彩灯循环显示控制电路设计

武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 1 1 摘要 彩灯循环控制器主要由三部分组成 振荡电路 计数及译码驱动电路 显示电路 振荡电路是由 555 定时器组成的多谐振荡器构成 用于产生时间脉冲 计数电路由 74HC160 构成 用于电路的计数 译码器主要用于整个电路的循环计数控制 显示电路 由七段的数码管构成 用于显示电路的输出结果 为了实现这个循环输出的功能 在设 计的时候用到了一个 2 线 4 线译码器和一个四进制计数器 可以利用它的输出端来控制 四个计数器的工作情况 让四个计数器依次工作 以达到要求的依次循环输出数列 最 后就是脉冲的问题 由于在产生奇数列和偶数列的时候要求分频使得数列显示的速度大 致相同 因此要分频 用 555 构成多谐振荡器产生脉冲 再用一个 D 触发器实现二分频 就可以了 彩灯循环控制器的作用主要是对现如今非常多的彩灯的运作进行控制的一个 电路 具有很广泛的应用 而计数器则在时序电路中应用很广泛 不仅可以用于对脉冲 计数 还可以用于分频 定时 产生节拍脉冲以及其他的时序信号 我们这次的实验准 备分三步进行 首先是原理的分析 确定好电路图 然后根据电路图进行仿真 最后是 实物的制作与调试 而我在这次课程设计中主要是做的实物 所以对于实物的焊接和调 试要了解得多一些 关于焊接 我们准备采用焊锡而不是焊导线 因为导线走的线路并不 是十分清晰 而且焊出来并不是十分美观 焊锡的话不仅整个电路的损耗电阻要减小 而且电路的走线清晰美观 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 2 2 主要任务 1 设计并制作一个彩灯循环控制器 2 用七段 LED 数码管作为显示元件 它能自动依次显示 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 然后循环显示自然数列 奇数列 偶数列 符 号列 如此循环 3 设置自动清 0 电路 打开电源输出状态为 0 然后按 1 变化 设置时基电路为 0 5S 到 2S 范围内连续可调 3 基本组成方框图 图 1 基本方框图 4 设计部分 4 1 序列产生部分 4 1 1 自然序列产生部分 计数部分主要使用的是 74HC160 来实现的 其功能表以及引脚图如下图所示 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 3 图 2 74HC160 的引脚图 表 1 74HC160 CLRLOADENPENTCLKABCDQAQBQCQDRCO 0 00000 1000POS ABCD 1 1111POS Count 1 111 QA0QB0QC0QD0 1 11 1 QA0 QB0QC0QD0 1 由于 74HC160 本身就是一个十进制计数的芯片 因此对于这个部分就只需按照其功 能表来接电路就可以实现十进制自然序列输出了 在脉冲信号的触发下 计数器的输出 端的状态依次为 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 然后再将计 数器的输出端和数码管的输入端口相接就可以在数码管上面看到依次显示从 0 到 9 了 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 4 图 3 自然序列产生电路 4 1 2 奇数列产生部分 将奇数 1 3 5 7 9 用 8421BCD 码分别表示为 0001 0011 0101 0111 1001 可以发现最后一位都为 1 因此可以在上述十进制自然序列的基础上 将数码管的最低位接高电平就可以实现奇数序列了 虽然在每个脉冲触发的作用下 芯 片实现的仍然是十进制 但是由于数码管最低位接高电平 在数码管显示的则是奇数列 但是显示的时间间隔是正常自然序列的 2 倍 为了实现相邻显示时间间隔相等 我们可 以利用二分频电路解决上述问题 图 4 奇数产生电路 U3 DCD HEX U5 74LS160D QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 VCC 5V V1 50 Hz 5 V 10 0 67 8 9 U1 DCD HEX DIG GREEN U2 74LS160D QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 V1 50 Hz 5 V VCC 5V 1 0 VCC 2 3 4 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 5 4 1 3 偶数列产生部分 将偶数 0 2 4 6 8 用 8421BCD 码分别表示为 0000 0010 0100 0110 1000 可以发现最后一位都为 0 因此可以在上述十进制自然序列的基础上将数码管的 最低位接低电平就可以实现偶数序列了 虽然在每个脉冲触发的作用下 芯片实现的仍 然是十进制 但是由于数码管最低位接高电平 在数码管显示的则是偶数列 但是显示 的时间间隔是正常自然序列的 2 倍 为了实现相邻显示时间间隔相等 我们可以利用二 分频电路解决上述问题 图 5 偶数产生电路 4 1 4 音乐数列产生部分 