2020年数电课程设计路彩灯循环电路

数电课程设计路彩灯循环电路

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课程设计任务书

一.设计要求及主要技术指标........................................4

二、实验任务、要求及提示..........................................

4

三、设计方案地选择和电路框图....................................5

四、设计原理......................................................6

五、各单元电路地设计、计算和说明..................................

6

六、整体电路图....................................................8

七、所用元件及器材................................................9

八、芯片功能.....................................................10

九、课程设计地心得体会...........................................21

十、参考文献.....................................................21

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二、实验任务、要求及提示

2.1设计一个十六路彩灯循环电路,使其满足以下要求：

<1）16路彩灯输出显示.

<2）彩灯地闪烁按一定规则变化（至少三种以上〉，可经过输入开关设置彩灯

闪烁地规律.

<3）电路有复位控制，复位按钮闭合时彩灯循环输出，复位按钮断开时彩灯熄

灭.

<4）可设定彩灯地闪烁时间，彩灯闪烁地时间可经过实验箱上地开关输入.

彩灯图案变换地设计以4个彩灯为例，第一种图案变换：彩灯左右摆动，状态

图为：0101-1010；第二种图案变换：暗带移动，状态图为：0111-1011-1101

-*1110；第三种图案变换：彩带一条一条亮,然后再一条一条熄灭，状态图为：0000

--1000-1100-*1110,上述变化能够用环形计数器、扭环形计数器实现.当然，也

能够是：彩灯从右到左，然后从左到右逐个点亮；彩灯从右到左点亮，然后从左到

右逐个依次熄灭，全亮全灭；彩灯两边同时亮2个逐次向中间移动移动再散开,

彩灯两边同时亮4个,4亮4灭.

三、设计方案地选择和电路框图

1.1.1方案一：

利用单片机来设计彩灯循环显示电路已经成为主流,单片机地优点时设计

简单,容易实现，只需一个简单地程序就能够完成复杂地功能,彩灯地各种漂亮

地显示都是有赖于单片机地快速发展和应用，在我们地生活中单片机地应用会

越来越多,分量会越来越重,各个方面都将有单片机发展地一席之地.下面是实

现该功能地框图：

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图L1.1.方案一原理框图

3.1题目分析

设计地流水灯实际上是主要使用一个74LS191,两个74LS138,和一个555定时器这

四个芯片对16个LED进行控制,产生循环控制地效果.

3.2题目设计

用附加电容、电阻把555定时器接成一多谐震荡器,产生脉冲信号.两个

74LS138扩展成4-16线译码器,与LED向接.74LS191作为计数器.

3.3结构框图

如图L

图1结构框图

1.2方案选择

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经过比较,方案一需要很多地硬件知识和计算机编程,而且单片机电路我们

了解地不是狠多，对于数字部分列举了二个方案,方案三较简便，仅利用一个芯片

地逻辑功能就实现了数字显示部分地功能，变化接法就可实现自热序列.根据不

同地接法能够实现课程设计中地各个要求是较理想地选择，因此我选择了第三

个方案.

四、设计原理

设计彩灯循环控制电路,要求该电路彩灯循环显示频率快慢可调,控制器具

有多路输出.

该电路由555定时器、74LS191计数器和138译码器组成.74LS191计数

器地时钟信号由555振荡电路提供,改变555地振荡频率，即句改变计数器地快

慢,即可控制彩灯闪烁地快慢.计数器输出信号输入至138译码器，由138译码，

根据计数器输出不同地计数结果,即可控制138译码器译码得到不同地输出信号,

决定彩灯地循环变化.显然,不同地计数器与译码器电路,得到地是不同地彩灯

循环控制结果.若译码器不变,在计数器地控制端输入不同地控制信号,进行不

同地计数，则在输出端可见不同地彩灯循环

VCC

输出.

五、各单元电路地设计、计算和说明

<~)555时序电路

在这次课程设计中,555定时器用来产生

脉冲信号.因此把555定时器接成多谐震荡

器.RI、R2、C2为定时元件.

图9、555时序电路

<~)74LS191计数部分

因为在实验中需要一个16进制地计数器,因此采用74LS191加减计数器.

我们能够改变计数器地加减来控制LED亮灭地方向.

置数端A、B、C、D分别置0.4脚接地,11脚为异步置数控制端，地电平有

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效,接高电平.14脚接脉冲信号，同555定时器地OUT脚向接.经过单刀双掷开关

来控制74LS191计数器地加减.

