课设二循环彩灯的电路设计

1、武汉理工大学专业课程设计（二）课程设计说明书彩灯循环控制电路的设计1 技术指标 设计一种利用发光二极管作为彩灯指示,实现发光二极管依次点亮形成移动的光点,并不断循环的彩灯循环控制电路，要求可以实现彩灯循环的时间可以调节。2 设计方案及其比较2.1 方案一对于脉冲信号的产生部分的设计，由于产生信号脉冲的方法很多，这里我们选用的是555定时器构成的多谐振荡器。它可以在接通电源后产生一定频率和一定幅值的矩形波，用作脉冲信号源。由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器，其振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，使得产生的波形更稳定，所以我们选用555

2、定时器组成多谐振荡器。得到的电路图如下： 图一 时序脉冲信号的产生电路 其中，电阻R1、RV2和电容C1构成定时电路，定时电容C1上的电压Vc作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。放电端D（7脚）接在R1和R2之间。电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容（0.01uF）。直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。用示波器观察555定时器组成的多谐振荡器的输出波形如下： 图二 示波器观察555输出波形 对于彩灯控制电路部分的设计，要产生由零位至九位的依次高电平并循环，直接使用具有计数、译码功能的集成芯片CD4017。其电路图如图二所示： 图

3、三 彩灯控制电路将时序脉冲产生电路中555芯片的3号输出管脚接到CD4017的时钟信号输入端（14脚），得到总的电路图如下： 图四 方案一总的电路仿真图2.2 方案二74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，可以灵活的运用在各种数字电路中，实现分频器等很多重要的功能，合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。74LS138 为3 线8 线译码器,当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（E2)和(E3)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。方案二电路工作原理：该电路的左边是

4、以555芯片为核心构成的一个多谐振荡电路，借助该电路产生驱动后续芯片的脉冲，该部分电路产生的脉冲周期可以通过改变滑动变阻器RV1的阻值来改变脉冲频率，接下来的电路是以74LS161芯片为核心构成的四位二进制计数器。计数器在计数脉冲的作用下，Q0到Q3的输出从“0000”到“1111”依次变化。将74LS161的Q0、Q1、Q2输出端分别连接到74LS138的地址端A、B、C，在Q0、Q1、Q2的输出从“000”到“111”的过程中，通过译码器之后，输出端Y0-Y7依次输出低电平，再经过反相器，驱动对应的二极管发光。方案二的总体电路图如下： 图五 方案二总的电路仿真图2.3 方案三 在第二种方案

5、的基础上，改用74LS193作为计数器，74LS193是同步四位二进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有异步清零和异步置数等功能，能实现加计数和减计数，相对于74LS161来说，它的功能更齐全。 74LS193的特点是有两个时钟脉冲（计数脉冲）输入端CPU和CPD。在RD=0、LD1的条件下，作加计数时,令CPD1,计数脉冲从CPU输入；作减计数时，令CPU1，计数脉冲从CPD输入。此外，74LS193还具有异步清零和异步预置数的功能。当清零信号RD1时，不管时钟脉冲的状态如何,计数器的输出将被直接置零；当RD0,LD0时，不管时钟脉冲的状态如何，将立即把预置数数据输入端A、B、C、D的状态

6、置入计数器的QA、QB、QC、QD端，称为异步预置数。 将74LS193的Q0、Q1、Q2输出端分别连接到3 线8 线译码器74LS138的地址输入端A、B、C，同理，在74LS193的输出端Q0、Q1、Q2从“000”到“111”的过程中，通过译码器之后，输出端Y0-Y7依次输出低电平，再经过反相器，驱动对应的发光二极管D0-D7发光。限流电阻R2的阻值应适宜，太小容易烧坏二极管，太大了二极管不亮或很暗。 方案三的总体电路图如下： 图六 方案三总的电路仿真图2.4 方案比较方案一：实现该方案只需要两个芯片，并且CD4017 是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，因而兼备了计

