彩燈循環(huán)顯示控制電路設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書1.摘要 彩燈循環(huán)控制器主要由三部分組成：振蕩電路、計(jì)數(shù)及譯碼驅(qū)動電路、顯示電路。振蕩電路是由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器構(gòu)成，用于產(chǎn)生時(shí)間脈沖；計(jì)數(shù)電路由74HC160構(gòu)成，用于電路的計(jì)數(shù)；譯碼器主要用于整個(gè)電路的循環(huán)計(jì)數(shù)控制；顯示電路由七段的數(shù)碼管構(gòu)成，用于顯示電路的輸出結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)循環(huán)輸出的功能，在設(shè)計(jì)的時(shí)候用到了一個(gè)2線-4線譯碼器和一個(gè)四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以利用它的輸出端來控制四個(gè)計(jì)數(shù)器的工作情況，讓四個(gè)計(jì)數(shù)器依次工作，以達(dá)到要求的依次循環(huán)輸出數(shù)列。最后就是脈沖的問題，由于在產(chǎn)生奇數(shù)列和偶數(shù)列的時(shí)候要求分頻使得數(shù)列顯示的速度大致相同，因此要

2、分頻。用555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖，再用一個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)二分頻就可以了。彩燈循環(huán)控制器的作用主要是對現(xiàn)如今非常多的彩燈的運(yùn)作進(jìn)行控制的一個(gè)電路，具有很廣泛的應(yīng)用，而計(jì)數(shù)器則在時(shí)序電路中應(yīng)用很廣泛，不僅可以用于對脈沖計(jì)數(shù)，還可以用于分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以及其他的時(shí)序信號。我們這次的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備分三步進(jìn)行，首先是原理的分析，確定好電路圖，然后根據(jù)電路圖進(jìn)行仿真，最后是實(shí)物的制作與調(diào)試，而我在這次課程設(shè)計(jì)中主要是做的實(shí)物，所以對于實(shí)物的焊接和調(diào)試要了解得多一些.關(guān)于焊接，我們準(zhǔn)備采用焊錫而不是焊導(dǎo)線，因?yàn)閷?dǎo)線走的線路并不是十分清晰，而且焊出來并不是十分美觀，焊錫的話不僅整個(gè)電路的損耗電阻要減小，而

3、且電路的走線清晰美觀。12.主要任務(wù)（1）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)彩燈循環(huán)控制器；（2）用七段LED數(shù)碼管作為顯示元件，它能自動依次顯示，出數(shù)字0,1,2,3,4,5,6,7,8,9（自然數(shù)列），1,3,5,7,9（奇數(shù)列），0.2.4.6.8（偶數(shù)列）和0,1,2,3,4,5,6,7,0,1（音樂符號數(shù)列），然后循環(huán)顯示自然數(shù)列，奇數(shù)列，偶數(shù)列，符號列如此循環(huán)；（3）設(shè)置自動清0電路，打開電源輸出狀態(tài)為0，然后按1變化；設(shè)置時(shí)基電路為0.5S到2S范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)3.基本組成方框圖 圖1 基本方框圖4.設(shè)計(jì)部分4.1序列產(chǎn)生部分4.1.1自然序列產(chǎn)生部分 計(jì)數(shù)部分主要使用的是74HC160來實(shí)現(xiàn)的，其功

4、能表以及引腳圖如下圖所示。圖2 74HC160的引腳圖 表1 74HC160ENPENTCLKABCDQAQBQCQDRCO0××××××××000001000POS××××ABCD11111POS××××Count1111××××××QA0QB0QC0QD0111×1×××××QA0QB0QC0QD01 由于74HC

5、160本身就是一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)的芯片，因此對于這個(gè)部分就只需按照其功能表來接電路就可以實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制自然序列輸出了。在脈沖信號的觸發(fā)下，計(jì)數(shù)器的輸出端的狀態(tài)依次為0000000100100011010001010110011110001001，然后再將計(jì)數(shù)器的輸出端和數(shù)碼管的輸入端口相接就可以在數(shù)碼管上面看到依次顯示從0到9了。 圖3 自然序列產(chǎn)生電路4.1.2奇數(shù)列產(chǎn)生部分： 將奇數(shù)1，3，5，7，9用8421BCD碼分別表示為：“0001”，“0011”，“0101”，“0111”，“1001”，可以發(fā)現(xiàn)最后一位都為1，因此可以在上述十進(jìn)制自然序列的基礎(chǔ)上將數(shù)碼管的最低位接高電平就可以實(shí)現(xiàn)奇數(shù)序

