彩灯循环数电课设.docx

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彩灯循环数电课设

课程设计任务书

题目:

彩灯循环显示控制电路

初始条件：

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。

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.LED按要求显示。

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。

4.确定设计方案，按功能模块的划分元器件和集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，并阐述原理；

5.用EWB软件或quartus等仿真软件进行仿真试验。

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：

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要I

AstractII

1设计方案1

1.1方案一：

用多谐振荡器和移位寄存器实现1

1.2方案二：

用存储器实现1

2单元电路的设计1

2.1方案一的单元电路1

2.1.1多谐振荡器1

2.1.2计数器4

2.1.2.174LS160控制自然数列的显示5

2.1.2.274LS160控制奇数列的显示6

2.1.2.374LS160控制偶数列的显示7

2.1.2.474LS160控制音乐符号列的显示8

2.1.3循环控制电路9

2.1.4译码及显示11

2.2方案二的设计思路13

3设计方案比较14

4原理说明14

设计心得：

参考文献：

整体电路图：

原件清单：

摘要

本次课程设计内容是彩灯循环显示控制电路设计。

所选方案是由自然数列循环控制电路、奇数列循环控制电路、偶数列循环控制电路、音乐符号数列循环控制电路、555振荡器和循环控制电路构成这几个系统构成的。

其中自然数列和音乐符号数列的区别只在于循环周期不同，而奇数列和偶数列的不同之处在于奇数列低位恒为高，偶数列的低位则恒为低。

循环数列选用十进制加计数器74LS160控制，这四个不同的循环控制系统又由74LS194构成的循环控制来控制。

此电路系统通过仿真测试，性能良好，可以达到设计要求。

关键词：

多谐振荡器、74LS194双向移位寄存器、74LS160十进制计数器、LED数码管、存储器。

Astract

TheobjectofthisdesignablecourseistrytoschemeoutThelanterndisplaycyclecontrolcircuit。

TheselectedprogrammeismadeupwithNaturalseriescyclecontrolcircuit,Odd-outcyclecontrolcircuit,Evenoutcyclecontrolcircuit,Seriesofmusicalnotationcyclecontrolcircuit,555oscillatorandcyclecontrolcircuitmadewithShiftRegister.Thereinto,thedifferencebetweenNaturalseriesandmusicsymbolsseriesisonlylieinthedifferentcycle,andthedifferencebetweentheodd-numberedcolumnsandevenoutistheoddlowLow-hangoutisalwayshigh,butevenout'sLow-hangoutisalwayslow.CycleserieschooseMembersofCanadianCounter74LS160.ThefourdifferentCirculationControlSystemiscontroledbyCyclecontrolwithmadewith74LS194.TheSimulationtestsproofedthiscircuitsystemisgoodperformanceandcanmeetthedesignrequirements.

Keywords:

Harmonicoscillators,74LS194Two-wayshiftregister,74LS160Membersofthecounter,LEDdigitallamp.

彩灯循环显示控制电路设计

1设计方案

随着怎么生活水平提高，节日彩灯应用越来越频繁，此设计要求就是要制作一个以LED数码管作为控制器的显示元件，按照规定规律显示的循环系统。

完成此设计任务的方案有很多，要求按照指定规则显示出相应的数据，则有以下几种方法。

1.1方案一：

用多谐振荡器和移位寄存器实现

用十进制加计数器控制显示数列的循环，移位寄存器控制计数器的工作状态从而控制显示规律,555振荡器为计数器提供时钟信号。

难点在于如何实现音乐数列到自然数列的循环：

即移位寄存器移位到最后一位时，如何使下一个脉冲让控制自然数列的计数器计数。

1.2方案二：

用存储器实现

将七段显示管的各个LED管视为单一的LED，按照显示规律归纳出七段LED相应的显示管的序列规律，用顺序地址发生器送地址给存储器，将存储器存储的数据线信号经过驱动后送到LED显示，使之按要求规律显示。

