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电气电子毕业设计论文
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毕业设计55彩灯循环显示控制电路设计,电气电子毕业设计论文
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彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 0 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目 : 彩灯循环显示控制电路设计 初始条件： 课程设计指导老师 ,电工电子实验室 , EWB 仿真软件 ,参考资料等， 74LS160十进制同步计数器， 74LS194 移位寄存器， D 触发器，显示管， 要求完成的主要任务 : （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说 明书撰写等具体要求） （ 1）以 LED 数码管作为控制器的显示元件，它能自动地依次显示出数字 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），然后由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。 （ 2）打开电源时，控制器可自动清零。 （ 3）每个数字的一次显示时间基本相等，这个时间在 0.5s 到 2s 范围内连续可调。 时间安排： 第 17周（ 7、 8节）：理论讲解，新 1-02 第 18 19周：理论设计及实验室安装调试； 地点：鉴主 15 通信工程实验室（ 1），鉴主 13 通信工程专业实验室； 第 20周：撰写设计报告及答辩；地点：鉴主 17楼研究室。 指导教师签名： 2008 年 6 月 2 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 1 目录 摘要 （ 2） 1 方案设计 （ 3） 1.1 方案比较 （ 3） 1.2 方案选择 （ 4） 2 单元电路的设计 （ 4） 2.1主要芯片 （ 4） 2.1.1十进制计数器 74LS160 （ 4） 2.1.2 移位寄存器 74 LS194 （ 5） 2.1.3 LED 显示数码管 （ 6） 2.2 自然序列循环发生器 （ 7） 2.3奇数序列循环发生器 （ 9） 2.4偶数序列循环发生器 （ 10） 2.5音乐序列循环发生器 （ 11） 2.6 循环控制电路 （ 13） 2.7分频器 （ 14） 2.8 振荡脉冲发生器 （ 15） 2.9 复位电路 （ 16） 3 总体电路及工作原理 （ 17） 3.1总体电路图 （ 17） 3.2工作原理 （ 17） 4 仿真结果 （ 18） 4.1 振荡脉冲发生器仿真 （ 18） 4.2分频器 （ 19） 4.3 复位电路 （ 20） 4.4 总电路 （ 20） 5 . 体会 （ 21） 6 元件 清单 （ 22） 7 参考文献 （ 23） nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 2 摘 要 由于中，大规模集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。在设计中更多的使用中。大 规模集成电路 ， 不仅可以减少电路组件的数目，使电路简捷，而且能提高电路的可靠性，降低成本。 彩灯是一束束用导线连接起来的并联灯泡，当接通电源后，彩灯就会工作，但里面可能是由编程或非编程的电路控制灯泡的运作的，譬如实现音乐彩灯、闪烁、循环、时控等功能 ，数列的产生可以通过计数器和逻辑门实现，而循环则需要用到时序电路控制，如触发器等，而最后可以用逻辑门把几个输出接到同一个数码管。 关键词 :数列 计数器 触发器 数码管 nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 3 1 方案 设计 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。 LED 彩灯由于其丰富的灯光色彩，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建筑物已经成为一种时尚。 彩灯是一束束用导线连接起来的并联灯泡，当接通电源后，彩灯就会工作，但里面可能是由编程或非编程的电路控制灯泡的运作的，譬如实现音乐彩灯、闪烁、循环、时控等功能 这次的彩灯电路设计是要求是： （ 1）以 LED数码管作为控制器的显示元件，它能自动地依次显示出数字 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），然后由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。 （ 2）打开电源时，控制器可自动清零。 （ 3）每个数字的一次显示时间基本相等，这个时间在 0.5s 到 2s 范围内连续可调。 彩灯电路有很多种方式可以实现。 1.1、 方案比较 1.1.1方案一 ： 数列的产生可以通过计数器和逻辑门实现，而循环则需要用到时序电路控制，如触发器等，而最后可以用逻辑门把几个输出接到同一个数码管。 