音乐序列的特点是从 0 显示到 7 后又再变为 0 这里可以将数码管的最高位固定接 低电平就可以实现了 因为 74LS160 的输出端只有三个与数码管相接 当 74LS160 的输 出为 1000 和 1001 时 这时由于数码管最高位是固定接低电平的 也就是数码管 的输入端仍是 0000 0001 这样数码管的显示就又变成 0 和 1 了 U1 DCD HEX BLUE VCC 5V V1 50 Hz 5 V U2 74LS160D QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 VCC 1 0 2 3 4 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 6 图 6 音乐序列产生电路 4 2 脉冲产生电路 脉冲产生电路采用 555 构成的多谐振荡器 多谐振荡器的优点是在接通电源之后就 可以产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器 而不需要再外加输入信号了 多谐 振荡器的频率计算公式为 f 1 43 R2 2R3 C 由于要求时间在 0 5s 到 2s 范围内连续可 调 因此 f 的范围就应该在 0 5Hz 到 2Hz 之间 这时候需要在电路中加上一个可调电阻 因为 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 用它组成的多谐振 荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小 这样使产生的矩形波更稳定 图 7 脉冲产生电路 VCC 5V V1 50 Hz 5 V U1 74LS160D QA 14 QB 13 QC 12 QD 11 RCO 15 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 LOAD 9 CLR 1 CLK 2 U2 DCD HEX YELLOW 1 VCC 2 3 4 0 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 7 4 3 分频电路 因为奇 偶序列数字显示时间间隔是自然序列和音乐序列的 2 倍 为了实现显示数 字时间间隔相等的要求 可以使用二分频电路 让自然序列和音乐序列的显示时间与奇 偶电路的显示时间相等 D 触发器可以构成二分频电路 由于 D 触发器的状态方程为 Qn 1 D Qn 将 D 触发器的 D 端接在 Q 非 则从输出端 Q 输出的是二分频后的时间脉冲 其时间间隔为原脉冲的 2 倍 图 8 分频电路 4 4 数列循环部分 这个部分主要用到的是芯片 74HC390 计数器和 74HC139 译码管 它们的功能表和引 脚图分别如下图和表所示 表 2 74HC390 的功能表 输入 输出 R01R02S91S92CPACPBQDQCQBQA 110 0000 U1A 74HC113D 6V 1J 3 1Q 6 1 1K 2 1Q 5 1PR 4 VCC 5V XSC1 A B Ext Trig VCC V1 1kHz 5 V 1 2 0 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 8 11 0 0000 011 1001 011 1001 CP0二进制计数 0CP五进制计数 CPQA8421 码十进制计数 R01 R02 0 S91 S92 0 QDCP5421 码十进制计数 表 3 74HC139 的功能表 输入输出 GBAY3Y2Y1Y0 1 1111 0001110 0011101 0111011 0110111 图 9 74HC390 的引脚图 图 10 74HC139 的引脚图 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 9 图 11 数列循环电路 要让四个数列依次循环则采用一个 2 线 4 线译码器和一个四进制计数器 用译码器 的输出依次去控制芯片清零端 在通过一个四进制计数器去控制译码器输入 使其在四 个输出间不断循环 而计数器的时钟脉冲则可通过每个芯片的进位端经过一四输入或门 输出来控制 74HC390 的脉冲信号是由计数器的进位端来控制的 只有当一个计数器的 全部数列输出完了之后才会有脉冲信号过来触发 74HC390 让它进入下一个状态 这样就 是由电路自己控制的 在这个部分主要是应用了一个四进制的计数器和一个译码器 这个部分的作用是为 了使自然序列 奇数序列 偶数序列 音乐序列的循环显示 其中四个 74LS160 计数器 的进位端与 74HC390 的 CPA 相接 这样就可以通过进位端状态由 0 变为 1 的瞬间给它一 个脉冲触发 而另一个脉冲端则是与其输出端 QA 相接的 这样的接法是为了使 74HC390 实现 8421BCD 码十进制计数的功能 然后再让 74HC390 的输出端 QA QB 分别与译码器 74HC139 相接 这样可以用译码器来控制计数器的动作状态 它可以决定由哪个 74LS160 计数器来工作 当 QA QB 为 0 0 时 这时译码器的输出端就只有 Y0为 0 接一个 反相器然后再接产生自然序列的计数器的清零端 这样就可以实现只有自然序列输出的功 能 同理当 