霓虹灯控制电路设计

1、武汉理工大学电工电子基础强化训练说明书目录引言 21设计意义及要求 31.1 设计意义 31.2 设计要求 32方案设计 42.1 设计思路 42.2 方案设计 42.2.1 仿真软件介绍 42.2.2 设计方案一电路图 52.2.3 设计方案二电路图 62.3 方案比较 73部分电路设计 83.1 脉冲信号产生电路设计 83.2 红.绿灯控制电路设计 93.3 蓝灯控制电路设计 113.4 红绿蓝三色灯电路 114调试与检测 124.1 调试中故障及解决方法 124.2 调试与运行结果 125仿真操作步骤及使用说明 13结束语 14参考文献 15附录电路图 16本科生电工电子基础强化训练成绩

2、评定表 18自从发明灯泡以来，各种各样的灯被发明出来，各种各样的彩灯也开始出现。直到1898 年6月，霓虹灯被英国化学家拉姆赛发明了出来。现代都市的夜晚，随处可见五彩缤纷的霓虹灯。每当夜幕降临时，华灯初上，五颜六 色的霓虹灯就把城市装扮得格外美丽。仔细观察，你会发现，这些霓虹灯都是按照一定的 规律变化的。那么，怎样才能控制这些霓虹灯按照这些规律变化呢？这次，我们就设计了 一个简单的霓虹灯控制电路，控制一串彩灯按照一定的规律闪烁。231设计意义及要求1.1 设计意义作为电气专业的学生，我们对电工电子都应该有一定的了解。 之前，已经学习过了电 工电子实习的课程，对电工和电子的一些相关知识有了感性认

3、识，加深了电类有关课程的 理论知识，熟悉了一些电工及电子常用元件及其基本性能；掌握了电子元件的焊接、电气 元件的安装、连线等基本技能。但是，这只是一些基础，我们应该学会根据所学的知识自 己设计出能够实现一些简单功能的电路。 因此，我们要参加这次的电工电子基础强化训练。参加这次强化训练，不仅加强了我们对电工电子的认识和了解，而且，使我们对电路 原理.数电.模电的知识有了更加直观的认识。在设计过程中，不仅培养了我们灵活运用所 学知识的能力，还学到了很多书本上没有的知识。1.2 设计要求1）现有9只彩灯，红绿蓝红绿蓝红绿蓝， 排成一条直线，设计一控 制电路，要求彩灯能实现如下追逐图案；2）红绿2种灯

4、从前往后驱动点亮闪烁，每 0. 6秒往前进一步；3）蓝灯从后往前驱动点亮闪烁，每 0. 6秒进一步；4）霓虹灯控制工作状态按照上述 2至3步自动重复循环，另外，还可以自行编制各 种彩灯追逐图案。2方案设计2.1 设计思路根据设计要求，红绿两种一共六个灯从前往后点亮闪烁，蓝灯三个从后往前点亮闪烁。因此，电路可以分为脉冲信号发生电路和控制电路；控制电路又可以分为两部分，一部分 控制红绿六个灯，一部分控制三个蓝灯。电路系统框图如图2.1所示。脉冲信号为周期0.6秒的方波，可以用555芯片为基础设计出来。灯要依次点亮闪烁，因此控制电路采用 4位双向移位寄存器74LS194来进行设计。红.绿灯一共六个，

5、具控制电路采用两个74LS194芯片串联而成8位移位寄存器实现。蓝灯三个，具控制电路用一块 74LS194芯片即可实现。图2.1 系统框图2.2 方案设计2.2.1 仿真软件介绍Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以 Windows为基础的仿真工具，适 用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描 述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工作页面如下图所示2.2.2 设计方案一电路图vce设计方案一是个人方案。脉冲信号由NE555S片构成的多谐振荡电路产生，脉冲信号周期 0.6秒。74LS194工作在右移工作状态。红.绿灯控制电路部分，两芯片

6、9管脚均接“1”，使芯片工作在右移状态；芯片1的SR 端接“1”，芯片1的Q3输出端接到芯片2的SR端，芯片1.2的ABCD俞入端分别接 “01111111”，构成8位移位寄存器；寄存器在上升沿触发后输出状态为 “01111111”，在连续脉冲信号上升沿的触发下，由于芯片1的SR端接“1”，寄存器输出依次变为“10111111” “11011111” “11101111” “11110111” “11111011”；当输出为 “11111011” 时，两芯片 S0.S1端输入同时变为“1”，寄存器切换到置数的工作状态，由于输入为“ 01111111”，脉冲信号 上升沿触发后，寄存器输出变为“0

