八路彩灯显示电路

精品文档 1欢迎下载 八路彩灯显示电路八路彩灯显示电路 摘摘 要 要 每逢过年过节都要在门口上搞些彩灯 以显示浓厚节日气氛 那么在 当代舞台上彩灯的闪烁更引人注目 使人们心情有一种特别快乐感 彩灯装置 多种多样 在这里我们设计这样一种彩灯 八路彩灯显示 该设计是八路彩 灯的设计 首先是对总体方案的选择与设计 根据课程设计课题要求 要实现 本系统 需要设计时钟脉冲产生电路 循环控制电路和彩灯花样输出电路 时 钟脉冲产生电路由 74LS161 分频实现 循环控制电路由 74LS161 和 7420 实现 彩灯花样输出电路由 74LS194 和相关逻辑电路实现 最后在 Multisim 中实现该 电路图的功能 仿真结果表明 完全符合设计需要 实现了实验的要求 关键词 关键词 八路彩灯 电路设计 仿真 精品文档 2欢迎下载 目录 1 设计任务与要求 3 2 总体方案的设计 3 3 单元电路的设计及仿真 4 3 1 555 计时器 4 3 2 20 循环计时器 6 3 3 彩灯花样输出电路 9 精品文档 3欢迎下载 4 总电路的设计及仿真 10 5 结论与心得 15 6 参考文献 15 精品文档 4欢迎下载 1 设计任务与要求 设计一个八路彩灯 而且每路都有八盏灯显示的控制装置 其彩灯变化情 况如下 1 八路彩灯的每路八盏灯同时依次亮 时间间隔 1 秒 然后同时依次灭 时 间间隔 1 秒 2 八路彩灯同时整个亮 时间间隔 0 5S 然后同时整个灭 时间间隔 0 5S 而这个过程要重复四遍 2 总体方案的设计 由设计任务与要求可知 本设计有三个阶段 第一阶段八路彩灯依次亮 第二阶段八路彩灯依次灭 第三阶段八路彩灯同时亮 同时灭 前两阶段的时 间间隔为 1 秒 第三阶段的时间间隔为 0 5 秒 通过计算 循环一个周期需要 20 秒 彩灯第一阶段和第二阶段的花色变化是以 1 秒为单位 需要设计时钟脉 冲产生电路 以 555 定时器构成的多谐振荡器组成 第三阶段的 0 5 秒间隔可 以通过分频计数器实现 完成一个周期需要 20 秒的时间 所以需要设计 20 进 制循环控制电路和彩灯花样输出电路 而彩灯花样输出电路由移位寄存器 74LS194 和相关逻辑电路实现 原理框图如图 2 1 所示 多 谐 振 荡 器 20 进制循环控制器 移位计数器 74LS194 精品文档 5欢迎下载 图 2 1 八路彩灯显示原理框图 本次设计实现分为三个部分 即多谐振荡器 移位计数器 74LS194 彩灯 显示输出 经过分析 使用多谐振荡器完成计数脉冲的输出 得到一个周期性 的矩形脉冲 控制模 16 分频计数器来实现所需要脉冲的信号 然后一路送到 20 进制循环控制电路 一路送到 74LS194 移位寄存器 从而完成对八路彩灯电 路的控制 最后使用彩灯显示输出来实现实验的设计要求 设计的初稿借鉴了书和网上的东西 虽然使用 Multisim 软件不是十分的熟 练 但是还是在软件中找到了所需的芯片以及各元器件 主要的参考元件 555 定时器 74LS163 74LS194 74LS09 74LS04 74LS32 和与非门 3 单元电路的设计 3 1 多谐振荡器 多谐振荡器是由 555 计时器构成 555 计时器是一种集成电路芯片 常被 用于定时器 脉冲发生器和振荡电路 555 可被作为电路中的延时器件 触发 器或起振元件 多谐振荡器又称为无稳态触发器 它没有稳定的输出状态 只 有两个暂稳态 在电路处于某一暂稳态后 经过一段时间可以自行触发翻转到 另一暂稳态 两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波 多谐振荡器可用 作方波发生器 如下图 3 1 555 计时器的电路原理图 彩 灯 显 示 输 出 精品文档 6欢迎下载 图 3 1 555 计时器的电路原理图 555 计时器由 3 个阻值为 5k 的电阻组成的分压器 两个电压比较器 C1 和 C2 基本 RS 触发器 放电三极管 TD 和缓冲反相器 G4 组成 虚线边沿标注 的数字为管脚号 其中 1 脚为接地端 2 脚为低电平触发端 由此输入低电平 触发脉冲 6 脚为高电平触发端 由此输入高电平触发脉冲 4 脚为复位端 输 入负脉冲 或使其电压低于 0 7V 可使 555 定时器直接复位 5 脚为电压控制 端 在此端外加电压可以改变比较器的参考电压 不用时 经 0 01uF 的电容接 地 以防止引入干扰 7 脚为放电端 555 定时器输出低电平时 放电晶体管 TD 导通 外接电容元件通过 TD 放电 3 脚为输出端 输出高电压约低于电源电 