2单元电路的设计

2.1方案一的单元电路

2.1.1多谐振荡器

多谐振荡器控制数字显示时间，设计要求数字的现实时间可在0.2s～0.5s之间调节，既是要求振荡器的频率可调。

本设计选用555定时器组成多谐振荡器，如图2-1-2所示。

基本原理是，当接通电源时，由于电容两端的电压不能突变，定时器的TRI（2脚）端低触发端为低电平，输出端OUT（3脚）端为高电平（内部结构决定）。

电源经过电阻R和滑动变阻器Rp给电容充电，当电容电压充到电源电压的2/3时，555内部MOS管导通，输出为低电平。

电容通过

和MOS管放电，当电容两端的电压下降到低于1/3电源电压时，MOS管截止电容放点停止，电压通过

、

再次向电容充电，如此反复形成振荡。

其振荡周期为：

设计要求是时间在0.5s到2s范围内，即

也就是要求频率范围是2~5Hz，f=1/T,所以

取

，则

，取

，

得

；同理，取

时，

。

图2-1-1555计时器内部电路

图2-1-2多谐振荡器

下图2-1-3为连好的振荡器仿真的波形图，可以明显看见它能以一定频率发出上跳时钟脉冲信号，脉冲信号频率在2~5Hz间可调。

说明此部分单元电路设计成功，能满足要求。

图2-1-3多谢振荡器波形图

2.1.2计数器

本电路选用集成芯片74LS160作为十进制计数器。

74LS160是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器,功能表和管脚图分别见图2-2-1和表2-2-1。

74LS160是中规模集成同步十进制加法计数器，具有异步清零和同步预置数的功能。

使用74LS160通过置零法或置数法可以实现任意低于十进制的计数器。

图2-2-174LS160管脚图

时钟CP

异步清除

同步置数

EP ET

工作状态

× ×

清零

↑

× ×

预置

0 1

保持

× 0

保持Qcc=0

↑

1 1

计数

表2-2-1 74LS160的逻辑功能表

2.1.2.174LS160控制自然数列的显示

将74LS160的四个输出端Qａ～Qｄ分别与数码显示管从右到左四个管脚相连，如下图2-2-2所示。

由74LS160逻辑功能表可以知道74LS160只有在异步清除端

和

同时接高电平，且EP和ET端也接高电平，同时有上跳冲击信号CP的作用时计数器才处于正常的计数工作状态。

因为74LS160原本就是十进制计数器，因此不必反馈清零，清零

端只需始终接高电平计数器即能正常计时了，将方波信号源频率调为2~5Hz就能按设计要求显示自然数列了。

图2-2-2自然数列产生电路

2.1.2.274LS160控制奇数列的显示

根据显示奇数列时Qa~Qd的真值表（表2-2-2）归纳得：

显示奇数时，

奇数

表2-2-2奇数列真值表

低位Q0输出恒为1，所以将七段显示管的低位输入接高电平，另外三个输入管脚只需进行000~001~010~011~100~000的循环，计数器的输出就能按要求显示奇数列了此部分只需要进行5进制循环，因此需要对74LS160进行异步清零，如下图2-2-3所示的与非门连线。

图2-2-3奇数列产生电路

2.1.2.374LS160控制偶数列的显示

显示偶数列时Qa~Qd的真值表为表2-2-3：

偶数

表2-2-3偶数列真值表

与奇数显示时类似，区别在于七段显示管的低端输入Q0恒为低电平，因此此处应该将显示管的Q0端接低，74LS160的Qa、Qb、Qc分别接在显示管的剩下的三个管脚，如此，74LS160只需进行和上一步一样的循环显示管就可以按要求显示偶数列了。

图2-2-4偶数列产生电路

2.1.2.474LS160控制音乐符号列的显示

音乐符号序列显示规律是0~7，与自然数列的显示规律0~9区别在于音乐符号序列只需进行8进制循环即可，所以在自然数序列显示图的基础上加一个异步清零即可使显示管按照要求显示音乐符号序列。