U1

AQA

BQB

CQC

DQD

sv

图10、74LS191计数器电路

＜三）74LS138译码电路与LED显示部分

74LS138为3—8线译码器，只有8个输出端，而在实验中须驱动16个LED,

因此用两个74LS138扩展成4-16线译码器.扩展接法如上图6.扩展后形成地四

个输入端分别同74LS191计数器地QA、QB、QC、QD相接.经过改变QA、QB、

QC、QD与四个输入端地连接方法来控制LED地亮灭顺序.

因为74LS138译码器输出端低电平有效，因此LED显示部分采用共阳极接

法,负极分别接在74LS138地输出端上.

74LS138译码电路与LED显示部分地电路图如图11.

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1

6

L

K

2

L

&

3

”

LY56-G2B

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4浮

4hLG1

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一

图11、74LS138译码电路与LED显示电路

六、整体电路图

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05

R

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Zw7CZ/a

聋4LuLcDcBA

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L

E

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l

6

七、所用元件及器材

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1、芯片：NE555,1块；74LS191,1块；74LS138,2块;

2、电阻：100。，16个；1OKC,1个；1MQ,1个；

3、电容：O.OluF,1个;0.47UF,1个；

4、LED：红色,16个；绿色，1个；

4、面包板：SYB-120,一块.

八、芯片功能

1、NE555

NE555(TimerIC＞大约在1971年由SigneticsCorporation发布,在当时

是唯一非常快速且商业化地TimerIC,在往后地30年来非常普遍被使用，且延伸

出许多地应用电路,尽管近年来CMOS技术版本地TimerIC如MOTOROLA地MC1455

已被大量地使用,但原规格地NE555依然正常地在市场上供应,尽管新版IC在功

能上有部份地改进，但其脚位劲能并没变化,因此到当前都可直接地代

用.

NE555是属于555系列地计时IC地其中地一种型号，555系列IC地接

脚功能及运用都是相容地，只是型号不同地因其价格不同其稳定度、省电、

可产生地振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍地计时

IC,只需少数地电阻和电容,便可产生数位电路所需地各种不同频率地脉波

讯号.

555定时器是一种模拟和数字功能相结合地中规模集成器件.一般用双极性工

艺制作地称为555,用CMOS工艺制作地称为7555,除单定时器外，还有对应地

双定时器556/7556.555定时器地电源电压范围宽，可在4.5V〜16V工作，7555

可在3〜18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或

者模拟电路电平兼容.

555定时器地各项参数及工作环境如表1

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表1、555定时器地各项参数及工作环境

参数单位XX555XX7555

电源电儿V«(V“)V1.5-16378

静态电波Icc(I..)mA100.12

定时相度%1

V2Va2V”

阈值电乐V”

TT

阀值电/I”MA0.150

V

触发电£v„

33

触发电渔工”uA0.550

发位电乐V11

版位电流UA1000.1

放电电流I.BmA20010-50

弱动电流I,mA2001-20

城岛I：作频率kHz500500

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、容，就能够实现多谐振

荡器、稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路.它也常作为定时器广

泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面.

555定时器地内部电路框图和外引脚排列图分别如图2和图3所示.它内部包

括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功

率输出级.它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3.555定时器地功能主要由两

个比较器决定.两个比较器地输出电压控制SR触发器和放电管地状态.

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1地同相输入端地电

压为2VCC/3,C2地反相输入端地电压为VCC/3.若触发输入端TR地电压小

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于VCC/3,则比较器C2地输出为0,可使SR触发器置1,使输出端OUT=1.如果阈值

输入端TH地电压大于2VCC/3,同时TR端地电压大于VCC/3,则C1地输出为

0,C2地输出为1,可将RS触发器置0,使输出端0UT=0.如表2.

表2、555定时器功能表

输入输出

清零端低触发端功能

幅勉发端THOUT(Q")放电管VI

而TE

0XX0导通在接陆岑

亭,

10串通SO

<Lv裁止

13%1Ri

＞孔

1<jVa不变Q'不变保持

555定时器地内部电路框图如下图

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忆C号

图3、555定时器管脚图

555定时器各个管脚地名称与功能如表3

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脚名动tt朋脚名功能

IGND他5ControlVoltage捏制槌

2Trigger触发6Threshold雕

3Output输出7Discharge放电端

11/1

4Reset如8Vcc电源

表3、555定时器地管脚名称与功能

<2)555定时器地应用简介

555定时器电路应用非常广泛,在应用和工作方式上一般可归纳为3类.

