简易彩灯控制器电路 数电课程设计.docx
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简易彩灯控制器电路数电课程设计
郑州轻工业大学
电子技术课程设计
题目____________________
____________________
学生姓名
专业班级
学号
院（系）电气信息工程学院
指导教师
完成时间2012年06月22日
郑州轻工业学院
课程设计（论文）任务书
题目简易彩灯控制器电路
专业电子信息学号姓名
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
主要内容
1．阅读相关科技文献。
2．学习protel软件的使用。
3．学会整理和总结设计文档报告。
4．学习如何查找器件手册及相关参数。
技术要求
1.要求电路能够控制8个以上的彩灯。
2.要求彩灯组成四种以上的花形，每种花形连续循环两次，各种花形轮流显示。
主要参考资料
1．何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
2．姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月
3．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月
4．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
5．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003
完成期限：
2012年06月22日
指导教师签章：
专业负责人签章：
2012年06月11日
目录
摘要
1方案设计
1.1系统组成框图
1.2工作原理
2元器件的选择
2.1元器件清单
2.2发光二级管
2.3D触发器
2.474LS194
2.574LS161
2.6555定时器
2.7LM7805
3单元电路
3.1电源电路
3.2时钟脉冲产生电路
3.3分频电路
3.4状态机电路
3.5移位输出电路
总结
参考文献
附录
简易彩灯控制器电路
摘要
彩灯目前在生活中广泛应用，比如霓虹灯，它可以闪烁出不同颜色的光，起到烘托节日气氛，吸引公众注意力的作用。
我们常见的广告牌和彩灯就是彩灯控制器原理的具体应用，目前应用前景非常广泛。
本次设计就是采用电子元器件制作的能够产生四种变换花型的彩灯控制器电路。
根据设计要求，
（1）电路能够控制8个以上的彩灯；
（2）彩灯组成四种以上的花形，每种花形连续循环两次，各种花形轮流显示。
通过分析，可以确定设计方案如下：
功能的实现需要四部分的模块：
时钟振荡电路，555定时器构成多谢振荡器；分频电路，四位二进制计数器74LS161为D触发器提供时钟；状态机电路，由双D触发器组成；移位显示电路，由双移位寄存器74194和发光二极管组成。
基于74系列简单逻辑门电路的组合，具有设计简单，成本低廉的特点。
关键词时钟脉冲分频移位寄存器双D触发器计数器
1方案设计
1.1系统组成框图
显示电路
移位输出电路
状态机电路
分频电路
时钟振荡电路
图1-1系统组成框图
把简易彩灯控制器电路设计分为几个独立模块进行设计，每个模块均可完成特定的功能，把它们组合起来就能实现所需的彩灯控制的设计。
系统可由四个模块组成。
它们分别为：
时钟振荡电路，555定时器构成多谐振荡器；分频电路，由四位二进制计数器74LS161组成，为D触发器提供时钟；状态机电路，由双D触发器组成；移位显示电路，由双向移位寄存器74194和发光二极管组成，实现花型显示。
1.2工作原理
由555定时器构成的时钟振荡电路产生固定频率的脉冲，一方面作用于由74161组成的分频电路，一方面作用于由74LS194构成的移位输出电路，为他们提供时钟信号。
由于74LS161是16分频计数器，故每十六个脉冲74LS161进位一次,致使触发器U1翻转一次，而触发器U2的3脚连接的是触发器U1的5脚，实现了U1的16分频和U2的32分频。
所以平均U1翻转两次而U2翻转一次。
集成移位寄存器74194由个RS触发器及他们的输入控制电路组成，其中S1和S0是两个控制输入端。
双Ｄ触发器的输出端改变S0,S1的值，实现左右移动控制。
可组成U1左移，U2右移；U1右移，U2右移；U1左移，U2左移；U1右移，U2左移四种花型。
每十六个脉冲每种花型恰好循环两次，而此时Ｄ触发器翻转，转换为下一种花型。
四种花型如下：
花型一：
四个灯为一组，两组均从中间向两边亮起，再从中间向两边灭掉。
花型二：
四个灯为一组，两组均从左向右亮起，再从左向右灭掉。
花型三：
四个灯为一组，两组均向中间亮起，再从两边向中间灭掉。
花型四：
四个灯为一组，两组均从右向左亮起，再从右向左灭掉。
脉冲
D1D2D3D4D5D6D7D8
花型一
花型二
花型三
花型四
1
00000000
00000000
00000000
00000000
2
00011000
10001000
00011000
00010001
3
00111100
11001100
00111100
00110011
4
01111110
11101110
01111110
01110111
5
11111111
11111111
11111111
11111111
6
11100111
01111110
01111110
11101110
7
11000011
00111100
00111100
11001100
8
10000001
00011000
00011000
10001000
9
00000000
00000000
00000000
00000000
表1-1
2元器件的选择
2.1元器件清单
元件种类
数量/个
74S194
2
74HC06
4
74LS161
1
74LS74
2
NE555
1
30K电阻
1
35K电阻
1
1K电阻
8
LED发光二极管
8
整流桥
1
0.1uF电容
1
0.33uF电容
2
10uF电容
1
100uF电容
1
1000uF电容
1
LM7805
1
表2-1
2.2发光二极管
