彩灯循环控制电路

课程设计(论文)

题目名称彩灯控制器

课程名称电子技术课程设计

学生姓名刘标

学号0941201062

系、专业电气工程系09电力一班

指导教师陈源

2011年12月9日

邵阳学院课程设计（论文）任务书

注：1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；

2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。

指导教师（签字）：学生（签字）：刘标

邵阳学院课程设计（论文）评阅表

学生姓名刘标学号0941201062

系电气工程系专业班级09级电力一班

题目名称彩灯控制器课程名称电子技术课程设计

二、指导教师评定

注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；

2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。

目录

摘要 (1)

1．选题背景 (2)

1．1 设计要求 (2)

1．2 指导思想 (2)

2．方案论证 (3)

2．1 方案说明 (3)

2．2 方案原理 (3)

3．电路的设计与分析 (4)

3．1 电路的总体设计 (4)

3．2 电路的原理框图 (4)

3．3 单元电路的设计与分析 (5)

3．3．1 多谐震荡电路的设计与分析 (5)

3．3．2 计数器电路的设计与分析 (6)

3．3．3 组合逻辑电路的设计与分析 (7)

3．3．4 重要的元件的分析 (7)

4．电路的安装与调试 (10)

5．设计的总结与体会 (11)

附录：元器件清单 (12)

参考文献 (13)

摘要

数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。随着现代社会的电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，数字电子逻辑课程设计的进行使我们有了这个非常关键的机会。

每逢节日晚上都能看到街道旁都挂起五彩缤纷彩灯，给人一种节日的气氛。然而，彩灯作为我们生活中的一部分，我们既要知道其然，还要知其之所以然。因此，我们有必要去研究彩灯的工作原理。

数字电子技术课程设计也是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

关键字：彩灯控制器、循环控制、电子电路仿真

1选题背景

1.1 设计要求

采用模拟电子技术，数字电子技术课程上学习的集成电路来设计有一定应用性的电路。不允许采用单片机。用集成电路设计一个彩灯控制电路，设计一个循环彩灯控制器。

控制红、绿、黄一组彩灯循环闪亮，变化的规律是：

全灭→红→红绿→绿→黄绿→黄→全亮→全灭→全亮→黄→黄绿→绿→红绿→红→全灭，如此往复循环。

1.2 指导思想

本设计将采用几个基本的数字集成的74系列（74163,74LS135,555、与非门）芯片来完成所需要的数字逻辑显示功能（在七段数码管上按依次显示特定的数字），依次循环的点亮红、绿、黄三个彩灯，通过他们不同组合的点亮、熄灭，从而组成有规律的变化的彩灯循环。本设计具有逻辑清晰、设计巧妙的特点，能很好的符合课程设计的要求。

2. 方案论证

2.1 方案说明

由于灯之亮灭规律是钟摆样的往复式，其变化规律是：全灭→红→红绿→绿→黄绿→黄→全亮→全灭→全亮→黄→黄绿→绿→红绿→红。变化过程中含有14个状态，故该控制电路可按常规设计一般时序逻辑电路的方法设计起控制器，即利用同步二进制计数器74LS163进行驱动，用两片74LS138译码器接成的4线——16线译码器通过与非门和或门逻辑电路的选通来实现这一控制功能，并且使红、黄、绿三盏灯发生如上往复循环的变化。

2.2 方案原理

首先可以看输出端的部分，输出端是控制三种灯的亮和灭，我们可以采用74LS138译码器然后和与非门共同控制输出。电路主要由记数部分、译码部分、输出逻辑电路部分和记数器加减控制部分组成。彩灯控制器有14个状态，但因为后半部分是前面部分的逆循环，所以可以由一个由带有加减控制的八进制记数电路来控制。所以可以利用74LS192和74LS74组成一个带加减控制的八进制记数器。.然后利用74LS138译码器将74LS192所输出的二进制代码转化成Y0~Y7八个高电平的输出.并控制后面的逻辑电路。最后利用74LS10和74LS20两种门非组成的逻辑电路,按照要求的亮灯顺序点亮红、绿、黄三种不同颜色的灯。从而实现设计要求。

3. 电路的设计与分析

3.1 电路的原理框图

基本原理是主根据上面的分析彩灯的14个状态，可以一个带加减控制的八进制来控制。74LS192是一个可实现加减的10进制计数芯片。把74LS192的输出送到译码芯片74LS138。而74LS138的Y0和Y7则作为74LS74的CP控制触发器的翻转。再由触发器控制74LS192是加计数还是减速记数。总的输出由一根据彩灯的亮灯顺序而设计的逻辑电路来实现。框图1

图1 彩灯控制器原理框图3.2 电路的protues总体仿真图

3.3单元电路的设计与分析

3.3.1多谐震荡电路

555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，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 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单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。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

时钟信号的产生方式很多，本电路设计使用555定时器，555定种双极型中规模集成电路，只要在外部配上几个适当的阻容。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4.5V---18V ，驱动电流也较大，并能提供与ttl, MOS

电路相兼容的逻辑电平。555定时器可以构成多谐振荡器。自激多谐振荡器用于产

图3-1 自激多谐振荡器电路和波形图

TH 6TR

2

DIS

7

V C C

8

R

4

Q

3

G N D

1

VC

5

VCC

Vo

C31R1

3K

RW

100K

R210K

C1103(a) 自激多谐振荡器电路

.