如图2-2-5，一旦74LS160循环达到1000，非门输出为0，即达到了对74LS160计数器进行清零的目的。

图2-2-5音乐符号列产生电路

2.1.3循环控制电路

循环控制电路可用移位寄存器构成，通过高电平的移动来控制四个数字循环系统的工作状态，清零端与高电平的输出端相连的74LS160才能正常计数。

本实验选用四位的双向移位寄存器74LS194，其功能表和管脚图见下面表2-3-1和图2-3-1。

图2-3-174LS194管脚图

表2-3-174LS194功能表

先将寄存器置入ABCD=1000,使得QaQbQcQd=1000,再让移位寄存器实现右移功能，SR端与Qd相连，便可得QaQbQcQd：

1000→0100→0010→0001→1000的循环，用Qa,Qb,Qc,Qd分别接自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐符号序列产生电路的清零端便可实行控制功能。

循环控制电路如下图2-3-2：

图2-3-2循环控制电路

2.1.4译码及显示

分段式数码管是利用不同发光段组合的方式显示不同数码的。

因此，为了使数码管能将数码所代表的数显示出来，必须将数码经译码器译出，然后经驱动器点亮对应的段。

例如，对于8421BCD码的0011状态，对应的十进制数为3，则译码驱动器应使a、b、c、d、g各段点亮。

即对应于某一组数码，译码器应有确定的几个输出端有信号输出，这是分段式数码管电路的主要特点。

对于共阴极七段显示管选用集成译码芯片74LS48。

74LS48的管脚图和功能表如图2-4-1和表2-4-1所示：

图2-4-174LS48的管脚图

表2-4-174LS48功能表

为方便起见本方案直接选用自带有译码器的LED数码显示管，如下图2-4-2所示，其四个输入端从左至右分别是从高位到低位。

图2-4-2自带译码的显示器

2.2方案二的设计思路

本方案将数码管显示数字的规律转化为数码管的各段LED的闪亮规律，采用存储器储存LED的各种点亮模式，每个模式占用一段存储地址，在各种模式下，地址码发生器循环发出这段地址，LED就根据该段地址存储的内容循环进行显示。

根据如下图2-1所示七段数码显示管发光段组合图列出数码管按规律显示时七个发光段二极管的显示序列，如表2-1.例如数码管显示零时abcdefg=1111110。

此处选共阳极LED数码管。

图2-1七段数字显示器发光段组合图

输出显示数据

表2-1循环显示真值表

在存储器输入程序，如控制a段的存储器输入序列101101111101111110111011*********1……存储器芯片同步控制a、b、c、d、e、f、g段就可以做到显示管分别按照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。

3设计方案比较

方案二虽然可以比较简单的实现循环显示的数列，但无法达到题目要求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范围内连续可调和打开电源时，控制器可自动清零的条件，而且此方案通用性不够强。

而方案一各个部分的频率都可以直接由施密特触发器调节，调节触发器滑动变阻器就可以调节其信号发出据频率，很方便，另外接通电源系统自动由0开始循环，这样也达到了打开电源时，控制器可自动清零的要求。

所以在此选用方案一来设计由LED显示的循环彩灯。

4原理说明

74LS160芯片为异步十进制计数器。

四个74LS160芯片

（1）～（4）分别控制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）数字显示循环，而它们的输出也由与门和四输入或门接到74LS194的CP端充当其脉冲信号源。

555构成的施密特触发器为74LS160的脉冲信号源。

74LS194的四个输出端Qa、Qb、Qc、Qd分别接于四个74LS160的清零端，控制它们的工作状态。

接通电源时，74LS194为预置的初态QaQbQcQd=0001，此时只有控制自然数列显示的74LS160

（1）为计数状态，而另外三个74LS160则都由于清零端输出为“0”，被强制清零。

由于振荡器产生的上跳沿脉冲信号由CP端输入，74LS160

（1）进行0~9加计数，当其运行到输出端为QaQbQcQd=1001时，连接Qd、Qa的与门输出为“1”，则74LS194的CP端收到上跳脉冲，进行右移计数，此时其输出为QaQbQcQd=0100，74LS160

