LED单片彩灯控制器设计书.doc

0 LED 单片彩灯控制器设计书 一 设计任务与要求 利用控制电路可使彩灯按一定规律不断改变状态 不仅可获 得良好的观赏效果 而且可以省电 1 以 LED 数码管作为控制器的显示器件 它能自动地显示 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 然后又依 次显示出自然数列 奇数列 和偶数列 如此周而复始 不断循 环 2 打开电源时控制器可自动清零 从电源接通时刻起 数 码管最先显示自然数列 然后按规律循环 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 4 写设计说明书 画原理图 1 二 设计的方案的选择与论证 设计要求数码管显示 自动显示数字队列 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 自然数列 1 3 5 7 9 奇数列 和 0 2 4 6 8 偶数列 然后又 依次显示同上数列 不断循环 则需要我们提供能遵循上述循环 的脉冲 也就是说产生脉冲的电路是必不可少的 这里将选用 555 定时器 显示数字从 0 到 9 只要设计十进制计数器 74LS90D 产生就可以 要从 1 3 5 7 9 跳变 只要将 QA 强制置 1 要从 0 2 4 6 8 跳变 只要将 QA 强制置 0 最后通过 555 定时器不断送出脉冲 按照上诉循环 当然这些过程还需要用到 74LS162 74LS153 来控制电路 上述也就是用十进制计数器对 时钟信号脉冲进行计数实现第一步 让显示电路输出 0 1 3 8 9 然后用分频器将计数脉冲的频率变为原来的 十分之一接到另一计数器中产生两位二进制地址码 再通过四选 一数据选择器分别产生奇数 偶数数列 电路完成后因为开始的时候不一定能从 0 到 9 开始跳变 所 以设计一个开关来控制 只要将开关一端接高电平 另一端接地 打开电源开关 自动清零 即通电之后最先显示自然数列 0 再 显示 1 按上述规律变化 因为 555 送出的脉冲不会产生太大的 差异 所以只要电路正确每个数字的显示时间就会基本相等 2 2 1 主要组成部分 1 时钟信号发生器 用555定时器电路在外部配上几个适当的阻容和二极管构成 时钟信号 为彩灯电路提供必要的信号源 并且要求设计的频率 可以使每个数字的显示时间在0 5S到2S范围内连续可调 也就是 要求电容和电阻的搭配要在一定范围内 若搭配不合理 会导致 频率过快 或过慢 以至于在测试的时候极为不方便 甚至测不 出来 所以555定时器要陪上合理的电容电阻器件 2 计数器 数据选择器 译码器 用十进制计数器对时钟信号脉冲进行计数实现第一步 让显 示电路输出0 1 3 8 9 然后用分频器将计数脉冲的频率 变为原来的十分之一接到另一计数器中产生两位二进制地址码 再通过四选一数据选择器分别产生奇数 偶数 然后通过译码器 接到显示电路实现其循环 3 开关电路 2 2 基本原理 本控制器电路应由时钟发生信号电路 计数器 分频电路 数据选择器 译码器显示电路组成 本控制器的核心元件为计数器 分频器 数据选择器 译码 器 分别采用集成电路 74LS90 74LS162 74LS153 和 7448 1 74LS90 为 14 脚双列直插的异步二 五 十进制加法 计数器 它既可以作二进制加法计数器 又可以作五进制和十进 制加法计数器 其引脚如下图 1 所示 通过不同的连接方式 3 74LS90 可以实现四种不同的逻辑功能 而且还可借助 R0 1 R0 2 对计数器清零 借助 S9 1 S9 2 将计数器置 9 同 时它还可以从不同的引脚接出作为 2 5 10 分频器使用 其具体 功能详述如下 1 计数脉冲从 CP1 输入 QA 作为输出端 为二进制计数器 2 计数脉冲从 CP2 输入 QDQCQB 作为输出端 为异步五进制 加法计数器 3 若将 CP2 和 QA 相连 计数脉冲由 CP1 输入 QD QC QB QA 作为输出端 则构成异步 8421 码十进制加法计 数器 4 若将 CP1 与 QD 相连 计数脉冲由 CP2 输入 