利用 十进制计数器 74LS160组成数列发生器，用移位寄存器 74LS194 组成控制电路。 它的原理是 :同步开关负责移位寄存器的置初值 1000； D 触发器实现分频作用；将自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐序列由最大值向最小值变化时，高位输出的变化作为移位寄存器的触发脉冲，再用移位寄存器的输出分别控制各序列产生芯片的清零端，可实现电路的循环显示功能。 1.1.2方案二： nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 4 利用单片机来设计彩灯循环显示电路已经成为主流，单片机的优点时设计简单，容易实现，只需一个简单的程序就可以完成复杂的功能，彩灯的各种漂亮的显示都是有赖于 单片机的快速发展和应用，在我们的生活中单片机的应用会越来越多，分量会越来越重，各个方面都将有单片机发展的一席之地。下面是实现该功能的框图： 图 1.1.1. 方案 二 原理框图 1.2 方案选择 经过比较，方案 二 需要 很 多的硬件知识 和计算机编程 ，而且单片机电路我们了解的不是狠多， 所以我选择了第一 个方案。 2 单元电路的设计 2.1 主要芯片 2.1.1 十进制计数器 74LS160 十进制计数器 74LS160 的管脚图（图 ）和功能表（图 ）如下所示 ： nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 5 图 74LS160管脚图 图 74LS160 功能表 2.1.2 移位寄存器 74 LS194 移位寄存器 74LS194 的管脚图（图 ）和功能表（图 ）如下所示： nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 6 图 移位寄存器引脚图 图 移位寄存器真值表 2.1.3 LED 显示数码管 LED 有共阴极 和共阳极两种。如图所示。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入 +5V的电压。一位显示器由 8 个发光二极管组成，其中 7 个发光二极管构成字型“ 8”的各个笔划（段） a g，另一个小数点为 dp 发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段 LED 不被损坏，需外加限流电阻。 下图为 LED数码管结构原理图 ： nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 7 图 高电平驱动，共阴级 图 低电平驱动，共阳极 2.2 自然序列循环发生器 自然 序列循环发生器需要产生从 0到 9 的数字， 利用芯片 74LS160 十进制同步计数器，可设计出自然序列 。 如下图所示，自然序列循环发生器的电路图（图 2.2.1）和真值表（图 2.2.2），由电路图和真值表可以看到，此电路当 清零端、置数端、计数使能端 CET、 CEP都接高电平时，输出端 可以产生“ 0000”、“ 0001”、“ 0010” .“ 1001”、“ 0000”、nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 8 “ 0001” .的循环序列， 即产生了自然数列 。 图 2.2.1 自然序列 循环发生器 电路图 CLR LOAD CET CEP Action on the rising clock edge L X X X 清零 H L X X 置数 H H L X 保持 H H X L 保持 H H H H 0000 H H H H 0001 H H H H 0010 H H H H 0011 H H H H 0100 H H H H 0101 H H H H 0111 H H H H 1000 H H H H 1001 H H H H 0000 nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 9 H H H H 0001 图 2.2.2 自然序列循环发生器真值表 2.3 奇数序列循环发生器 奇数序列循环发生器需要产生“ 1”、“ 3”、“ 5”、“ 7”、“ 9”的数字，此单元电路 也可 采用十进制计数器 74LS160. 在自然序列产生电路的基础上，将数码管的低位输入接高便可得到奇数列产生电路。 如下图所示，自然序列循环发生器的电路图（图 2.3.1）和真值表（图2.3.2） 。 图 2.3.1 奇数序列循环发生器电路图 CLR LOAD CET CEP Action on the rising clock edge L X X X 清零 H L X X 置数 H H L X 保持 H H X L 保持 H H H H 0001 nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 10 H H H H 0011 H H H H 0101 H H H H 0111 H H H H 1001 H H H H 0001 图 2.3.2 奇数序列循环发生器真值表 此电路当清零端、置数端、计数使能端 CET、 CEP 都接高电平，数码管的低位端接高电平时，输出端可以产生“ 0001”、“ 0011”、“ 0101”、“ 0111”、“ 1001”、“ 0001” .