（2）清零端输入为“1”，开始进行加计数工作……

关于七段数码显示器的接入，四个四输入与门Ua、Ub、Uc、Ud分别接数码显示器的由低到高位四个输入端。

74LS160

（1）和（4）的输出端Qa、Qb、Qc、Qd分别接于Ua、Ub、Uc、Ud，74LS160

（2）和（3）的Qa、Qb、Qc接Ub、Uc、Ud，而Qd则悬空。

Ua剩下的两个输入端接74LS194的Qb和地。

这样，74LS160

（2）计数时74LS194的Qb输出为“1”，使得显示器的低位输入恒为“1”，就能输出奇数列了。

同理，74LS160（3）计数时74LS194的Qb输出为“0”，使得显示器的低位输入恒为“1”，就能输出偶数列了。

设计心得：

在这次课程设计过程中，我也遇到了很多问题。

比如如何进行奇数或偶数循环，如何让移位寄存器实现内部循环移位等。

对这些问题我不断在图书馆和网上找资料，也尝试了很多种可能能够达成目的的方案，在这个过程中也学到了很多知识。

用EWB仿真过程中几个部分电路图分开仿真时都能正常工作，在整体图中就很容易出现问题，因此在连线时应十分小心。

完成课程设计的过程中我真正体验到了一个设计从前期的找资料到后来的自己设计，连线仿真，自己调试这样的整个的设计过程。

在这个过程里将以前所学的知识进行了综合的运用，发现了自己很多不足的地方，理论知识与实际应用之间的距离也充分的体现了出来。

当然，更多的是学到了很多的东西，为以后的设计打好基础。

参考文献：

[1]《经典实用电路大全》机械工业出版社、2008年1月出版、张庆双等编

[2]《数字电子技术实用教程（机电类）》中南大学出版社、003年1月出版、罗桂娥主编

[3]《电子电路实验与仿真》北京交通大学出版社清华大学出版社、2004年1月出版、路勇主编、高文焕主审

[4]《电子线路实验——数字电路实验》清华大学出版社、2007年10月出版、沈小丰、主编

[5]《数字电子技术实验与课程设计指导》东南大学出版社、2007年10月出版、许小军主编

[6]《数字电子技术基础》数字部分（第五版）华中理工大学电子学教研室编、高等教育出版社、2006年1月出版、康华光主编

整体电路图：

图4-1整体电路图

原件清单：

元件

数量（个）

74LS194

74LS160

555定时器

四输入或门

三输入与门

LED数码显示器

滑动变阻器Rp

电阻R

电容

5V电压源

开关K

本科生课程设计成绩评定表

课程设计题目：

彩灯循环显示控制电路

课程设计答辩或质疑记录：

1、请对你的设计进行简单的原理说明。

本设计电路系统由自然数列循环控制电路、奇数列循环控制电路、偶数列循环控制电路、音乐符号数列循环控制电路、555振荡器和循环控制电路构成这几个系统构成。

555振荡器控制电路的脉冲频率，通过调节其电阻或电容就可以调节其发出脉冲的频率，最终达到改变数字显示时间的目的。

循环控制系统由74LS194构成它由四输入与门的输出情况决定脉冲输入情况。

74LS160构成四个循环单元电路且四个74LS160分别进行十进制，五进制，五进制和八进制循环。

2、设计要求四种循环显示时间间隔一致，你怎样做到奇、偶数列与自然数列和音乐循环序列时间间隔一致的？

我根据奇数列和偶数列循环时数码管的低位输入的特点将低位输入接到74LS194的Qb端，而另外三个输入端由高到低分别与控制奇数列和偶数列的74LS160

（1）和

（2）的QcQbQa相连。

这样，因为74LS160由000到001时间间隔与自然数列控制部分一样是由555振荡器控制的，就达到了时间一致的要求了。

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日

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