图2-1发光二极管
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
发光二极管的反向击穿电压约5伏。
它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
2.3D触发器
D触发器的引脚如下图：
图2-2是D触发器的逻辑符号，从图2-2可看出CP是上升沿有效。
图2-2逻辑符号
图2-3边沿D触发器的逻辑图
D触发器工作原理:
SD和RD接至基本RS触发器的输入端，分别是预置和清零端，低电平有效。
当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器置1；当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。
我们设它们均已加入了高电平，不影响电路的工作。
工作过程如下：
1.CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。
同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。
2.当CP由0变1时触发器翻转。
这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。
Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。
由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。
3.触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。
这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁，即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用,故该反馈线称为置0维持线,置1阻塞线。
Q4为0时，将G3和G6封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。
Q4输出端至G6反馈线起到使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线；Q4输出至G3输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用,称为置0阻塞线。
因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。
表2-2特征表
D
Qn
Qn+1
1
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
1
图2-4D触发器状态转换图
图2-5D触发器时序图
MR
S1S0
DSLDSR
CP
P3P2P1P0
Q3Q2Q1Q0
0
××
××
×
××××
0000
1
××
××
1（0）
××××
Q3Q2Q1Q0
1
11
××
DCBA
DCBA
1
10
1×
××××
1Q3Q2Q1
1
10
0×
××××
0Q3Q2Q1
1
01
×1
××××
Q2Q1Q01
1
01
×0
××××
Q2Q1Q00
1
00
××
×
××××
Q3Q2Q1Q0
2.474LS194
图2-674LS194引脚图
集成移位寄存器74194由4个RS触发器及它们的输入控制电路组成。
其中两个控制输入端S1、S0的状态组合可以完成4种控制功能，其中左移和右移两项是指串行输入，数据是分别从左移输入端DSL和右移输入端DSR送入寄存器的。
MR为异步清零输入端。
表2-374LS194真值表
由功能表知，第1行表示寄存器异步清零；第2行表示当MR=1，CP=1（或0）时，寄存器处于原来状态；第3行表示为并行输入同步预置数；第4、5行为串行输入左移；第6、7行为串行输入右移；第8行为保持状态。
ＲDＬＤ
ＥＰ ＥＴＣＰ
Ｐ3Ｐ2Ｐ1Ｐ0
Q3Q2Q1Q0
Ｌ×
× ××
××××
ＬＬＬＬ
ＨＬ
×× ↑
ＤＣＢＡ
ＤＣＢＡ
ＨＨ
Ｌ× ×
××××
保持
ＨＨ
× Ｌ ×
××××
保持
ＨＨ
Ｈ Ｈ ↑
××××
计数
2.574LS161
74LS161的引脚图如下：
图2-774LS161引脚图
74LS161功能表如下所示：
表2-474LS161功能表
由表可知，74161具有以下功能：
1、异步清零当RD=0时。
不管其他输入端的状态如何，计数器将直接输出0。
2、同步并行预置数在RD=1的条件下，当LD=0、且有时钟脉冲CP上升沿作用的时候，P0、P1、P2、P3输入端的数据将分别被QA~QD所接收。
由于这个置数操作要与CP脉冲上升沿同步，且P0~P3的数据同时置入计数器，所以称为同步并行预置。
3、保持在RD=LD=1时，当ET*EP=0,即两个计数使能端有0时，不管有无CP脉冲的作用，计数器都将保持原有状态不变，当EP=0，ET=1时，进位输出RCO也保持不变，当ET=0时，不管EP状态如何，进位输出RCO=0。
4、计数当RD=LD=EP=ET=1时，处于计数状态。
2.6555定时器
图２－７为555定时器电路的电路结构，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
GND（或Vss）外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
VCC（或VDD）外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V,CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般为5V。
3脚：
OUT（或Vo）或输出端。
2脚：
TR低触发器。
6脚：
TH高触发器。
4脚：
R是直接清零端。
当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