6、列了。雖然在每個(gè)脈沖觸發(fā)的作用下，芯片實(shí)現(xiàn)的仍然是十進(jìn)制，但是由于數(shù)碼管最低位接高電平，在數(shù)碼管顯示的則是奇數(shù)列，但是顯示的時(shí)間間隔是正常自然序列的2倍，為了實(shí)現(xiàn)相鄰顯示時(shí)間間隔相等，我們可以利用二分頻電路解決上述問題。 圖4 奇數(shù)產(chǎn)生電路4.1.3偶數(shù)列產(chǎn)生部分： 將偶數(shù)0，2，4，6，8用8421BCD碼分別表示為“0000”，“0010”，“0100”,“0110”,“1000”,可以發(fā)現(xiàn)最后一位都為0，因此可以在上述十進(jìn)制自然序列的基礎(chǔ)上將數(shù)碼管的最低位接低電平就可以實(shí)現(xiàn)偶數(shù)序列了。雖然在每個(gè)脈沖觸發(fā)的作用下，芯片實(shí)現(xiàn)的仍然是十進(jìn)制，但是由于數(shù)碼管最低位接高電平，在數(shù)碼管顯示的則是偶數(shù)

7、列，但是顯示的時(shí)間間隔是正常自然序列的2倍，為了實(shí)現(xiàn)相鄰顯示時(shí)間間隔相等，我們可以利用二分頻電路解決上述問題。 圖5 偶數(shù)產(chǎn)生電路4.1.4音樂數(shù)列產(chǎn)生部分： 音樂序列的特點(diǎn)是從0顯示到7后又再變?yōu)?，這里可以將數(shù)碼管的最高位固定接低電平就可以實(shí)現(xiàn)了。因?yàn)?4LS160的輸出端只有三個(gè)與數(shù)碼管相接，當(dāng)74LS160的輸出為“1000”和“1001”時(shí)，這時(shí)由于數(shù)碼管最高位是固定接低電平的，也就是數(shù)碼管的輸入端仍是“0000”，“0001”。這樣數(shù)碼管的顯示就又變成0和1了。 圖6 音樂序列產(chǎn)生電路4.2脈沖產(chǎn)生電路： 脈沖產(chǎn)生電路采用555構(gòu)成的多諧振蕩器。多諧振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是在接通電源之后就可

8、以產(chǎn)生一定頻率和一定幅值矩形波的自激振蕩器，而不需要再外加輸入信號了。多諧振蕩器的頻率計(jì)算公式為f = 1.43/(R2+2R3)C,由于要求時(shí)間在0.5s到2s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，因此f的范圍就應(yīng)該在0.5Hz到2Hz之間，這時(shí)候需要在電路中加上一個(gè)可調(diào)電阻。因?yàn)?55定時(shí)器內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，用它組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小，這樣使產(chǎn)生的矩形波更穩(wěn)定。 圖7 脈沖產(chǎn)生電路4.3分頻電路： 因?yàn)槠?、偶序列?shù)字顯示時(shí)間間隔是自然序列和音樂序列的2倍，為了實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字時(shí)間間隔相等的要求，可以使用二分頻電路，讓自然序列和音樂序列的顯示時(shí)間與奇偶電路

9、的顯示時(shí)間相等。D觸發(fā)器可以構(gòu)成二分頻電路。由于D觸發(fā)器的狀態(tài)方程為Qn+1=D=Qn，將D觸發(fā)器的D端接在Q非，則從輸出端Q輸出的是二分頻后的時(shí)間脈沖，其時(shí)間間隔為原脈沖的2倍。 圖8 分頻電路4.4數(shù)列循環(huán)部分： 這個(gè)部分主要用到的是芯片74HC390計(jì)數(shù)器和74HC139譯碼管，它們的功能表和引腳圖分別如下圖和表所示。 表2 74HC390的功能表輸入輸出R01R02S91S92CPACPBQDQCQBQA110×××000011×0××0000011××1001011××1001R01

10、R02=0S91 S92=0CP0二進(jìn)制計(jì)數(shù)0CP五進(jìn)制計(jì)數(shù)CPQA8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)QDCP5421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù) 表3 74HC139的功能表輸入輸出GBAY3Y2Y1Y01××11110001110001110101110110110111 圖9 74HC390的引腳圖 圖10 74HC139的引腳圖 圖11 數(shù)列循環(huán)電路要讓四個(gè)數(shù)列依次循環(huán)則采用一個(gè)2線-4線譯碼器和一個(gè)四進(jìn)制計(jì)數(shù)器。用譯碼器的輸出依次去控制芯片清零端，在通過一個(gè)四進(jìn)制計(jì)數(shù)器去控制譯碼器輸入，使其在四個(gè)輸出間不斷循環(huán)，而計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖則可通過每個(gè)芯片的進(jìn)位端經(jīng)過一四輸入或門輸出來控制。74HC39