QA QD QC QB 作为输出端 则构成异步 5421 码十进制加法计 数器 5 清零 置 9 功能 a 异步清零 当 R0 1 R0 2 均为 1 S9 1 S9 2 中有 0 时 实现异步清零功能 即 QDQCQBQA 0000 b 置 9 功能 当 S9 1 S9 2 均为 1 R0 1 R0 2 中有 0 时 实现置 9 功能 即 QDQCQBQA 1001 4 图 1 74LS90的引脚图 2 74LS153是包含两个完全一样的四选一数据选择器 两个数 据选择器有公共的地址输入端 而输出端和输入端是各自独立的 通过给定不同的地址代码 QA QB的状态 即可从4个输入端中 选出所要的一个 并送至输出端Y 该设计的关键是对产生十进制的74LS90的QA 强制置数的处 理 设计要求产生奇数 实际上就是QA 强制置1 要求产生偶数 实际上就是把QA强制置0 然后通过译码器将信号翻译后输出到 显示电路 定时器555是一种双极型中规模集成电路 只要元件 和适当的电路连接 就可构成多谐振荡器 该器件的电源电压为 5V 驱动电流也较大 并能提供与TTL与COM电路相兼容的逻辑电 平 因此可以由上述电路实现电路所需的信号源 3 74LS162 十进制同步计数器 同步清除 74LS162 为可预置的十进制同步计数器 它清除端是同步的 当清除端 SR 为低电平时 在时钟端 CP 上升沿作用下 才可完成 清除功能 74LS162 的预置是同步的 当置入控制器 PE 为低电平 它 的清除端是同步的 当清除端 SR 为低电平时 在时钟端 CP 上 升沿作用下 才可完成清除功能 162 的预置是同步的 当置入 5 控制器 PE 为低电平时 在 CP 上升沿作用下 输出端 Q0 Q3 与 数据输入端 P0 P3 一致 对于 74LS162 当 CP 由低至高跳变或 跳变前 如果计数控制端 CEP CET 为高电平 则 PE 应避免由 低至高电平的跳变 而 74LS162 无此种限制 74LS162 的计数是同步的 靠 CP 同时加在四个触发器上而 实现的 当 CEP CET 为高电平时 在 CP 上升沿作用下 Q0 Q3 同时变化 从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰 对 于 74LS162 只有当 CP 为高电平时 CEP CET 才允许由高至低 电平的跳变 而 74LS162 的 CEP CET 跳变与 CP 无关 162 有超前进位功能 当计数溢出时 进位输出端 TC 输 出一 个高电平脉冲 其宽度为 Q0 的高电平部分 在不外加门电路的情况下 可级联成 N 位同步计数器 对于 74LS162 在 CP 出现前 即使 CEP CET SR 发生 变化 电路的功能也不受影响 74LS162 功能表如下 SR PECETCEP 工作模式 LXXX 清零 HLXX 置数 HHHH 计数 HHLX 不变 6 时钟信号发生器 计数器分频器 数据选择 器 地址码产 生计数器 译码器显示电路 HHXL 不变 表 1 74LS162 功能表 74LS162 引脚图如下 图 2 74LS162 引脚图 三 电路设计计算与分析 3 1 系统设计框图 7 3 2 核心部分设计 图 3 总原理图 如上图 3 所示 U1 是由 74LS90 接成的十制计数器 将 INB 和 QA 相连 将 R91 和 R92 接地 并从 14 脚 INA 接信号输入 构 成十进制计数器 再用另一块 74LS90 接成十分频器 其接法和 8 十进制计数器一样的接法 都是将 INB 和 QA 相连 R91 和 R92 接地 从 14 脚 INA 接信号输入 11 脚 QD 接与非门 U6 的两个输 入端 将其输出端接 U3 即 74LS162 的 2 脚 CLK 以十进制计数器 的十分之一的频率输入地址码计数器 U4 从而使其中 U3 的 3 4 5 6 脚接地 7 脚 9 脚 10 脚接高电平 再将地址码 信号和十进制计数器 U1 的相应输出信号接到数据选择器 U4 74LS153 即 U3 的 13 脚和 14 脚分别接 U4 的 2 脚和 14 脚 其中 