数电课程设计数码管显示控制器的设计与实现.docx
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数电课程设计数码管显示控制器的设计与实现
引言
显示器件是电子设备中不可缺少的部分，从灯泡，阴极射线管（CRT，cathode-raytube）显示器，到发光二级管（LED，light-emittingdiode），液晶显示屏（LCD，LiquidCrystalDisplay），显示器件的发展伴随着电子技术的不断发展。
目前，在小型便携式电子设备中，LED和LCD显示器件成为主要的显示器件，其中发光二级管和IJED数码管，主要用于状态指示和数字字符显示，LCD主要用于文字和图形显示。
LED数码管是用发光二级管组成字符笔画或点阵，用于显示简单字符和图形。
最常用的是七段LED数码管，它用发光二级管组成数字字符8的七段笔画，至少可以显示十六进制数字的十六个字符，再加上一个小数点显示，常用于在电子设备上显示数字字符串。
其特点主要在于使用简单，价格低廉，显示亮度高，功耗小，器件可靠性很高。
本设计即利用逻辑芯片来实现数码管的控制显示
1.设计背景
1.1设计任务
根据已知条件，完成对数码管显示控制器的设计、装配与调试。
1.2设计要求
（1）能自动一次显示出数字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），0、1、0、1、2、3、4、5、6、7（音乐符号序列）；然后再从头循环；
（2）打开电源自动复位，从自然数列开始显示。
1.3指导思想
本设计将采用几个基本的数字集成的74系列（74LS153,555）芯片来完成所需要的数字逻辑显示功能（在七段数码管上按规律显示特定的数字）。
本设计具有逻辑清晰、设计巧妙的特点，能很好的符合课程设计的要求。
2.方案论证
2.1方案说明
该设计的关键是对74LS153的输入端的强制置数的处理，设计要求产生奇数，实际上就是将第一个74LS153的1C1强制置1；要求产生偶数，实际上就是把第一个74LS153的1C2强制置0；要求产生0-7的音乐符号，实际就是把第二个74LS153的2C3强制置0；也就是说产生十进制的的计数一直是不变的，它内部的技术依然是0-9的计数，我们只是在外部改变了它的输出而已，因此我们这个方案采用一个最简易的方案：
两个74LS160和两个74LS153，一个555作脉冲产生之用，一片74LS48译码，一个七段数码管作显示。
2.2方案原理
首先，用一个555构成多谐振荡器产生大约1HZ的脉冲，脉冲可以使74LS160正常工作循环产生0—9的十进制数作为74LS153的输入，用74LS160的低两位输出作为两个74LS153的地址输入控制其输出。
74LS160每循环0—9一次就会产生进位输出为74LS160提供一个脉冲，使其计数一次，74LS160在此处做为一个四进制的计数器。
在脉冲作用下，74LS160的低两位循环产生00、01、10、11从而使74LS153输出相应的十进制数再经CD4511译码最终使数码管按要求依次显示出数字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、0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音乐符号数列），然后又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。
经以上的论证我们可知，这个方案在理论上分析是完全可行的，经我们仿真之后验证，此方案是完全可行的。
3.电路的设计与分析
3.1电路的总体设计
由设计要求依次显示自然数列1、2、3、4、5、6、7、8、9，奇数列1、3、5、7、9，偶数列0、2、4、6、8，音乐数列0、1、0、1、2、3、4、5、6、7，列出下列关系：
自然数列奇数列偶数列音乐数列
0000000100000000
0001001100100001
0010010101000000
0011011101100001
0100100110000010
01010011
01100100
01110101
10000110
10010111
通过上面的数列可发现如下规律：
奇数列最末位都为1；偶数列最末位都为0,音乐数列的最高位都为0.因此该设计的关键是对74LS153的输入端的强制置数的处理，设计要求产生奇数，实际上就是将第一个74LS153的1C1强制置1；要求产生偶数，实际上就是把第一个74LS153的1C2强制置0；要求产生0-7的音乐符号，实际就是把第二个74LS153的2C3强制置0；也就是说产生十进制的的计数一直是不变的，它内部的技术依然是0-9的计数，我们只是在外部改变了它的输出而已。
用一个555构成多谐振荡器产生大约1HZ的脉冲，脉冲可以使74LS160正常工作循环产生0—9的十进制数作为74LS153的输入，用74LS161的低两位输出作为两个74LS153的地址输入控制其输出。
74LS160每循环0—9一次就会产生进位输出为74LS160提供一个脉冲，使其计数一次，74LS160在此处做为一个四进制的计数器。
在脉冲作用下，74LS160的低两位循环产生00、01、10、11从而使74LS153输出相应的十进制数再经CD4511译码最终使数码管按要求依次显示出数字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），然后又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。
3.2电路的原理框图
3.3元电路的设计与分析
3.3.1多谐震荡电路的设计与分析
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为2VCC/3，A2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则A1的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
555定时器主要是与电阻电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容上的电压以确定输出电压的高低和放电开关管的通断，可构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲产生电路。