11、0的脈沖信號是由計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端來控制的，只有當(dāng)一個(gè)計(jì)數(shù)器的全部數(shù)列輸出完了之后才會有脈沖信號過來觸發(fā)74HC390讓它進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)，這樣就是由電路自己控制的。在這個(gè)部分主要是應(yīng)用了一個(gè)四進(jìn)制的計(jì)數(shù)器和一個(gè)譯碼器，這個(gè)部分的作用是為了使自然序列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列，音樂序列的循環(huán)顯示。其中四個(gè)74LS160計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端與74HC390的CPA相接，這樣就可以通過進(jìn)位端狀態(tài)由0變?yōu)?的瞬間給它一個(gè)脈沖觸發(fā)，而另一個(gè)脈沖端則是與其輸出端QA相接的，這樣的接法是為了使74HC390實(shí)現(xiàn)8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)的功能。然后再讓74HC390的輸出端QA，QB分別與譯碼器74HC139相接，這樣可以

12、用譯碼器來控制計(jì)數(shù)器的動作狀態(tài)，它可以決定由哪個(gè)74LS160計(jì)數(shù)器來工作。當(dāng)QA,QB為“0”，“0”時(shí)，這時(shí)譯碼器的輸出端就只有Y0為0，接一個(gè)反相器然后再接產(chǎn)生自然序列的計(jì)數(shù)器的清零端;這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有自然序列輸出的功能，同理當(dāng)QA,QB為“0”,“1”時(shí)，這是譯碼器的輸出端就只有Y1為0，接一個(gè)反相器然后再接產(chǎn)生奇數(shù)序列的計(jì)數(shù)器的清零端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有奇數(shù)序列輸出的功能; 當(dāng)QA,QB為“1”,“0”時(shí)，這是譯碼器的輸出端就只有Y2為0，接一個(gè)反相器然后再接產(chǎn)生偶數(shù)序列的計(jì)數(shù)器的清零端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有偶數(shù)序列輸出的功能; 當(dāng)QA,QB為“1”,“1”時(shí)，這是譯碼器的輸出端就只

13、有Y3為0，接一個(gè)反相器然后再接產(chǎn)生音樂序列的計(jì)數(shù)器的清零端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)只有音樂序列輸出的功能。其產(chǎn)生序列的功能就是這樣實(shí)現(xiàn)的。5.總體電路的設(shè)計(jì) 這個(gè)電路圖可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，可以依次輸出自然數(shù)列，奇數(shù)序列，偶數(shù)序列還有音樂數(shù)列，而且還可以循環(huán)輸出，數(shù)碼管的顯示的間隔時(shí)間 也可以通過調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率來進(jìn)行調(diào)整。 電路圖中四個(gè)74LS160的輸出端口分別與四個(gè)與門相接，然后再將四個(gè)門電路的輸出端分別與數(shù)碼管的輸入端相接。其中產(chǎn)生自然數(shù)列和音樂數(shù)列的脈沖信號的頻率是產(chǎn)生奇數(shù)序列和偶數(shù)序列的脈沖信號的頻率是2倍，這是因?yàn)闉榱藢?shí)現(xiàn)數(shù)字顯示時(shí)間間隔相等的要求，這里利用二分頻器很好地實(shí)現(xiàn)了這一功能

14、。 當(dāng)打開電路的開關(guān)后，首先就是輸出自然序列，這時(shí)是U1先工作，它的清零端接的是“1“，這時(shí)就是它處在計(jì)數(shù)的操作，然后輸出通過與或門相接再接至數(shù)碼管的輸入端，就可以依次顯示從0到9，當(dāng)U1的輸出要從9變到0的瞬間，它的進(jìn)位端的狀態(tài)是”1”，然后通過一個(gè)或門接至74HC390的脈沖輸入端，這時(shí)從“0”變至“1”，恰好有一個(gè)脈沖，就可以通過譯碼器使U4開始工作即開始計(jì)數(shù)，它從9變至1時(shí)，又通過進(jìn)位端給74HC390一個(gè)脈沖，然后就通過譯碼器又使U8開始工作，它從0變至8，當(dāng)它從8變至0時(shí)，它的進(jìn)位端又變至“1”，就又可以給74HC390一個(gè)脈沖信號，最后就通過譯碼器控制U9的工作，輸出音樂數(shù)列。如

