彩灯循环显示控制电路设计

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。

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。

图2 74HC160的引脚图

表1 74HC160

CLR LOAD ENP ENT CLK A B C D Q A Q B Q C Q D RCO

0 ××××××××0 0 0 0 0

1 0 0 0 POS ×××× A B C D ﹡1

1 1 1 1 POS ××××Count ﹡1

1 1 1 ××××××Q A0Q B0Q C0Q D0﹡1

Q B0Q C0Q D0﹡1

1 1 × 1 ×××××Q A0

﹡

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。

U3

VCC

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 4.1.3偶数列产生部分：

U1

DCD_HEX_DIG_GREEN

U2

74LS160D

QA

14QB 13QC 12QD 11RCO

15

A 3

B 4

C 5

D 6ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1

CLK

2

V1

50 Hz 5 V

VCC

5V

1

0VCC

2

3

4

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

V150 Hz 5 V

U2

74LS160D

QA 14QB 13QC 12QD 11RCO

15

A 3

B 4

C 5

D 6ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1

CLK

2

VCC

1

2

3

4U2

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

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

R 01

R 02

S 91

S 92

CP A

CP B

Q D

Q C

Q B

Q A

1 1 0 × × × 0 0 0 0 1

1

×

×

×

U1A

74HC113D_6V

1J

3

~1Q

6

11K 2

1Q

5

~1PR 4

VCC

5V XSC1

A

B Ex t Trig

++_

_

+

_

VCC V11kHz 5 V

1

2

0 1 1 ×× 1 0 0 1

0 1 1 ×× 1 0 0 1

R01 R02=0 S91 S92=0CP 0 二进制计数

0 CP 五进制计数CP Q A8421码十进制计数Q D CP 5421码十进制计数

表3 74HC139的功能表

输入输出

G B A Y3Y2Y1Y0

1 ×× 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1

图9 74HC390的引脚图图10 74HC139的引脚图

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Y

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

为0，接一个反相器然后再接产生QA,QB为“0”,“1”时，这是译码器的输出端就只有Y

1

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; 当QA,QB为“1”,

为0，接一个反相器然后再接产生偶数序列的计数“0”时，这是译码器的输出端就只有Y

2

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

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，是译码器的输出端就只有Y

3

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：

图12 总原理图

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

图14 振荡电路反面图

图15 实物正面图

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。

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，只要你有一个坚持到底的心，不管你最后有没有成功，你地心里总是很开心的，因为你曾经努力过，你曾经没有过遗憾。我觉得学校以后可以多开展这样的课程设计或者实习，让我们把书本上的知识应用到实际上，不然的话，我感觉我们学到的东西都是一些虚的，并不能真正感受到它的用途，等以后走上社会了，开始工作了，才发现自己原来是一个书呆子，什么都不会，如果我们多开展这样的课程设计的话，不仅能够提高我们的动手能力，还能够发散我们的思维。

8.元件清单

器件型号用途介绍数量

74LS160N 计数器 4

74HC113D JK触发器 1

74HC390N 多功能的计数

1

器

74HC05N 非门 4

1

74HC139N 2线-4线译码

器

1

NE555 555集成定时

器

4072BP 四输入或门 5

GND 接地端 4

VCC 直流电源 5

9.参考文献

[1] 数字电子技术基础,高等教育出版社康华光

[2] 电子线路设计·实验·测试第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社

[3] 新型集成电路的应用――电子技术基础课程设计，梁宗善主编，华中科技大学出版社

[4] 电子技术基础课程设计，孙梅生等编著，高等教育出版社

本科生课程设计成绩评表姓名性别

专业、班级

课程设计题目：

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日