时钟信号的产生方式很多，本电路设计使用555定时器，555定种双极型中规模集成电路，只要在外部配上几个适当的阻容。
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4.5V---18V，驱动电流也较大，并能提供与ttl,MOS电路相兼容的逻辑电路。
3.3.2计数电路的设计与分析
该设计用到了74HC160两个计数器，其中74HC160用来产生0～9的十进制数作为数据选择器的输入，74HC160的输出低两位作为数据选择器的地址选择其实是将其作为了一个四进制的计数器，循环产生00、01、10、11进而控制了数据选择器的输出，终使数码管按要求产生循环数列。
下面是最74hc160的介绍：
异步清零端/MR1为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。
160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54/74160，当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数器控制端CEP、CET为高电平，则/PE应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS160无此种限制。
160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均为高电平时，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54/74LS160的CEP、CET跳变与CP无关。
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。
对于74LS160，在CP出现前，即使CEP、CET、/MR发生变化，电路的功能也不受影响。
引出端符号：
TC 进位输出端
CEP 计数控制端
Q0-Q3 输出端
CET 计数控制端
CP 时钟输入端（上升沿有效）
/MR 异步清除输入端（低电平有效）
/PE 同步并行输入置数端（低电平有效）
74LS153逻辑功能表
表3-174LS153逻辑功能表
输 入
输出
B
A
C0
C1
C2
C3
G
Y
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
0
1
74hc160逻辑功能表
表3-274hc160逻辑功能表
计数顺序
电路状态
等效十进制
进位输出
Q3
Q2
Q1
Q0
C
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
2
0
0
1
0
2
0
3
0
0
1
1
3
0
4
0
1
0
0
4
0
5
0
1
0
1
5
0
6
0
1
1
0
6
0
7
0
1
1
1
7
0
8
1
0
0
0
8
0
9
1
0
0
1
9
1
3.3.3译码显示电路的设计与分析
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就会被点亮。
该设计中选用的是七段数码管如图3-2所示，为共阴极的，用CD4511译码驱动器进行驱动，当电路开始正常工作后在该数码管上就会按设计要求依次显示数字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、0、1、2、3、4、5、6、7（音乐符号数列），然后又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。
计数器用来产生十进制计数，其输出端信号加到译码器输入端，经译码后可以在输出端产生所需的控制信号。
本电路计数器译码器采用74LS48，译码驱动电路如图3-4。
它们分别为可预置4位二进制同步可逆计数器和八选一数据选择器。
电路的工作原理是不规则时钟脉冲信号加到计数器74LS160的计数向上引脚，计数器控自然忘序递增计数，其输出端Qd,Qc,Qa,Qb按自然忘序递增到1000时，由于清除和Qd相连接当Qd为1时计数器清等然后又重复递增计数，不断循环进行。
而计数器的输出瑞Qc,Qb,Qa接到74LS153的输入端，在Qc，Qb，Qa的作用下价它们的每一种组合方式对应于输出端的一个引脚状态.在任意时刻只有一个端口为高电平其余喘口全为低电平.而且这种变化同样是按照自然递增的顺序循环进行。
根据这种结果，可以把每一路输出用以控制半导体数码管从而可以达到循环显示数字的目的。
4.电路仿真、调试与分析
4.1脉冲产生电路的仿真
4.2总电路仿真
图4-3总电路仿真
4.3运行结果分析
接通电源后数码管可以按要求依次循环显示出数字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、0、1、2、3、4、5、6、7（音乐符号数列），然后又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。
并且打开电源自动复位，从自然数列开始显示。
5.心得与改进
这次的课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象能力，另外还有学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路、设计电路的能力。
这次的课程设计让我们懂得了理论知识在实际中的用途，突然感觉自己学的东西很有用，我们觉得这样就可以激发我们以后的学习兴趣，这样有利于今后更好的学习。
通过这次实践活动，我们增强了解决问题的能力，从中也发现了自己在动手操作方面的不足，为日后参加工作打下坚实的基础
改进：
可以采取更好的焊接技术，采取更加合理的布局.
课程设计器件表
电阻51kΩ2个
330Ω7个
1kΩ1个
电容106（μf）3个
芯片74hc101片
74hc1602片
74ls1531片
Cd45111片
Ne555p1片
共阴极七段led显示
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