15、此周而復(fù)始的這樣循環(huán)，就可以實(shí)現(xiàn)我們需要的功能了。其電路圖如圖： 圖12 總原理圖6.實(shí)物的制作6.1實(shí)物的制作過程 先確定所要用的元器件，買好元件之后，開始焊實(shí)物，由于此次的電路圖比較復(fù)雜，切連接的線路比較多，如果想要在板子的后面把所有的線路都焊好，有點(diǎn)不且實(shí)際，而且檢查線路的時(shí)候也不好檢查，焊接也花費(fèi)很多的時(shí)間，但是連接的線路主要集中在各個(gè)芯片的附近，所以我選擇了再芯片的旁邊焊排針的方式來減少我們板子后面的連線，所以在焊接的時(shí)候，我先把后面簡單的線路連接好了，然后將芯片的管腳與對應(yīng)的排針管腳連接起來，連接好之后，再用杜邦線將剩下的線路連接起來，這樣實(shí)物的焊接就完成了。 圖13 振蕩電路正面

16、圖 圖14 振蕩電路反面圖 圖15 實(shí)物正面圖 圖16 實(shí)物反面圖6.2實(shí)物的調(diào)試 將焊接好的板子接好電源之后，看數(shù)碼管是否計(jì)數(shù)正常，但是接上電源后，數(shù)碼管始終顯示6，于是我們開始檢查數(shù)碼管那部分的電路是否有問題，剛開始以為是線路連接有錯(cuò)誤，于是對著原理圖檢查了一下，發(fā)現(xiàn)電路的連接并沒有問題，再檢查74LS48的BC端是否連接有錯(cuò)誤，用萬用表檢查的時(shí)候發(fā)現(xiàn)BC端是高電平端，但是它本來應(yīng)該是低電平的，于是我懷疑是否是這兩端與某一個(gè)高電平端短路了，檢查之后才發(fā)現(xiàn)原來是排針與管腳的連接線忘記連上了，連好之后，接好線路，發(fā)現(xiàn)電路剛開始正常計(jì)數(shù)，但是當(dāng)計(jì)數(shù)到偶數(shù)序列的時(shí)候停止了計(jì)數(shù)，檢查之后發(fā)現(xiàn)原來是那

17、塊芯片燒壞了，換了一塊芯片之后電路開始正常計(jì)數(shù)。7.心得與體會 這次的課程設(shè)計(jì)結(jié)合了我在數(shù)電的課程上學(xué)到的知識，把平常只在書本上和題目上遇到的問題搬到了實(shí)際的問題中，不僅鍛煉了我焊接實(shí)物和調(diào)試實(shí)物的能力，還深化了我在課堂上學(xué)到的知識，是我在學(xué)習(xí)道路上的又一次進(jìn)步。剛開始的時(shí)候，其實(shí)我也試過自己仿真的，但是不知道是什么原因，我用protues仿真總是出不來結(jié)果，后來我放棄了仿真，即使我知道電路圖的原理是正確的，因?yàn)槲以谡伊嗽S多資料后還是找不出我處錯(cuò)誤的原因。我突然發(fā)現(xiàn)我并不是一個(gè)能夠?qū)⒁患虑閳?jiān)持到底的人，為此我曾很失落，于是在焊接實(shí)物的時(shí)候我抱著一顆熱忱的新去做，盡管砸焊接的過程中遇到了很多的

18、問題，比如，剛開始的時(shí)候，結(jié)果并沒有出來，檢查電路的連接也沒有問題，但是就是找不出問題在哪，冷靜之后一步步分析，后來終于發(fā)現(xiàn)了問題的所在，還有就是剛開始分塊測試的時(shí)候，不小心把電源打到了8V，把其中一塊芯片燒掉了，當(dāng)時(shí)并沒有多在意，但是在后來調(diào)試的時(shí)候出現(xiàn)了大問題，電路不能循環(huán)工作，分析問題之后才想起來那會把芯片給燒壞了，換了芯片之后電路開始正常工作，這時(shí)候才感受到收獲成果的喜悅之情。事實(shí)證明，只要你有一個(gè)堅(jiān)持到底的心，不管你最后有沒有成功，你地心里總是很開心的，因?yàn)槟阍?jīng)努力過，你曾經(jīng)沒有過遺憾。我覺得學(xué)校以后可以多開展這樣的課程設(shè)計(jì)或者實(shí)習(xí)，讓我們把書本上的知識應(yīng)用到實(shí)際上，不然的話，我感覺我們學(xué)到的東西都是一些虛的，并不能真正感受到它的用途，等以后走上社會了，開始工作了，才發(fā)現(xiàn)自己原來是一個(gè)書呆子，什么都不會，如果我們多開展這樣的課程設(shè)計(jì)的話，不僅能夠提高我們的動手能力，還能夠發(fā)散我們的思維。8.元件清單器件型號用途介紹數(shù)量74LS160N計(jì)數(shù)器474HC113DJK觸發(fā)器174HC390N多功能的計(jì)數(shù)器