U4 的 4 脚接地 5 脚接高电平使计数器在 0 1 2 9 之 后使 Y1 强制置 1 即可实现电路输出为奇数 4 脚接地则可使输 出端 Y1 强制置 0 从而输出偶数列 U1 的 11 脚 8 脚 9 脚分 别接数码管的 4 3 2 Y1 接数码管的 1 脚 U3 的 QB 接一个与非 门送到 U3 的清零端 实现三个两位地址的循环输出 由 74LS90 构成的自然数列如下 即图 4 图 4 74LS90 构成的自然数列 由 74LS90 构成的奇数列如下 即图 5 9 让 QA 强制 1 图 5 74LS90 构成的奇数列 由 74LS90 构成的偶数列如下 即图 6 让 QA 强制 0 图 6 74LS90 构成的偶数列 10 3 3 时钟信号发生器如下图 7 图 7 时钟信号发生器 定时器555是一种双极型中规模集成电路 只要元件和适当 的电路连接 就可构成多谐振荡器 该器件的电源电压为5V 驱 动电流也较大 并能提供与TTL与COM电路相兼容的逻辑电平 因 此可以由上述电路实现电路所需的信号源 如图7所示 由555定 时器构成的多谐振荡器可提供核心电路所需的时钟信号 其外接元件参数如图所示 分别外接两个2K的电阻和20K的 滑动变阻器以及一个1 F和100nF的电容 外加5伏的工作电压 从而可以产生频率在5HZ到20HZ的矩形波 11 图 8 脉冲波形 3 4开关电路 如图3所示 在74LS90 U1和U2 的2 3脚4根引脚相连后接 开关的一端 开关的另一端连高电平 在电路接上电源之前把开 关连上 接上电源后电路输出自动显示0 接着断开开关即可实 现从0到9的计数 接着跳到奇数列 然后偶数列 3 5显示电路 要实现每个数字显示时间在0 5S到2S范围内连续可调 而 555定时器经过了十分频所以设计时要求输出频率在5HZ到20HZ范 围内 12 参数计算 频率公 式 1 12 ln2 f RRC 1 占空比公 式 2 12 12 2 RR q RR 代人要求 f 在 5HZ 到 20HZ 之间求得 R1 R2 2K 可调电阻选 20K C 1uf 13 四 总结及心得 1 通过这两周设计彩灯控制器电路 熟悉了 74LS90D 74LS162 74LS153 等的逻辑关系以及 555 的功能及应用 提高了 自己能力 对数字电路这门课程产生了更浓厚的兴趣和更深的理 解 2 在此次设计中遇到了一些问题 比如在设计 555 定时器构 成多谐振荡器时 电容的连接不当会造成多谐振荡器无效 通过 独立思考 深入钻研相关问题 学会自己分析解决问题的方法 经过电路板的设计 大大提升了我们设计能力 拓宽了我们的思 维方式真正把学到的知识应用到实际当中 3 虽然在上课时 我有学到这些元件的功能 但课堂上的知 识太多而且只是局限于书本的理论知识 这并不能使我完全全部 掌握这么多元件的逻辑和功能 通过本次设计 我完完全全掌握 了许多元件的功能和混合应用 4 此次课程设计 锻炼了独立思考解决问题的能力 出现差 错的随机应变的能力 和与人合作的精神 相信我在以后的设计 中会表现的更加出色 会在以后设计出更多的逻辑电路 14 五 附录 5 1 总原理图 电路仿真设计完成后的总电路图如下所示 即图 9 图9 电路仿真图 5 2 画 PCB 版图 在 protel99SE 中画好原理图然后导入 PCB 文件中画出 PCB 电路 PCB 板图如下 15 图 10 PCB 电路图 16 5 3 元件清单 元件序号型号主要参数数量备注 R320k1滑动变阻器 R1 R22K2电阻 C2100nF1电容 C11uF1电容 U374LS1621计数器 A15551定时器 U474LS1531数据选择器 U274LS90D2计数器 J1开关1 D1 D21BH622二极管 U6A U7A74002与非门 74481译码器 U5DCD HEX1数码管 表表 2 2 元件清单 六 参考文献 1 阎石主编 数字电子技术基础 第五版 北京 高等教育出版 社 2006 5 2 梁秀荣编 电子设计自动化技术实用教程 徐州 中国矿业大 学出版社 2007 2 3 康华光 数字电子技术基础 北京 高等教育出版社 17 1998