(b) 振荡波形

Vo

t

t

Vo

Tw T

V1

V2

V3

555

C210u F

生连续的脉冲信号图3-1所示为自激多谐振荡器电路和波形图。。电路采用电阻、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容C，得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出。

脉冲宽度计算公式：Tw≈0.7 (R1+RW+R2) C

振荡周期计算公式：T≈0.7 (R1+RW+2R2) C

经过计算可知R1 为720k ，R2为360 k。

3.3.2 计数器电路

计数器主要实现0到13这十四个数字的顺序显示控制，通过与显示器的连接，每一个脉冲计数一次，均可由74LS163实现，其输出端QA、QC、QD与74LS10的输入端相连接，显示器的管脚从左至右分别接至

74LS163的QA、QB、QC、QD，同时163的清零端与74LS10的输出端相连，163的时钟信号端与脉冲信号源连接。其电路如下所示：

3.3.3、组合逻辑电路：

逻辑电路要由3线8线译码器（74LS138）和与非门（74LS10与74LS20）组成，其中还包括或门（74LS32）。由于此控制电路涉及到十四进制数的循环往复变化，故需将两个3线8线译码器接成4线16线译码器通过与非门的选通从而实现彩灯的往复循环变化，其中两个138的输入端A、B、C分别对应相连。其电路如下图所示：

3.3.4 重要元件的分析

1.我们来分析一下74LS138的功能：

74LS138管脚图:74LS138 为 3 线－8 线译码器，共有54/74S138和54/74LS138 两种线路结构型式，其工作原理如下：

当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为

低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低

电平译出，利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反，相器还可级联扩展成 32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，

74LS138还可作数据分配器

74LS138的3线-8线功能表：

2. 74163的功能

74163管脚图：

这种同步可预置四位二进计数器是由四个D 型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。这种计数器是可全编程的，即输出可预置到任何电平。当预置是同步时，在置数输入上将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入是何电平，输出都与建立数据一致。清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入、使能输入为何电平，清除输入端的低电平把所有四个触发器的输出直接置为低电平。有了超前进位电路后，

无须另加门，即可级联出n位同步应用的计数器。它是借助于两个计数使能输入和一个动态进位输出来实现的。两个计数使能输入（ENP 和ENT）计数时必须是高电平，且输入ENT必须正反馈，以便使能动态进位输出。因而被使能的动态进位输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度近似等于QA 输出高电平。此高电平溢出进位脉冲可用来使能其后的各个串联级。使能ENP 和ENT 输入的跳变不受时钟输入的影响。电路有全独立的时钟电路。改变工作模式的控制输入（使能ENP、ENT 或清零）纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。

4.电路的安装与调试

在protues上仿真成功后，就可以实行安装电路，具体步骤如下：

4.1、开电源，测试集成芯片是否能够正常工作，测试导线能否导通，然后按照电路板的规格，设定好各集成芯片的摆放位置。测试各芯片是否与面板接触良好。做好一系列的准备工作之后就正式开始安装电路，若有差错立即更换。

3.2、将电路图根据功能分成两个大块，分别是计数器部分和组合逻辑电路部分。

3.3、计数器部分：遵循从左至右从上到下的布线原则依次连线。163的清零端接与非门10的输出端口；时钟信号端与脉冲信号相连；高、低电平分别接至相应的端口；163的输出端QA、QB、QC、QD连接数字显示器（顺序从左至右一一对应）；QA、QC、QD接至与非门10的输入端。这一部分接好确认无误以后通电，直至显示器依次循环显示0至13再进行逻辑电路部分的接线。

3.4、组合逻辑电路部分：接线方法与上一步骤相似，首先是两个138连线组成4线16线的译码器；其次是138同6个与非门的连接；最后是与非门同或门连接至三盏彩灯。确认无误后通电直至彩灯按：全灭→红→红绿→绿→黄绿→黄→全亮→全灭→全亮→黄→黄绿→绿→红绿→红，这一循环规律变化。

5.设计总结与体会

通过该次课程设计，我感触很深，以前的其他课程设计只是要求理论设计，而这次不仅要设计出原理图还要做出实物。课题的选择、方案的设计和修改、电路的仿真再到实物的制作，都是自己亲自动手做的，尤其是实物的制作极大的提高了我的动手能力。

在焊接过程中稍不小心哪怕只焊错一个引脚、一根导线都会导致整个电路无法正常工作。首先要对电路进行合理的布局，元器件的放置不仅要考虑到美观，还要考虑到要便于步线焊接。焊接时要胆大心细，因为一点点的疏忽都可能导致最后的失败。

在这次课程设计过程中,我把理论知识运用到实践中去,真正做到了理论与实践相结合,加深了自己对课本知识的理解和认识。对原来理论中学到的一些常用器件进行了实际运用大大的激发了我对科研的兴趣，让我受益非浅。在这次课程设计过程中我们是两人一组的，加强了我的团队精神。在后期的调试过程中遇到了很多困难，老师给予了极大的帮助，经过自己的努力和他人的帮助设计的作品最终取得了成功。

我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。

附录：元器件清单

参考文献：

1、主编张克农.数字电子技术. 高教出版社出版.第一版.2006年

2、彭介华主编.电子技术课程设计指导》.高教出版社出版.第一版.2002年

3、曾建唐主编.《电工电子基础实践教程》.机械工业出版社.2002年

4、康光华主编.《电子技术基础》.高教出版社出版.第四版.1999年