次循环工作。
当QAQBQCQD为1000数列时只有自然数列发生器（第一块74LS160芯片）工作，其他的都清零，计数器QDQCQBQA由0000→0001→0010→0011→0100→0101→0111在向1000跳变时，，四输入或非门的输出由高电平变为低电平，但循环控制器的脉冲触发端是上跳沿有效，故不会移位，在继续由1001向0000跳变的时候，四输入或非门的输出由低电平跳变为高电平，循环控制器右移一位，在自然序列单元中显示器显示为对应的0→1→2→3→4→5→6→7→8→9，此后奇数列发生器开始计数，其他芯片都清零，故显示器的低位固定接接高电平，计数器输出由1001到0000跳变时，四输入或非门的输出由高电平变为低电平，但循环控制器的脉冲触发端是上跳沿有效，故不会移位，在继续由1001向0001跳变的时候，四输入或非门的输出由低电平跳变为高电平，循环控制器又右移一位，继而控制偶数列循环发生，在奇数列单元中，显示器示数为对应的1→3→5→7→9。
偶数列循环发生器其原理与奇数列单元相似，当循环控制器继续移位后，音乐序列发生器开始工作，计数器依旧由0000→……→0111→1000→1001计数，当1001跳变为0000，循环控制移位，又控制自然序列单元……
由于奇数序列循环发生器、偶数序列循环发生器与自然序列循环发生器、音乐序列循环发生器的脉冲频率要求不同，自然序列、音乐序列循环发生器的频率是奇数序列、偶数序列循环发生器的一半，所以由D触发器构成分频器将脉冲发生器的脉冲频率减半，接到自然序列和音乐序列的脉冲输入端。
复位电路是一种上电压自动复位电路，利用的是电容两端的电压不能突变的原理，当打开电源时，复位信号保持在低电平，使控制器清零，随着Vcc通过电阻R对电容的充电，使C两端电压逐渐升高，经过一段时间后，复位信号才跨越逻辑阀值转变为高电平，使系统开始正常工作。
4仿真结果
4.1振荡脉冲发生器仿真
图4.1.1脉冲信号1
图4.1.2脉冲信号2
4.2分频器
图4.2分频器
4.3复位电路
图4.3.复位电路
4.4总电路
利用EWB软件仿真。
当按下开关，开始循环器置数1000，当再按下A开关，得到其显示器输出为1，3，5，7，9，0，2，4，6，8，0，1，2，3，4，5，6，7，0，1，0，1，2，3……的循环输出。
5体会
为期两周的课程设计已经结束，在这两周的学习、设计我感触颇深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次彩灯循环显示控制电路的课程设计，我认识到一个电路的设计需要多方面周全的考虑，也要经过多次的反复修改，才能达到设计要求。
在用EWB画电路图和仿真过程中，我用了很长时间，尤其是在画总电路图时，出了很多错误，对于排线和布局也不是很好，在调试过程中，对于错误的地方的检测方法也是非常重要的，要通过对原理图的分析，把系统分成不同功能的电路模块，通过逐一测量找出故障模块，然后再对故障模块内部加以测量找出故障，查找故障，分析故障和排除故障，这种分析问题的方法对我有很大的帮助。
通过这次的课程设计，我更加清晰的了解了各种芯片，逻辑门电路的功能和应用，是数字电路的一个很好的巩固和提高，掌握了电子线路设计的基础方法和一般过程。
在设计过程中碰到许多不同的问题，与理论有所差距，明白理论和实践还是有差距的，我们不能只学理论而不实践，要多结合理论进行实践，这样才更加理解掌握知识，把理论应用于实践，从实践中得出结论。
6元件清单
6.1仪器清单：
计算机、示波器、万用表、EDA工具软件等。
6.2元件清单：
器件
型号
数量
十进制计数器
74LS160
4
四位寄存器
74LS194
1
电阻
25k
1
20.32k
1
2.5k
1
可变电阻
108.23k
1
电容
10uF
1
1uF
1
0.01uF
1
数码管
1
四输入或门
4
四输入或非门
1
7参考文献
1：
《电子线路设计.实验.测试第三版》谢自美主编华中科技大学出版社
2：
《电子技术基础数字部分》康华光主编高等教育出版社
3：
《电子线路课程设计》陈晓文主编北京：
电子工业出版社，2004
4：
《电子线路图网》
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