12路流水灯控制电路剖析.docx

1、12路流水灯控制电路剖析一、概述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不断变化闪烁。 LED，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灯由于其丰富的灯光色彩建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的 LED灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性， 影响亮灯效果。 因此有必要对现有彩灯控制

2、器进行改进。流水彩灯控制器在我们日常生活中有重要的应用，如广告牌的设计和节日彩灯的设计都能运用到它的原理。本次设计的流水彩灯控制器是其中较简单的，但这是复杂设计的基础。设计要求：1、在选择器件时，应考虑成本。2、根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3、画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。技术指标：1 、用中规模计数器设计该 12 路流水灯控制电路；2、要求每盏灯的点亮时间介于 1s 1.2s 之间；3、要求用 555 定时器设计时钟脉冲， 12 路流水灯采用 12 个发光二极管代替。1二、方案设计1原理框图555多谐振荡电路74LS161 计数74HC154 译LED 显

3、示部部分码电路部分分图 1 12 路流水灯设计原理图该电路主要由 555 定时器、 74LS161计数器和 74HC154译码器和 LED发光二极管。由 555 定时器构成脉冲发生器，并由 LED发光二极管监视电路是否工作；将 74SL161接成二进制计数器， 74SL154的 12 个输出端依次与排成一排的 12 个 LED发光管相接。161 芯片的 QC、QD端接与非门然后与 161 的 LOAD端相接；且 161 的 LOAD端通过非门与 154 芯片的 G1与 G2相接。取 74SL161的 QD、QC、QB、QA接到 74SL154的地址控制端 D、 C、 B、 A， 12 个发光二

4、极管按一定方向循环亮灭。2各模块组成及功能分析1 、振荡电路：由一个 555 芯片与滑动变阻器，电阻和电容组成。周期可调，控制计数器。2 、计数器：由一个 74LS161 芯片与两个非门组成，输出信号至译码器，控制 LED灯的亮灭的顺序。3 、译码器：由一个 74HC154芯片组成，为 4-16 译码器， 输出来自 555 芯片的信号到 LED灯。4、显示部分 : 由 12 个发光二极管和电阻组成， 通过发光二极管的亮灭情况判断电是否达到设计要求。2三、电路设计1 555 多谐振荡电路多谐振荡电路由 LMC555定时器、一个滑动变阻器、 一个电阻、两个电容组成。 555定时器是一种多用途的数字

5、模拟混合集成电路， 利用它可以方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。 由于使用灵活方便， 所以 555 芯片在波形的产生与变化、测量与控制等多种领域得到广泛应用。本次课设的多谐振荡电路在这次课程设计中，LMC555定时器用来产生脉冲信号。 LMC555定时器的管脚图如图 2 所示：图 2 555 定时器管脚555定时器内部主要由以下几个部分组成：1、电阻分压器：由 3 个 5k 的电阻组成。2、电压比较器：由 C1与 C2组成，当控制输入端悬空时， C1与 C2的基准电压分别是 1/3V CC与 2/3VCC。3、基本 RS触发器：由两个与非门 G1与 G2构成，对两个比较器输出的

6、电压进行控制。4、放电三极管 VT:VT 是集成极开路的三极管， VT的集成极做定时器的引出端 D。5、缓冲器：由 G3与 G4构成，提高电路的负载能力。引脚功能：1脚位接地端； 2 脚是低电平触发器入端； 3 脚输出端； 4 脚复位端； 5 脚是电压控制器； 6 脚是高电平触发器入端； 7 脚是放电端； 8 脚是电源端。3由 555 定时器构成的谐振荡电路如图 3 所示：图 3 555 多谐振荡电路555定时器构成多谐振荡电路，电路输出可以得到一个周期性的矩形脉冲，其周期为：T=T1+T2=（ R1+2R）C1ln 2由于 1sT50。C2为滤波电容，起滤波作用，一般取 C2=0.01F。接