7、数器和译码器的功能，电路整体来说比方案二、方案三简单，连线也不复杂，而且还能实现十个彩灯的循环，而方案二、方案三最多能实现八个灯的循环，因此方案一更具优势。从经济角度看，实现该电路很廉价，主要用到了常见的NE555定时器和CD4017，计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜，此外，由于该方案设计思路明了，功能分区域实现，故在电路板上较容易实现。 方案二：该方案相对于方案一来说，该方案多用到了一个芯片，用74LS161计数器和74LS138 译码器来共同实现CD4017的功能，因此无论是从经济角度看还是从连线的难易度来看，都不如方案一好。方案三：该方案相对于方案二来说，是用四位二进制可逆计数器7

8、4LS193替换了74LS161，虽说它能实现加减计数，功能更齐全，但由于具有双时钟输入，接线相对来说要复杂，也容易出错，检查电路错误时需要查一下各管脚的功能和连接方式，因而没有方案二实现方便，更没有方案一简单、易实现。通过比较以上三种方案，可以看出，第一种方案是比较好实现的，按照方案一不仅可以达到课程设计所要达到的要求，而且方案一实现起来非常简单，电路容易理解，实验容易进行，能够减小实验的成本，此外方案一中电路所需要的接线少，简化了电路，降低了接线的难度，只需要查一下各管脚的功能，就能明确接线方案，十分方便。因此，综合多方面因素，选取方案一来实现最恰当。3 实现方案3.1 原理图 在实现的时

9、候对方案一进行了修正，将两个1.4K的电阻串联后接到7脚，RV2的阻值改为100K,电容C1的值改为10uF,故最终的实现方案电路图如下： 图七 最终的实现方案电路仿真图3.2 实验原理我们用555定时器组成的多谐振荡器实现脉冲信号的产生。 图八 555定时器构成多谐振荡电路接通电源后，电容C1被充电，当定时电容C1上的电压Uc上升到2/3Vcc时，使Uo为低电平，同时555定时器内部的放电三极管T导通，此时电容C1通过和三极管放电，Uc下降，。当Uc下降到1/3Vcc时，Uo翻转为高电平。电容C1放电所需时间为: 放电时间 （1） 当放电结束时，三极管T截止，Vcc通过R1、R2 及电容C1

10、充电，Uc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需时间为 充电时间 （2） 当Uc上升到2/3Vcc时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。 矩形波的振荡周期: （3） 电路的振荡频率： （4） 输出波形占空比： （5） 555定时器构成多谐振荡电路的工作波形如下： 图九 工作波形彩灯控制电路的实现主要应用了集成芯片CD4017实现数列循环，控制彩灯的亮灭。芯片CD4017本身具有计数及译码功能，因此这部分只需按照其功能表来接电路就可以实现要求数列输出，并控制彩灯。将

11、具有计数及译码功能的芯片CD4017 MR、CP1置零，使其工作在正常计数状态，接通电源、脉冲源。在前九个脉冲中，第n个上升沿脉冲输入时，对应Qn为高电平，其余为低电平，使得Dn二极管发光。第十个上升沿到达时，Q9对应高电平，即D0至D8灯全部熄灭。再下一个脉冲上升沿到达，继续上述循环。3.3 元件清单NE555定时器和CD4017，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3.4 元件介绍3.4.1 555定时器 图十 LF353管脚图 管脚解释： 1脚 接地端GND 2脚 触发点 3脚 输出 4脚 复位端 5脚 基准电压 6脚 门限(阈值） 7脚 放电端

12、 8脚 电源电压Vcc 工作参数：供应电压 4.5-18V供应电流 10-15ma输出电流 225mA (max) 上升/下降时间 100 ns下表给出了555定时器的功能表： 表1 555定时器的功能表输 入输出阈值输入触发输入复位输出放电管xx00导通VccVccVcc10导通Vcc1不变不变3.4.2 CD4017芯片CD4017引脚图如下：管脚解释： Q0-Q9 ：计数脉冲输出端8脚VSS：地12脚CO：进位脉冲输出13脚INH：禁止端14脚CP：时钟输入端15脚CR：清除端16脚VDD：正电源 图十一 CD4017管脚图表2给出了CD4017的功能表： 表2 CD4017功能表输入输