1、单稳类一--作用：定延时，消抖动，分v倍)频，脉冲输出,速率检测等；

2、双稳类“一作用：比较器，锁存器，反相器,方波输出及整形等；

3、无稳类--一作用：方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等.

每类工作方式又有很多个不同地电路.在实际应用中,除了单一品种地电路

外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳

地组合等

<3)555定时器地典型应用电路

1、用555定时器接成施密特触发器

将555定时器地2脚与6脚两个输入端连在一起作为信号输入端，即可得到施密特

触发器，如图4.

由于比较器C1和C2地参考电压不同，因而SR锁存器地置0信号和置1

信号必然发生在输入信号Vi地不同电平.因此，输出电压V。由高电平变为低电平

和由高电平变为低电平所对应地Vi值也不相同，这样就行成了施密特触发特性,

图5.

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图4、用555定时器接成地施密特触发器

图5、施密特触发器实现波形转换

为提高比较器参考电压Vr1和Vr2地稳定行,一般在Vco端接有0.01地左右地

电容.

2、用555定时器接成单稳态触

发器

以555定时器地V12端作为触发

器地信号输入端,并将由Td和R组成地

反相器输出电压Vod接至Vi1端，同时

在对地接如电容G构成如图6所示地

单稳态触发器.

图6、用555定时器接成

地单稳态触发器

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输出脉冲地宽度Tw等于暂稳态地持续时间，暂稳态地持续时间取决于外界电

阻R1和电容C2地大小.

一般R地取值在几百欧姆到兆欧姆之间,电容地取值范围为几百皮法到几百

微法,Tw地范围为几微秒到几分钟.

3、用555定时器接成多谐振荡器

因用555定时器能够很方便地接成施密特触发器，因此我们也可用555定时器

接成多谐振荡器.

为了减轻门G4地负载，在图7中，将DIS与R2接成一个反相器，它地输出Vod与

Vo在高低电平状态上完全相同.将Vod经R1和C1组成地积分电路接到施密特触

发器地输入端同样能够构成多谐振荡器.

VCC

5V

厂

一R2

51

555UI&TUALAl

VCC

RSTOUT

DIS

THR

TRI

CON

GND

图7、用555定时器接成地多谐振荡器

电容C1上地电压Vc将在Vt+与Vt-之间往复震荡,Vc与Vo地波形如图8所

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示.

图8、电路地电压波形图

由图中Vc地波形可求得电容C1地冲放电时间T1与T2.

可经过改变R与C地参数来改变震荡频率，本次课程设计用到地就是这个电

路.

<-)74LS138

<1)译码器简介

74LS1383-8线译码器,译码器也称解码器,译码过程实际上是一种翻译过程,

即编码地逆过程.译码器地输入是n位二值代码,输出是m个表征代码原意地状

态信号〈或另一种代码).一般情况下有m小于等于2地n次方,即译码器输入线

比输出线要少.

译码器按其功能可分为三大类：

1)变量译码器：将输入地二进制代码还原为原始输入信号.例如有两位二进

制代码<0,1)，可经译码器还原为四个信号状态<0,0)<0,1)<1,0>

(1,1>

2)代码变换译码器：用于将一个数据地不同代码之间地相互转换.例如二

一十进制译码器可将8421码转换为十个状态.

3)显示译码器：将数字、文字或符号地代码还原成相应地数字、文字、符

号并显示出来地电路.

<2)74LS138地应用

74LS138地管脚图、如图4.

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图4、74LS138管脚图

74LS138地功能表、如图5

输入输出

学+学44又飞工匕又工八工

0XXXX11111111

X1XXX11111111

1000001111111

1000110111111

1001011011111

1001111101111

1010011110111

1010111111011

1011011111101

1011111111110

图5、74LS138功能表

用两片74LS138接成地4线一16线译码器、如图6.

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图6、74LS138地扩展

〈三)74LS191

<1)74LS191简介

74LS191是4位集成二进制同步可逆计数器.集成地4位二进制同步可逆计数

器74LS191具有同步可逆计数功能、异步并行置数功能和保持功能.74LS191没

有专用地清零输入端，可经过D0-D3异步并行置入数据0000来实现输出清零功

能.74LS191内部结构图如图7.

<2)74LS191应用

74LS191管脚示意图，图8.

图8、管脚示意图

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UD