的循环序列， 即奇数列循环 。 2.4 偶数序列循环发生器 偶数序列循环发生器的电路图（图 2.4.1）和真值表（图 2.4.2） ，如下图所示 图 2.4.1 偶数序列循环发生器电路图 CLR LOAD CET CEP Action on the rising clock edge L X X X Reset H L X X LOAD nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 11 H H L X NO change H H X L NO change H H H H 0000 H H H H 0010 H H H H 0100 H H H H 1000 H H H H 0000 H H H H 0010 H H H H 0100 图 2.4.2 偶数序列循环发生器真值表 此电路当清零端、置数端、计数使能端 CET、 CEP都接高电平，数码管的低位端接低电平时，输出端可以产生“ 0000”、“ 0010”、“ 0100”、“ 0110”、“ 1000”、“ 0000” .的循环序列，即循环显示偶数序列。 2.5 音乐序列循环发生器 音乐序列循环发生器需要产生“ 0”、“ 1”、“ 2”、“ 3”、“ 4”、“ 5”、“ 6”、“ 7”、“ 0”、“ 1” 的 序列 ，此单元电路 也采用十进制计数器 74LS160. 音乐序列循环发生器的电路图（图 2.5.1）和真值表（图 2.5.2）， 如下图所示。 nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 12 图 2.5.1音乐序列循环发生器电路图 CLR LOAD CET CEP Action on the rising clock edge L X X X 清零 H L X X 置数 H H L X 保持 H H X L 保持 H H H H 0000 H H H H 0001 H H H H 0010 H H H H 0011 H H H H 0100 H H H H 0101 H H H H 0111 H H H H 0000 H H H H 0001 H H H H 0010 nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 13 H H H H 0011 图 2.5.2 音乐序列循环发生器真值表 此电路当清零端、置数端、计数使能端 CET、 CEP 都接高电平，数码管的高位端接低电平时，输出端可以产生“ 0000”、“ 0001”、“ 0010”、“ 0011”、“ 0100”、“ 0101”、“ 0110”、“ 0111”、“ 0000”、“ 0001” .的循环序列，即循环显示音乐数列。 2.6 循环控制电路 如下图所示，循环控制电路（图 2.6.1） 、真值表（图 2.6.2） ，其原理是将移位寄存器置数为 QAQBQCQC=1000， 再让寄存器实现 右 移功能，就能在 QAQBQCQD得到“ 1000” 、“ 0100”、“ 0010” 、“ 0001”、“ 1000” .的循环，从而控制 4个序列循环发生器的工作。将 QA、 QB、 QC、 QD 分别接自然序列、奇数序列、偶数序列、音乐序列。 图 2.6.1 循环控制电路 CLR S1 S0 Clock DCBA QAQBQCQD nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 14 H H H 1000 1000 H L H 1000 0100 H L H 1000 0010 H L H 1000 0001 H L H 1000 1000 . . . . . . 图 2.6.2 循环控制电路真值表 当开关打在上面时， s1， s0 都接高电平，开始置入“ 1000”序列，当开关打在下面时， s1 接低电平， S2 接高电平，开始进行右移位，且 SR 接 QD 可以完成循环移位，即 1000 0100 0010 0001 1000 2.7 分频器 在本实验中自然循环数列发生器由 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9 变换和音乐数列循环 发生器由 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 0， 1变换，而奇数列由 1， 3，5， 7， 9 变换，偶数列由 0， 2， 4， 8 变换，由任务要求可知每次示数变换时间间隔相同，故采用分频器。其中自然和音乐数列循环发生器的触发频率应该时奇数偶数数列循环发生器的两倍。 如下图所示，这个分频器（图 2.7）是由 D触发器构成的，输入端接输出反向端，这样就可以得到 Qn+1=Qn，这样就可以使输出端的脉冲频率变为输入端频率的一半。 nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 15 图 2.7分频器电路图 2.8 振荡 脉冲发生器 为了满足电路的每个数字的一次显示时间基本相等，这个时间在 0.5s 到 2s范围内连续可调的条件 ， 可由 555 定时器构成的多谐振荡器 ， 如下图所示， 振荡脉冲发生器（图 2.8.1）根据每次脉冲时间是 0.5s到 2s连续变化，经计算： 接通电源后，电容 C 被充电， Vc 上升，当 Vc 上升到 2/3Vcc 时，触发器被复位，同时放电 BJT T 导通，此时 Vo 为低电平，电容 C 通过 R2 和 T 放电，使 Vc下降。当 Vc 下降到 1/3Vcc 时，触发器又被置位， Vo 翻转为高电平。电容器 C 放电所需的时间为 tPL=0.7R2C 当 C 发电结束时 ， T 截止， Vcc 将通过 R1、 R2 向电容器 C 充电， Vc 有 1/3Vcc上升到 2/3Vcc 所需的时间为 tPH=0.7(R1+R2+RL)C 当 Vc 上升到 2/3Vcc 时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期的方波，其频率为 F=1.43/（ R1+2R2+RL） *C nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 16 图 2.8 脉冲发生器电路图 2.9 复位电路 由于 设计 要求打开电源时，控制器自动清零， 这 可以由 复位电路 实现 。 复位电路是一种上电压自动复位电路，利用 的是电容两端的电压不能突变的原理，当打开电源时，复位信号保持在低电平，使控制器清零，随着 Vcc通过电阻 R对电容的充电，使 C两端电压逐渐升高，经过一段时间后，复位信号才跨越逻辑阀值转变为高电平，使系统开始正常工作。电路如下图所示。 图 2.9 复位电路 nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 17 3 总体电路及工作原理 3.1 总体电路图 总体电路如下图（图 3.1）所示： 图 3.1彩灯循环显示控制电路 3.2 工作原理 如上图所示 ，彩灯循环电路的工作原理： 由移位寄存器构成的循环控制电路的 QA、 QB、 QC、 QD 端分别接 自然序列，奇数序列，偶数序列，音乐序列产生电路的清零端便可实行控制功能 ，将寄存器的 ABCD=1000，则可使 QAQBQCQD=1000，不发生移位时只有自然序列工作。当寄存器开始移位时 QAQBQCQD 可得到 1000 0100 0010 0001 1000.从而使四个序列依次循环工作。 当 QAQBQCQD为 1000数列时只有自然数列发生器（第一块 74LS160 芯片）工作，其他的都清零，计数器 QDQCQBQA 由 0000 00010010 0011 0100 0101 0111 在向 1000 跳变时，四输入或非门的输出由高nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 18 电平变为低电平，但循环控制器的脉冲触发端是上跳沿有效，故不会移位，在继续由 1001向 0000 跳变的时候，四输入或非门的输出由低电平跳变为高电平，循环控制器右移一位，在自然序列单元中显示器显示为对应的 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9，此后奇数列发生器开始计数，其他芯片都清零，故显示器的低位固定接接高电平，计数器输出由 1001到 0000 跳变时，四输入或非门的输出由高电平变为低电平，但循环控制器的脉 冲触发端是上跳沿有效，故不会移位，在继续由 1001向 0001 跳变的时候，四输入或非门的输出由低电平跳变为高电平，循环控制器又右移一位，继而控制偶数列循环发生，在奇数列单元中，显示器示数为对应的 1 3 5 7 9。偶数列循环发生器其原理与奇数列单元相似，当循环控制器继续移位后，音乐序列发生器开始工作，计数器依旧由 0000 0111 1000 1001 计数，当 1001 跳变为 0000，循环控制移位，又控制自然序列单元 由于 奇数序列循环发生器、偶数序列循环发生器与自然序列循环发生器、音乐序列循环发生器的脉 冲频率要求不同，自然序列、音乐序列循环发生器的频率是奇数序列、偶数序列循环发生器的一半，所以 由 D触发器构成分频器将脉冲发生器的脉冲频率减半，接到自然序列和音乐序列的脉冲输入端。 复位电路 是一种上电压自动复位电路，利用的是电容两端的电压不能突变的原理，当打开电源时，复位信号保持在低电平，使控制器清零，随着 Vcc通过电阻 R对电容的充电，使 C两端电压逐渐升高，经过一段时间后，复位信号才跨越逻辑阀值转变为高电平，使系统开始正常工作。 4 仿真结果 4.1 振荡 脉冲发生器仿真 nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 19 图 4.1.1 脉冲信号 1 图 4.1.2 脉冲信号 2 4.2 分频器 nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 20 图 4.2 分频器 4.3 复位电路 图 4.3. 复位电路 4.4 总电路 利用 EWB软件仿真。当按下开关，开始循环器置数 1000，当再按下 A开关，nts 彩灯循环显示控制电路设计 课程设计说明书 21 得到其显示器输出为 1， 3， 5， 7， 9， 0， 2， 4
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