7、1111111”，之后不断循环变化。寄存器输出通过非门依 次连接到红.绿灯，红.绿灯便从左到右依次闪烁。蓝灯控制电路部分，由于蓝灯只有三个，一块74LS194芯片即可，原理同红.绿灯控制 电路类似，只是QA.QB.QCK次从右往左接三个蓝灯，即可实现蓝灯从右到左依次闪烁。2.2.3 设计方案二电路图V8-1- BW一IhSiSjmTU 1AL11LED1LI-MLE0r LECHL EG9LEM Ll；D3l£EKLEEH LEDl«i=D1WU13 0R2.531 NQT1< 、0 >10o6llWS> WOiQ100100 100Q4-德设计方案二是小

8、组方案此方案设计增加了一红一绿一蓝三个灯，十二个灯同样按照红绿蓝的顺序排列，变化规律不变。方案二脉冲信号发生电路依旧采用 NE555S片构成的多谐振荡电路。方案二控制电路使用74LS160计数芯片和3-8线译码器74LS138构成；74LS160实现 从0到7的计数功能，输出二进制信号给 3-8线译码器，译码器Y0-Y7依次输出“01111111”到“11111110'的信号，通过非门接到八个红.绿灯，八个红.绿灯便从左 到右依次点亮闪烁。根据变化规律，每个蓝灯都跟随某两个红 .绿灯变化，因此将对应的 红.绿灯的输入信号通过与门接到蓝灯，便可实现蓝灯从右往左依次点亮闪烁。2.3 方案比

9、较设计方案一和二的脉冲信号产生电路采用了同样的 555多谐振荡电路。方案一使用了 4个芯片和11个非门，方案二使用了 3个芯片9个非门和4个与门, 但方案二的电路中有12个灯，由此可见方案二更简单实用一些。方案一 555多谐振荡电路输出的脉冲信号源要提供给三个芯片，信号传输过程中容 易失真，而方案二只需要提供给一个芯片做脉冲信号，信号更稳定。其次，由于方案二所用芯片比较少，在实际应用过程中，电路出错或损坏的几率比 较小。3部分电路设计3.1 脉冲信号产生电路设计脉冲信号由基于NE555芯片构成的多谐振荡电路产生NE555S片内部结构图和真值表唯/一-且11 15gR 口THTRaJ %0XXX

10、X寻通0101导通0 J1<4211原态感念11<lj/ .3 CC10故止1NE55阖成的多谐振荡电路多谐振荡电路输出方波信号，信号周期 T=0.7(R1+2R2)C2设计要求信号周期 0.6s,因此R1=8.2k欧，R2=39k欧，C2=10微法3.2 红.绿灯控制电路设计采用4位移位寄存器74LS194芯片74LS194管脚图0 12 3 SDQ Q Q Q1 Rs cR o 1 2 3 L p3bd D D dslc16.I J I I. I 1 I IVccQ0 Qj Qa Q5CPSi74LS19474LS194真值表TRUTH TABLE0FG RATINGINPUT

11、SourruTCPMRSI勃DB良DSL口巾8QjR”对XLXXXXXLLILHcMd <Do MorningXHUhore 2)i (Note- 2)XXX%QlqzqaShift Lett*.Hl(NW 3)X1K41粼。3LrHhi(N«t* 2)XhXQi,12qsHShftRMTH13士 君h1XXLAiM2+-Hl(h*de &hhXH*聃皱P»itei LoadTHhhXX%丸电的NOTES：1i H ：= High Wltsg*h High watog Le«i Qnt Set-up He Pri« To The Lw 蛉

12、H«gh OoL - L9w 悯阳* L.ELI = Lcrw Wltagt L-ml 0o» $<i-up Trnw Poor |p th* L* g H中 Cl«K 一皿曲5.%- Lcer Cum LdEefi Ihdule the SLhIe of Ehe Referer oed Input or oulpuEk One S«4-ijp Tme Pr<» 匕 Ihe Low To High ClodiTramMSidnX = LkmlCm.F = TransjtjDFi from Low to H 仲 L&.el2

13、Th* Hfh 2 Law uranwi-tcm erf th* SO and】 SI Inputs b th- CD74HC1W CD74HCT1-&4 ihoukU only plan Mil- CP High fgrCm田Mi酬学Qm僚15DI¥k> ei非门可采用74LS04芯片74LS04管脚图和真值表RI RJ n?m FiJ M4>J L>J r°i Ld lllLd Ld Ld djuInputOutputAYL HH LH - High Lolc Lev&IL - Low Logic Level控制电路如下图74LS194