压 1V 3V 输出电流可达 200mA 因此可直接驱动继电器 发光二极管 指示 灯等 8 脚为电源端 可在 5V 18V 范围内使用 555 定时器工作时过程分析如下 5 脚经 0 01uF 电容接地 比较器 C1 和 C2 的比较电压为 UR1 2 3VCC UR2 1 3VCC 当 VI1 2 3VCC VI2 1 3VCC 时 比较器 C1 输出低电平 比较器 C2 输出高 电平 基本 RS 触发器置 0 G3 输出高电平 放电三极管 TD 导通 定时器输出 低电平 当 VI11 3VCC 时 比较器 C1 输出高电平 比较器 C2 输出高 电平 基本 RS 触发器保持原状态不变 555 定时器输出状态保持不来 当 VI1 2 3VCC VI2 1 3VCC 时 比较器 C1 输出低电平 比较器 C2 输出低 电平 基本 RS 触发器两端都被置 1 G3 输出低电平 放电三极管 TD 截止 定 时器输出高电平 精品文档 7欢迎下载 当 VI1 2 3VCC VI2 1 3VCC 时 比较器 C1 输出高电平 比较器 C2 输出低 电平 基本 RS 触发器置 1 G3 输出低电平 放电三极管 TD 截止 定时器输出 高电平 555 定时器真值表 如下表 3 1 所示 表 3 1 555 计时器的真值表 清零端 高触发端 TH 低触发端 TR V0 放电管 T V 功能 0XX0 导通清零 101X 保持保持 1101 截止置 1 1001 截止置 1 1110 导通清零 根据实验要求设计出周期为 1s 的多谐振荡器 如图 3 2 所示的多谐振荡器结构图 图 3 2 多谐振荡器的结构图 用 555 定时器构成多谐振荡器 电路输出便得到一个周期性的矩形脉冲 其 周期为 T 0 7 R1 2R2 C 精品文档 8欢迎下载 此时电路中需要的物理量 若选用四位二进制计数器 要达到设计要求 振荡周期 T 应为 1 秒 公式 T 0 7 R1 2R2 C 若取 R1 R2 R 则 T 2RC 当取 C 100 F 时 R T 2C 0 5 C 5K 一般电路中 取 C1 0 01 F 分析 555 计时器是八路彩灯显示电路中十分重要的一环 它承担的是最 基础的东西 通过设定电容和电阻把输出的脉冲信号设定为电路所需要的脉冲 从而让电路能够完成运转 需要的脉冲为 1 秒 通过公式则可以得出所需要的 电阻和电容 进过验证 是符合电路需要的 3 2 20 循环计时器 因为完整的一个周期的时间大约是 20 秒 所以需要一个 20 循环计时器来 实现这个功能 74LS163 芯片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 一片 74LS163 可以实现 16 进制以下任意的 计时器 而一个 74LS163 无法实现 20 循环计时器的这个功能 根据实验要求所 以需要两个来实现这个功能 如图 3 3 74LS163 的引脚图 图 3 3 74LS163 芯片的引脚图 精品文档 9欢迎下载 原理图所示的管脚注释如下 P0P1P2P3 四个数据输入端 CLK CP 时钟端 CEP CET 使能端 Q0Q1Q2Q3 四个数据输出端 RCO 进位输出端 PE 置数端 MR 清零端 74LS163 的逻辑功能表如下表 3 2 所示 表 3 2 74L3S163 的逻辑功能表 从 74LS163 功能表功能表中可以知道 当清零端 CR 0 计数器输出 Q3 Q2 Q1 Q0 立即为全 0 这个时候为异步复位功能 当 CR 1 且 LD 0 时 在 CP 信号上升沿作用后 74LS163 输出端 Q3 Q2 Q1 Q0 的状 态分别与并行数据输入端 D3 D2 D1 D0 的状态一样 为同步置数功能 而只 有 CR LD EP ET 1 CP 脉冲上升沿作用后 计数器加 1 74LS163 还有一个 进位输出端 CO 其逻辑关系 CO Q0 Q1 Q2 Q3 CET 合理应用计数器的清 零功能和置数功能 一片 74LS163 可以组成 16 进制以下的任意进制分频器 如 果模 N 计数器的计数序列从最小 0 到最大数 N 1 那么 N 是多余的 可用与非 门检测 N 当 N 出现时 与非门输出为低 用它控制清零端 CLR 将计数器清零 此处工作状态从 00000 10011 检测 10100 异步清零 此时就能够实现 20 循 精品文档 10欢迎下载 环计时器的功能 分析 该实验全部完成需要 20 秒的时间 因此需要一个 20 循环计时器来 实现这个功能 上述的电路图能够实现 20 的循环计数 