7、通电源后， Vcc 经 R1，R2给电容 C 充电。由于电容上电压不能突变， 电源 Vc=0，当 Vc 上升到大于 Vcc/3 时， RD=1，SD=1，基本 RS触发器不变，即 Q仍为高电平，当 Vc 上升到略大于 2Vcc/3 时， RD=0,SD=1,基本触发器置零， Q为低电平。这时 Q=1，使内部放电管饱和导通，于是电容 C 经内部放电管和 R2 放电， Uc按指数规律减小。当 Vc 下降略小于 Vcc/3 时，内部比较器 A1输出高电平， A2 输出低电平， 基本 RS 触发器置 1，输出高电平。这时， Q=0，内部放电管截止。于是 C结束放电并重新开始充电。如此循环不止，输出端就

8、得到一系列的矩形脉冲。42 74LS161 计数部分计数部分主要由 161 芯片，一个与非门和一个反向器组成。因为在课设中需要一个十进制计数器， 因此采用了 74LS161芯片作为计数器， 用来控制 LED灯的亮灭顺序。74LS161的引脚图如图 4 所示：图 4 161 芯片引脚图74LS161 是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器， 它可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能。 74161 型四位同步二进制可预置计数器的外引线排列图及其逻辑符号，其中 CLR（RD）端是直接清零端，LOAD（LD）端是预置数控制端， A（A0）、 B（A1）、 C（A2）

9、、 D（A3）是预置数据输入端， ENP（EP）和 ENT（ ET）是计数控制端， QA（Q0）、 QB(Q1) 、QC（Q2）、QD（Q3）是计数输出端， RCO是进位输出端。 74161 型计数器的功能表如表 1 所示表 1 74LS161 功能表5由表 1 可知， 74LS161具有以下功能：1、 异步清零： CLR（ RD）=0 时，计数器输出被直接清零，与其他输入端的状态无关。2、同步并行预置数：在 CLR（RD）=1 条件下，当 LOAD（LD）=0 且有时钟脉冲CP的上升沿作用时， A（A0）、 B（A1）、C（ A3）、 D(A4) 输入端的数据 d3、d2、d1、 d0 将分

10、别被 QA（ Q0）、 QB（Q1）、 QC（ Q2）、 QD（Q3）所接收。3、保持：在 CLR（RD）=LOAD（LD）=1 条件下，当 ENT（ET） ENP（EP） =0，不管有无 CLK（CP）脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变。 需要说明的是，当 ENP=0，ENT=1时，进位输出 RCO也保持不变；而当 ENT=0时，不管 ENP状态如何，进位输 RCO=0。4、计数：当 CLR=LOAD=ENP=ENT=1时， 74161 处于计数状态。由于本次课设需要用到组合逻辑运算， 因此需要一个 74LS00芯片 , 其引脚图如图5所示：图 5 74LS00 芯片引脚图真值表如表 2

11、所示：表 274LS00真值表ABY0010111011106反相器 74LS04引脚图以及功能表如下图所示 :图 6 74LS04 引脚图表 3 74LS04功能表AY011074LS161芯片构成的译码电路部分如图 7 所示：图 7 74LS161 译码电路部分7置数端 A、B、C、D 分别置 0。2 接脉冲信号，同 555 振荡器的 3 相接， 1、 7、 10接电源。 QA、QB、QC、QD端接 154 芯片的 A、B、C、D 端，QC、QD端通过与非门与 LOAD端相接； LOAD端通过反相器与 154 芯片的 G1与 G2相连。3 74LS154 译码部分与 LED显示部分该部分分

12、主要由一个 74HC154芯片和 12 个发光二极管以及电阻构成。 74HC154的引脚图如下图所示 :图 874HC154 引脚图74HC154 功能简述 :74HC154 4 线 -16线译码器 / 解调器1、将 4 个二进制编码输入译成16 个彼独立的输出之一；2、将数据从一个输入线分配到 16 个输出的任意一个而实现解调功能；3、输入箝位二极管简化了系统设计；4、与大部分 TTL 和 DTL电路完全兼容。74154 这种单片 4 线 16 线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。 当两个选通输入 G1和 G2为低时 , 它可将 4 个二进制编码的输入译成 16 个互相独立的输出之一。