14、C工作原理：两芯片9管脚均接“1”，使芯片工作在右移状态；芯片 1的SR端接“ 1”，芯片1的 Q3输出端接到芯片2的SR端，芯片1.2的ABCD俞入端分别接“ 01111111”，构成8位移 位寄存器；此时，寄存器初始输出状态为“ 01111111”，在脉冲信号上升沿的触发下，由于 芯片 1 的 SR端接 “1”，寄存器输出依次变为 “10111111”“ 11011111”“11101111”“ 11110111” “11111011”；当输出为“11111011”时，两芯片S0.S1端输入同时变为“1”，寄存器切换 到置数的工作状态，由于输入为“01111111”，脉冲上升沿触发后，寄存

15、器输出变为“01111111”，之后不断循环变化。寄存器输出通过非门依次连接到红.绿灯，红.绿灯便从 左到右依次闪烁。3.3 蓝灯控制电路设计原理同红.绿灯控制电路类似。AL3.4 红绿蓝三色灯电路由于设计的寄存器电路输出相当于低电平有效，因此每个灯前面都需要加一个非 门，将有效的低电平转换成高电平，使对应的灯亮。除此之外，为防止发光二极管烧坏，每个发光二极管都要串联一个限流电阻，这里 选用100欧的电阻。R& 100R11O段-XR11OD3XXL唆闫， R91OOD8(7， LfelY: 8006R 1. D tR7100D2*a 二 L.LEEy4调试与检测4.1 调试中故障及解

16、决方法开始，设计的电路图的发光二极管部分，发光二极管正极接了vcc负极依次直接接在了寄存器的输出端，运行后发现，灯不亮或者只亮一两个。分析原因，可能是因为发光二极管负极和寄存器输出端均为输出，不能接到一起，因 此，将发光二极管正极接非门然后接到寄存器输出端，发光二极管负极接地。再次运行， 发现每次循环的最后一个灯亮的时间比较长。查阅资料后分析原因发现置数端输入接错了， 应该按照如下方法接：红.绿灯控制电路 两个芯片置数端S1应接非门后接到芯片2的QB输出端；蓝灯控制电路部分芯片 S1接非 门后接到芯片的QC输出端。将错误按照上述方法修改后再次运行，发现仿真运行结果正常。其次，调试过程中发现，点

17、亮的彩灯在切换到下一个时切换的瞬间上一个彩灯会频率 极快的闪烁几下。思考讨论后认为是芯片输出的方波信号不足够稳定，之后给发光二极管 串联上限流电阻后，闪烁消失，恢复正常。4.2 调试与运行结果将故障解决后，调试与运行结果正常：红.绿六个灯从左到右依次点亮闪烁，三个蓝灯从右往左依次点亮闪烁。说明设计方案符合要求，设计成功。5仿真操作步骤及使用说明运行时，首先将开关S1闭合，然后点击软件的运行按钮即可进行仿真运行。或者先点击软件的运行按钮，然后再将开关 S1闭合。要结束仿真运行，点击软件运行停止按钮即可。印口目前，人类社会已进入知识经济的时代，世界各国的竞争日趋激烈，而竞争的根本 就是人才的竞争，

18、特别是具有创新能力的高级专门人才的竞争。我国当今正处在建设有 中国特色社会主义的伟大时代，这“必将是知识不断创新，新事物、新业绩不断涌现的 时代，必将是百舸争流，人才辈出的时代” 。21世纪的中国需要高素质的创新人才，而 高等学校是培养人才，生产和传播新知识、新思想的重要基地。作为当代大学生，我们应该具有创新精神。而这次电工电子基础强化训练，要求我 们采用不同的方案设计出具有同样功能的电路。而且没有可以参考的电路，只能根据自 己所学的知识并将其加以整合，设计出所要求的电路。这，就极大地锻炼了我们的创新 能力。除此之外，在设计过程中，我们自学了仿真软件的使用，也查阅了很多资料，同 时，要与小组成员互相讨论。在这个过程中，我们不仅学到了很多知识，而且加强了自 学能力，还培养了团队合作能力。1吴友宇.数字电子电路与逻辑设计.科学出版社.2013.32祁存荣，陈伟.电子技术基础实验（数字部分）武汉理工大学教材中心3蒋黎红，黄培根.模电数电基础实验及Multisim7仿真浙江大学出版社20074周新民工程实践与训练教程（电工电子部分）武汉理工大学出版社2009.85何绪莅，曾发柞.脉冲与数字电路.成都：电子科技大学出版社6包亚萍主编.数字逻辑设计与数字电路实验技术.中国水利出版社，口朱宝华主编.