CO（或VC）为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01mF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
D放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
电阻分压器由三个5K的等值电阻串联而成。
电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。
基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555定时器电路的功能表如表２－５所示。
图2-７ 555定时器电路的电路结构
表２－５ 555定时器电路的功能表
输入
输出
RD
Vi1
Vi2
Vo
TD
0
×
×
0
导通
1
<2Vcc/3
1
截止
1
>2Vcc/3
>Vcc/3
0
导通
1
<2Vcc/3
>Vcc/3
不变
不变
555定时器电路的应用很多，例如施密特触发器就是数字系统中常用的电路之一,它可以把变化缓慢的脉冲波形变换成为数字电路所需要的矩形脉冲。
施密特电路的特点在于它也有两个稳定状态,但与一般触发器的区别在于这两个稳定状态的转换需要外加触发信号,而且稳定状态的维持也要依赖于外加触发信号,因此它的触发方式是电平触发。
2.7LM7805
LM7805正电源稳压电路概述
X78XX系列是三端正电源稳压电路，它的封装形式为TO-220/D-PAK封装。
它有一些列固定的电压输出，应用非常广泛。
没种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本不会损坏。
如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1A的输出电流。
虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。
图２－８ LM7805引脚图
特点：
最大输出电流1A
输出电压为5V，6V，8V，9V，10V，12，V15V，18V，24V
热过载保护
短路保护
输出晶体管安全工作区保护
3单元电路
3.1电源电路
图3-1电源电路
如图３－１所示，电源电路是由220V工频电源，变压器，桥式整流电路，稳压器，滤波电容组成。
输出电压为５Ｖ。
3.2时钟脉冲产生电路
用555定时器构成多谐振荡器,电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲。
电路图如图4.1所示:
图3-2 由555定时器构成的多谢振器
接通电源后，电容Ｃ２被充电，当２管脚处的电压上升到２Ｖcc/3时，使Ｖo为低电平，同时放电三极管Ｔ导通，此时电容Ｃ２通过ＲＢ和Ｔ放电，Ｖc下降。
当Ｖc下降掉Ｖcc/3时，Ｖo翻转为高电平。
振荡器的振荡频率为1.43/（R1+R2+R2）C２。
3.3分频电路
74LS161是4位二进制同步加计时器。
其中1脚是异步清零端，9脚是预置控制端，P0,P1,P2,P3是预置数据输入端，RCO是预置数据输入端，7和10脚是计数控制端。
（1）异步清零：
当1脚接低电平时，不管其他输入的状态如何，计数器直接清零。
（2）同步并行预置数；在1脚接高电平的条件下，当9脚接低电平且有时钟脉冲时P0,P1,P2,P3输入端的数据分别被Q0,Q1,Q2,Q3所接收。
（3）保持：
1和9脚同时接高电平，两个记数使能端有一个接低电平时，不管有无脉冲，记数器都保持原状态不变。
（4）记数：
当1,7,9,10管脚都接高电平时，计数器处于记数状态。
当时钟电路产生16个脉冲时，计数器进位端进1，促使D触发器翻转或截止。
图3-3 74LS161引脚图
3.4状态机电路
状态机电路由两个Ｄ触发器组成。
触发器U1的５脚与触发器的U2的3脚连接，从而实现U1的16分频和UA的32分频。
Ｄ触发器为上升沿出发，当脉冲由低电平变为高电平时，Ｄ触发器发生翻转。
本电路中，假设开始时U1的５脚为高电平，则U2的3脚也为高电平，分频电路16拍进位一次，促使触发器U1发生翻转使５脚变为低电平则U2的3脚也变为低电平。
当分频电路经过第二个16拍时，再次进位，U1的５脚为高电平而此时U2的2脚也再次变为高电，此过程中U2经历了一个上升沿触发，翻转一次，从而实现四种花型的轮流变换。
图3-4状态机电路图
3.5移位输出电路
集成移位寄存器74194由4个RS触发器及他们的输入控制电路组成，其中Ｓ1和Ｓ0是两个控制输入端,A、B、C、D是并行输入端。
如表１所示，他们的状态组合可以完成四种控制功能，其中左移和右移两项是串行输入，数据是分别从左移输入端7引脚和右移输入端2引脚送入寄存器中的。
1引脚为异步清零。
如图３－５,本电路中要求移位过程中数据不丢失，故采用将移位寄存器的最高位输出端12脚和最低位输入端2引脚连接以及让移位寄存器的最低位输出端15引脚和最高位输入端7引脚连接。
，形成环形计数器。
从而实现四种花型的循环输出。
图3-5 移位输出电路电路图
表3-1 74194双向移位寄存器控制端的逻辑功能
控制信号
完成功能
S0
S1
0
0
保持
0
1
右移
1
0
左移
1
1
并行输入
总结
参考文献
1．何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
2．姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月
3．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月
4．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月
5．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003
附录1
简易彩灯设计电路
附录2
设计电路图中所用元件引脚图
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