13、实现解调功能的办法是：用 4 个输入线写出输出线的地址，使得在一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。当任何一个选通输入是高时，所有输出都为高。8功能表如表 4 所示 :表 474HC154 功能表引脚端符号名称及功能1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15,16,17O0O15输出低电平18,19G1,G2使能输入（低电平）23,22,21,20AD地址输入12GND接地24Vcc接电源电压74HC154及 LED灯构成的译码显示部分如图 9 所示：图 9 74HC154 译码及 LED显示部分9引脚端 A、B、C、D 分别接来自 74LS161的 QA、QB、QC

14、、QD端，G1，G2端通过反相器与 161 芯片的 LOAD端相接，113 引脚接电阻与发光二极管， 二极管另一端接 4V 电源电压。四、性能测试1多谐振荡电路的测试仿真电路图如图 10 所示：图 10 多谐振荡电路测试图101、周期为 1.278s 时多谐振荡器输出的波形图如下：图 11 多谐振荡电路输出波形图2 、改变滑动变阻器阻值，让周期落在 1 1.2s 之间，此时输出的波形图如下：图 12 多谐振荡电路输出波形图112电路整体测试第一盏灯亮，其余的灯不亮，如图 13 所示：图 13 整体测试电路12第四盏灯亮，其余的灯不亮，如图 14 所示：图 14 整体测试电路13第九盏灯亮，其余

15、的灯不亮，如图 15 所示：图 15 整体测试电路14第十二盏灯亮 , 其余的灯都不亮 , 如图 16 所示 :图 16 整体测试电路15所有的灯都不亮 , 处于全灭状态 , 如图 17 所示 :图 17 整体测试电路16五、结论电路的设计能完成基本功能的实践， 使用的芯片数量少， 设计思路清晰明了。 但是在两个星期的课设过程中我也遇到了不少的问题，比如第一次连电路的时候因为把LED 灯接反导致没看到预期的结果。第二次因为串联的电阻阻值过大导致 LED 灯不亮。而且在老师的帮助下，我改正了我原来电路的不足之处，我原来的设计方案是用两个 138 芯片代替 154 芯片进行译码，然而结果并不尽人意

16、，在运行过程中出了不少问题，不能达到预期效果，后来多亏了老师，才能顺利完成课设。通过本次课程设计， 让我了解了 12 路流水灯的基本原理与设计理念。 更让我明白具备扎实的理论基础是非常重要的，如果理论知识不够强，随意一点小的差错就可能导致电路不能达到预期的效果。而且，通过这次课程设计，充分的将理论知识与实践知识相结合，也提高了我的查阅资料的水平，让我的经验，能力得到了锻炼。经过了这次课设，也让我对于电路产生了兴趣，我从中学到了将整体的功能分成若干部分一一实现的简化电路的方法， 这对我们平时生活， 学习也很有帮助。 我认为，老师之所以让我们去做课设，就是为了锻炼我们的自主学习能力和实践动手能力。

17、最后，再次对关心我的老师，帮助过我的同学表示衷心的感谢！参考文献1童诗白，华成英编 . 模拟电子技术基础 M. 北京：高等教育出版社2朱定华主编，电子电路测试与实验 .M 北京：清华大学出版社3路勇主编，电子电路实验及仿真。 M 北京：北方交通大学出版社4康华光主编，电子技术基础数字部分第五版 .高等教育出版社5阎石主编，数字电子技术基础 .高等教育出版社6周巍，黄雄华主编，数字逻辑电路 实验 设计 仿真，电子科技大学出版社7包兴，胡明主编，电子器件导论，北京理工大学出版社8王港元主编，电工电子实践指导，江西科学技术出版社9吴立新主编，实用电子技术手册，机械工业出版社10陈永甫主编，新编 55

18、5 集成电路应用 800 例，电子工业出版社11阎有运主编，电工电子实践系列教程 - 电子技术实践，中国矿业大学出版社12艾永乐，付子义主编，数字电子技术基础，中国电力出版社13江晓主编，数字电子技术 ，西安电子科技大学出版社17附录 I 总电路图图 18 总电路图18附录 II元器件清单序号编号名称型号数量1U1译码器74HC154DW12U2与非门74LS00D13U3555 定时振荡器LMC555CM14U4计数器74LS161N15U5反相器74LS04D16R1R14电阻25k 100 147C1 C2电容22 F 0.01 2F812LED发光二极管LED电源电压195VVcc10滑动变阻器50k1R319