QA QB 为 0 1 时 这是译码器的输出端就只有 Y1为 0 接一个反相器 然后再接产生奇数序列的计数器的清零端 这样就可以实现只有奇数序列输出的功能 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 10 当 QA QB 为 1 0 时 这是译码器的输出端就只有 Y2为 0 接一个反相器然后再接 产生偶数序列的计数器的清零端 这样就可以实现只有偶数序列输出的功能 当 QA QB 为 1 1 时 这是译码器的输出端就只有 Y3为 0 接一个反相器然后再接产生音乐 序列的计数器的清零端 这样就可以实现只有音乐序列输出的功能 其产生序列的功能 就是这样实现的 5 总体电路的设计 这个电路图可以实现设计的要求 可以依次输出自然数列 奇数序列 偶数序列还 有音乐数列 而且还可以循环输出 数码管的显示的间隔时间 也可以通过调节脉冲信号 的频率来进行调整 电路图中四个 74LS160 的输出端口分别与四个与门相接 然后再将四个门电路的输 出端分别与数码管的输入端相接 其中产生自然数列和音乐数列的脉冲信号的频率是产 生奇数序列和偶数序列的脉冲信号的频率是 2 倍 这是因为为了实现数字显示时间间隔 相等的要求 这里利用二分频器很好地实现了这一功能 当打开电路的开关后 首先就是输出自然序列 这时是 U1 先工作 它的清零端接 的是 1 这时就是它处在计数的操作 然后输出通过与或门相接再接至数码管的输入 端 就可以依次显示从 0 到 9 当 U1 的输出要从 9 变到 0 的瞬间 它的进位端的状态是 1 然后通过一个或门接至 74HC390 的脉冲输入端 这时从 0 变至 1 恰好有一个 脉冲 就可以通过译码器使 U4 开始工作即开始计数 它从 9 变至 1 时 又通过进位端给 74HC390 一个脉冲 然后就通过译码器又使 U8 开始工作 它从 0 变至 8 当它从 8 变至 0 时 它的进位端又变至 1 就又可以给 74HC390 一个脉冲信号 最后就通过译码器控 制 U9 的工作 输出音乐数列 如此周而复始的这样循环 就可以实现我们需要的功能了 其电路图如图 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 11 图 12 总原理图 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 12 6 实物的制作 6 1 实物的制作过程 先确定所要用的元器件 买好元件之后 开始焊实物 由于此次的电路图比较复杂 切连接的线路比较多 如果想要在板子的后面把所有的线路都焊好 有点不且实际 而 且检查线路的时候也不好检查 焊接也花费很多的时间 但是连接的线路主要集中在各 个芯片的附近 所以我选择了再芯片的旁边焊排针的方式来减少我们板子后面的连线 所以在焊接的时候 我先把后面简单的线路连接好了 然后将芯片的管脚与对应的排针 管脚连接起来 连接好之后 再用杜邦线将剩下的线路连接起来 这样实物的焊接就完 成了 图 13 振荡电路正面图 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 13 图 14 振荡电路反面图 图 15 实物正 面图 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 14 图 16 实物反面图 6 2 实物的调试 将焊接好的板子接好电源之后 看数码管是否计数正常 但是接上电源后 数码管 始终显示 6 于是我们开始检查数码管那部分的电路是否有问题 刚开始以为是线路连接 有错误 于是对着原理图检查了一下 发现电路的连接并没有问题 再检查 74LS48 的 BC 端是否连接有错误 用万用表检查的时候发现 BC 端是高电平端 但是它本来应该是低电 平的 于是我怀疑是否是这两端与某一个高电平端短路了 检查之后才发现原来是排针 与管脚的连接线忘记连上了 连好之后 接好线路 发现电路刚开始正常计数 但是当 计数到偶数序列的时候停止了计数 检查之后发现原来是那块芯片烧坏了 换了一块芯 片之后电路开始正常计数 武汉理工大学 数字电子技术基础 课程设计说明书 15 7 心得与体会 这次的课程设计结合了我在数电的课程上学到的知识 把平常只在书本上和题目上 遇到的问题搬到了实际的问题中 不仅锻炼了我焊接实物和调试实物的能力 还深化了 我在课堂上学到的知识 是我在学习道路上的又一次进步 刚开始的时候 其实我也试 过自己仿真的 但是不知道是什么原因 我用 protues 仿真总是出不来结果 后来我放 弃了仿真 即使我知道电路图的原理是正确的 因为我在找了许多资料后还是找不出我 处错误的原因 我突然发现我并不是一个能够将一件事情坚持到底的人 为此我曾很失 落 于是在焊接实物的时候我抱着一颗热忱的新去做 尽管砸焊接的过程中遇到了很多 的问题 比如 刚开始的时候 结果并没有出来 检查电路的连接也没有问题 但是就 是找不出问题在哪 冷静之后一步步分析 后来终于发现了问题的所在 还有就是刚开 始分块测试的时候 不小心把电源打到了 8V 把其中一块芯片烧掉了 当时并没有多在 意 但是在后来调试的时候出现了大问题 电路不能循环工作 分析问题之后才想起来 那会把芯片给烧坏了 换了芯片之后电路开始正常工作 这时候才感受到收获成果的喜 悦之情 事实证明 只要你