流水灯课程设计.docx

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流水灯课程设计

圈式流水灯电路的设计

1技术指标

直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具。

技术要求

设计一种利用发光二极管作为流水灯指示,实现连接成圆圈式的发光二极管依次循环点亮形成移动的光点,要求可以实现流水灯的循环时间可以调节。

2设计方案及其比较

方案一

电源脉冲产生器十进制计数器/分频器

方案一设计思路图（图2.1）

单位脉冲电路是由一块时基集成电路NE555和C1、C2、R1、R2等组成（其中C1为延时充电电容，C2为抗干扰隔离电容，R1、R2为延时充电电阻，而R2又为放电电阻）。

也称作多谐振荡器：

充电时间T1=0.7*（R1+R2）*C1;放电时间T2=0.7*R2*C1;输出的矩形脉冲的周期为：

T=T1+T2=0.7*（R1+2*R2）;占空比：

q%=R1/（R1+R2）.通过调整R1、R2、C2的参数便可改变输出脉冲的频率。

单位脉冲电路图（）

2.1.3脉冲分配器4017

当复位端Cr加上高电平和正脉冲时，输出端Q0为高电平，其余9个输出端Q0～Q9均为低电平。

时钟输出端CP0对输入时钟脉冲的上升沿计数，cp1则对时钟脉冲的下降沿计数。

Q0～Q9这10个输出端的输出状态分别与输入的时钟个数相对应。

如从0开始计数，则输入到第1个时钟脉冲时，Q1就变成高电平，输入第2个时钟脉冲时，Q2变成高电平……直到输入第10个时钟脉冲，Q0变为高电平。

如此反复，只要集成块NE555的3脚送来的矩形脉冲信号不消失，4017的输出端将依次循环的输出高电平。

引脚说明：

a.3个输入端（2个时钟输入端CP的14脚、EN的13脚复位端Cr的15脚）。

b.有10个输出端Q0～Q9

（依次为3脚、2脚、4脚、7脚、10脚、1脚、5脚、6脚、9脚、11脚）。

c.还有一个进位端CO

方案原理图

发光二极管LED

方案一原理图（图2.4）

工作原理：

原理电路图由振荡电路、译码电路和光源电路三部分组成。

在设计电路时，本文选用的脉冲发生器是由NE555与R2、R3及C3组成的多谐振荡器组成。

主要是为灯光流动控制器提供流动控制的脉冲，灯光的流动速度可以通过调节R2、R3及C3的参数来控制。

灯光流动控制器由一个十进制计数脉冲分配器CD4017构成。

接通电源后，振荡电路通过3端输出连续脉冲，输入到CD4017的脉冲输入端CP0,使其对应的输出端依次变为高电平状态，LED依次点亮，实现循环。

方案二

当清除端（CR）为低电平时，输出端（Q0～Q7）均为低电平。

当其为高电平，且SH/LD也为高电平时，在CP0上升沿作用下进行移位操作，数据由J、K送入。

输出端依次输出J,K的状态。

引脚说明：

CP0，CP1时钟输入端

CR清除端（低电平有效）

D0～D7并行数据输入端

J串行数据输入端

K＿＿串行数据输入端（低电平有效）

Q0～Q7输出端

SH/LD移位控制/置入控制（低电平有效）

74LS191引脚图（图2.6）

2.2.4工作原理：

脉冲发生器是由NE555与R2、R3及C3组成的多谐振荡器组成。

主要是为灯光流动控制器提供流动控制的脉冲，灯光的流动速度可以通过调节R2、R3及C3的参数来控制。

灯光流动控制器由一个八位移位寄存器74LS199构成。

最右端输出端通过复位线连接到J,K输入端，当有连续脉冲输入时，输出端Q0~Q7依次输出高电平，Q7端的高电平通过反馈，送回输入端，实现高电平循环输出，LED被循环点亮。

2.2.5方案原理图：

方案二原理图（图2.7）

方案三

方案三思路图图（2.8）

2.3.2脉冲产生器同

引脚说明：

时钟CP

数据输入端P0~P3

清零/MR

使能CEP，CET

置数PE

数据输出端Q0~Q3

当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。

当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。

而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1，按顺序输出四位二进制数码。

译码器

引脚说明：

A0~A2地址输入端

Y0~Y7输出端

E1,E2,E3使能端

74LS138译码器引脚图图（2.10）

当一个选通端（E3）为高电平，另两个选通端（E1）和/（E2））为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。

工作原理

当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器174ls161在连续脉冲的作用进行八进制计数，输出端依次输出000001010011100101110111000，输出的二进制数码送到74LS138的地址输入端，进行编码，对应的输出端输出低电平，进而驱动LED发光。

当地址输入端实现循环时，输出端也能循环输出低电平，依次点亮LED.