然后置零 完美的符合 我们所需要的功能 因此达到了实验所需要的要求 在此次实验中还需要 74ls09 74ls10 74ls04 74ls32 等基本门电路 20 循环计时器是用两个 74LS163 来实现的 此时 20 循环计时器的电路结构图如下图 3 4 所示 图 3 4 20 循环计时器的电路结构图 分析 通过控制电路的输出 我们实现了脉冲信号的分频和计数 成功的 把脉冲信号分频成为了我们所需要的脉冲信号 进过多次验证 确实可以满足 接下来的实验要求 符合实验的目的 3 3 彩灯花样输出电路 74LS194 是 4 位双向移位寄存器 能够在移位脉冲的作用下左移和右移 既能左移又能右移的寄存器被称为双向移位寄存器 只需要改变左右移动的控 制信号就能够改变移动的方向 根据移位寄存器存取信息方式的不同 可以把 双向移位寄存器分为 串入串出 串入并出 并入串出 并入并出 四种 而 74LS194 符合实验要求 但是只能够实现 4 个灯的输出 所以需要两片 74LS194 精品文档 11欢迎下载 来实现八个彩灯的输出 彩灯输出电路运用了两片 74LS194 双向移位寄存器和八个发光二极管以实 现实验目的 发光二极管是常用元气原件 当二极管导通时 二极管发光 截 止时 二极管不发光 如图 3 5 为 74ls194 的引脚图 图 3 5 74ls194 的引脚图 D0D1D2D3 并行输入端 QOQ1Q2Q3 并行输出端 S0S1 操作模式控制端 CR 非 为直接无条件清零端 SR 右移串行输入端 DS1 左移串行输入端 74LSls194 的真值表如下表 3 3 精品文档 12欢迎下载 表 3 3 74LS194 真值表 输入输出 CLRCLKS1 S0SL SRQAN 1QBN 1QCN 1QDN 1 功能说明 0XX XX X0QANQBNQCN 异步清零 10 1X 00QANQBNQCN 右移 10 1X 11QANQBNQCN 右移 11 00 XQBNQCNQDN0 左移 11 01 XQBNQCNQDN1 左移 11 1X XABCD 并行输入 10 0X XQANQBNQCNQDN 保持 74ls194 有 5 种工作模式 分别是右移 左移 异步清零 并行输入和保 持功能 即并行送数寄存 右移 方向由 Q0 Q3 左移 方向由 Q3 Q0 保 持及清零 S1 S2 和 CR 非端的控制作用如表 3 3 其中 D3 D2 D1 D0 为并行输入端 Q3 Q2 Q1 Q0 为并行输出端 SR 为右移串行输入端 SL为左移申行输入端 S1 S0为操作模式控制端 CR 非为直 接无条件清零端 CP 为时钟脉冲输入端 因为 74LS194 是 4 位移位寄存器 无法实现实现要求的 8 个彩灯 所以采 用两个 74LS194 相连 两片 74LS194 相连的原理图如下图 3 6 所示 精品文档 13欢迎下载 图 3 6 两片 74LS194 相连原理图 分析 通过其他电路来为 74LS194 提供脉冲信号 从 74LS194 的真值表中 选择控制输出脉冲来彩灯的花色变化 进过调试最终实现了实验所需要的几种 花色的变化 符合实验的目的 达到了所需要的要求 4 总电路的设计与仿真 根据设计任务及要求可知 该八路彩灯显示电路由多谐振荡器 20 循环计 数器还有 74LS194 双向移位寄存器所组成 先通过多谐振荡器来实现脉冲信号 的提供 然后再使用 20 循环计时器来计时 控制实验的整体时间 最后使用两 片双向移位寄存器 74LS194 来控制八个彩灯的移动方向 在仿真软件 Multisim 中依次把多谐振荡器 20 循环计数器还有 74LS194 双向移位寄存器实现 最后 连接实现最终的八路彩灯循环显示电路仿真结构图 下图 4 1 为总电路结构图 精品文档 14欢迎下载 图 4 1 总电路结构图 仿真结果如下 精品文档 15欢迎下载 图 4 2 第一秒仿真结果图 图 4 3 第五秒仿真结果图 精品文档 16欢迎下载 分析 第一阶段八路彩灯的每路八盏灯依次亮 图 4 2 和图 4 3 是从左到 右依次亮的时间间隔为一秒的第一秒和第五秒 符合一秒亮一盏灯的设计 证 明了电路的设计成功 图 4 4 第九秒仿真结果图 精品文档 17欢迎下载 图 4 5 第十三秒仿真结果图 分析 这是实验的第二阶段 此阶段是从右往左依次灭的 时间间隔为一 秒 图 4 4 和 4 5 是第二阶段的第九秒和第十三秒 符合一秒灭一盏灯的实验 目的 因此符合实验要求正确 图 4 6 第三阶段整体亮图 精品文档 18欢迎下载 图 4 7 第三阶段整体灭图 分析 这是