13、出CP0CP1MRQ0-Q9COxx1清零每十个时钟输入周期，CO信号完成一次进位，由1变为000计数100x0保持x101000CD4017的工作条件：电源电压范围：3V-15V输入电压范围：0V-VDD工作温度范围：M 类：55-125 E 类：40-85极限值：电源电压：-0.5V-18V输入电压：-0.5V-VDD 十0.5V输入电流：10mA贮存温度：-65-1503.4.3 74ls161 74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，管脚图如下： 图十二 74ls161管脚图管脚解释： 1脚 清零/MR 2脚 时钟CP 3-6脚 四个数据输入端P0P3 8脚 接地端 7

14、脚、10脚 使能端CEP、CET 9脚 置数端PE 11-14脚 数据输出端Q0Q3 15脚 进位输出端TC16脚 正电源表3 给出了 74LS161的功能表：表3 74LS161功能表输入输出CPPTD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0 X0XXXXXXX000010XXdcbadcbaX110XXXXX保持X11X0XXXX保持（C=0）1111XXXX计数3.4.4 74ls13874LS138 为3 线8 线译码器，其管脚图如下： 图十三 74ls138管脚图管脚解释： 1-3脚： A0-A2，地址输入端 4、5脚： 、,选通端（低电平有效） 6脚： STA（E1）,选通端 7、9-15脚

15、： ，输出端（低电平有效） 8脚： GND，接地 16脚： VCC，正电源 表4 给出了 74LS138的功能表：表4 74LS138功能表输入输出STABCA2A1A0HHHHHHHHHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL4 调试过程及结论 4.1 实物布线图通过查阅有关面包板资料，在弄清楚面包板的基本结构以及各个孔的连通情况，以及面包板上插孔内部导通情况，并且掌握了面包

16、板上下两行插孔的分组情况，遵循着接线“横平竖直”的原则，我和同组同学终于完成了布线，整个面包板看起来比较简洁，没有飞线、混接等情况，并且注意到了芯片电源的正负极以及电容的正负极，面包板上的接地部分已事先留出。之后是检查电路，看看是有芯片管脚接错、导线松动接触不良等问题。在确认无误之后，最终得到以下的实物连接图： 图十四 面包板实物连接图4.2 接通电源调试过程在充分检查电路，确定无误之后正准备接通直流电源的时候，我们遇到了问题，眼前的直流电源与我们平时模拟电子技术试验所用到的有些不同，于是我们在询问了上一组实验的同学之后，终于弄清楚了直流电源的使用方法，在用导线将电源两端的接地端连通之后，我们

17、分别用导线从电源的正负端引出，接到面包板上事先设置好的正负极插孔上，接电源这一步就完成了。观察现象这一步，看见在面包板上已排好的发光二极管，按照事先设计的“S形依次点亮并形成移动的光点,到时序脉冲第十个上升沿到达时，Q9对应输出高电平，即D0至D8灯全部熄灭。再等到下一个脉冲上升沿到达，继续上述循环。刚开始的时候观察到的循环彩灯的周期较大，是因为刚开始滑动变阻器RV2的阻值较大，于是我们调节滑动变阻器，使其阻值从100K逐渐减小，发现彩灯循环亮灭的频率逐渐加快，即周期在逐渐增大，完成了任务书中的要求。调节完成之后，整理电路，拍下试验电路实物图，记录试验结果和相关数据，记录到实验报告中。 4.3

18、 结论实验过程中，通过手机计时得到彩灯循环点亮的间隔为0.74s，理论数值计算为，计算的周期，可见理论与实际吻合地较好。 在面包板上连接实物，接通电源后，可以看到发光二极管D0-D8依次亮起，每次只亮一灯，D8亮后，发光二极管全部熄灭，再由L0开始亮起。调节电位器RV2可以实现改变发光二极管每次发光时间间隔。 由此看出，本次设计完成了预期全部要求，设计成功。5 心得体会首先，在拿到设计任务书之后，我看了实验要求，知道了要设计彩灯循环控制电路，要求可以实现彩灯循环的时间可以调节。于是我联想到了电工电子实习课上做过的音乐盒电路，通过仔细的分析，弄清这两者之间的联系和区别。接着我从原理上开始设计，先是利用555定时器设计一个时序脉冲产生电路，接着通过计数器对输出的脉冲信号进行计数，最后通过译码器将计数器的计数依次译成对应的输出，从而驱动对应的发光二极管发光，要注意的是发光二极管