2.3.6方案原理图

方案三原理图（图2.11）

2.4方案比较:

三个设计方案，都是用了555定时器构成的脉冲产生器，为了达到流水灯的效果，方案一利用的是数据分配器CD4017工作原理的特点，方案二利用的是四位移位寄存器能实现将某个特定的数字左移或者右移的特点来实现的，方案三则采用来由74LS161来构成了自启动的八进制计数器，并将计数器的输出接到译码器74LS161的地址端，将计数过程从译码器的输出端显示出来。

但方案三的可控性更好，而且更经济，容易实现，因此采用方案三作为最终方案。

3实现方案

主要电路功能介绍

脉冲产生电路

脉冲生成电路（图3.1）

脉冲产生器由集成电路NE555和C1、C2、R1、R2等组成（其中C1为延时充电电容，C2为抗干扰隔离电容，R1、R2为延时充电电阻，而R2又为放电电阻）。

通电后，因电容C1两端电压不能突变，2脚的电压为低电平，集成块NE555的内部触发器被置位，3脚输出高电平。

同时，由于电源经电阻R1和R2向C2充电，使6脚和2脚的电压不断提高，当电位上升到VCC的2/3时，集成块NE555的内部触发器被复位，3脚的输出电压翻转为低电平。

同时集成块NE555内部的放电管导通，即7脚通过内部的放电管和1脚相通，C2上储存的电荷就通过R2、7脚放电，使6脚和2脚的电压不断下降，当电位降低到VCC的1/3时，集成块NE555的内部触发器被置位。

同时集成块NE555内部的放电管截止，7脚被悬空，电源又通过R1、R2向C2充电，使6脚和2脚的电压不断提高……如此，周而复始，形成振荡。

输出端的高电平维持时间取决于电容C2的充电时间常数，输出端的低电平维持时间取决于电容C2的放电时间常数。

3.1.2计数器74LS161

引脚图如方案三图，功能表如下

74LS161功能表（）

从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。

当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。

而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。

74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。

译码器74LS138

引脚图如方案三图，功能表表如下：

译码器74LS138（图3.3）

由功能表可知：

当一个选通端（S1）为高电平，另两个选通端（/（S2）和/（S3）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。

当S1为低电平或S2,S3同为高电平时，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平

74LS138的八个输出管脚，任何时刻要么全为高电平1—芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出管脚全为高电平1

方案原理图

方案原理图（图3.4）

工作原理：

如实验电路图所示，NE555芯片的8脚和复位端四脚接电源，将2脚和6脚并联，再与RC构成充放电电路的串联点连接，将7点接到放点电。

C2两端的电压作为触发器输入信号，5脚通过大小为0.01uf的CI电容接地，则构成了多谐振荡电路。

多谐振荡电路产生的脉冲接到芯片74LS161的EP端，把555定时器用来生成特定占空比特定频率的方波脉冲，把脉冲给计数器74LS161，通过74LS161形成模8加法计数器，再将74LS161输出信号供给译码器74LS138，计数器的使能端ET，CP,复位端RD和置位端LD接电源，Q1,Q2，Q3分别接译码器的地址端A0,A1,A2,将计数结果通过译码器显示出来，译码器的SD，S0接电源，S1，GND接地，译码器的八个输出端通过发光二极管与电源相接。

当电源接通时，多谐振荡电路为电路输入脉冲，当时钟脉冲的下降沿到达时，计数器计数一次，将计数的结果输入译码器的地址段，译码器相对应的发光二极管发亮，因计数器被设计成八进制的计数器，可实现发光二极管随着脉冲下降沿的到来依次发光。

4调试过程及结论

完成电路设计，安装元器件及连好导线后，进行实验结果测试。

实验前首先完成以下步骤：

1.检查电路原理图及导线的连接。

在电脑上仿真，能够得出正确的实验现象，所以电路原理图正确。

检查导线的连接是否与电路原理图上一致。

2.检查导线的连接。

对照电路原理图，用数字万用表打到合适的档位，测试各对应的接点是否连接好并导通。

3.检查实验仪器和器材是否完好。

电源5伏直流电压输出正常，74LS161，74LS138芯片测试其功能均正常，用万用表检查开关，按下时导通均正常。

完成上述步骤后，接通5伏的直流电源，实验现象为：

按下开关，发光二极管出现循环亮暗变化，通过改变相关电阻或电容的大小，进一步确定发光二极管各自发光停留的时间，从而形成循环时间可调的流水灯。

5心得体会

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。

在整个设计过程中，我设计了三个方案包括电路原理图，芯片选择等。

最终的实验方案总共使用了74LS161，74LS138各一个，NE555定时器一个。

2、在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。

3、我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

4平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。

而且还可以记住很多东西。

比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。

认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。

5.在制作面包板时时，发现细心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都使我受益非浅。

对我今后的学习和工作也会产生积极的影响。

6参考文献

《数字电子技术基础》伍时和清华大学出版社

《电子技术基础》康华光高等教育出版社