简易彩灯循环控制器

简易彩灯循环控制器

摘要

这次课程设计通过对彩灯的设计，训练对数字电子技术内容的应用能力，掌握对电子产品设计的流程以及各种要求。彩灯技术已广泛得在霓虹灯、广告彩灯、汽车车灯等领域中应用。

近年来，由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。再设计中更多的使用中规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简洁，而且能提高电路的稳定性，降低成本。因此用集成电路来实现个更多更复杂的器件功能则成为必然。

这次的课程设计用74HC151数据选择器，74HC138译码器，74HC161计数器来实现彩灯循环的控制。彩灯循环电路的质量是由计数器产生一系列计数，经过译码器，多路选择器后变成一系列有规律的序列，最后由指示灯的数码管分别显示出来。

关键词数据选择器、译码器、计数器

沈阳工程学院课程设计（论文）

Abstract

The curriculum design through the design of colored lights, the contents of the digital electronic technology application ability training, learn the procedure of design of electronic products and various kinds of requirements. Lights technology has been widely in the neon lights, advertising lights, car lights, and other fields of application.

In recent years, due to the rapid development of integrated circuit, making fundamental changes have taken place in the design of digital logic circuit. And more used in the design of medium scale integrated circuit, not only can reduce the number of circuit components, the circuit is simple, and can improve the stability of the circuit to reduce the cost. So use integrated circuits to achieve a more complicated device function is inevitable.

The curriculum design with 74 hc151 data selector, 74 hc138 decoder,

74 hc161 counter to control from the cycle of lights. Lights the essence of loop circuit is produced by the counter a series of counter, decoder, multiple choice Device into a series of regular sequence, after the last by light and digital tube display, respectively.

Key words data selector, decoder, counter

简易彩灯循环控制器

目录

摘要 ................................................................................................................................................. I 1 绪论 . (1)

1.1项目研究的背景与意义 (1)

1.2 彩灯控制系统研究的意义 (1)

1.3 国内外研究发现展 (1)

1.4 设计题目：简易彩灯循环控制器 (2)

1.5 设计主要内容及要求 (2)

2 系统设计 (3)

2.1 概述 (3)

2.1.1彩灯信号输出部分： (3)

2.2 设计步骤 (3)

2.2.1 两块74151对74138进行控制的原理详解： (3)

2.2.2 计算机74161对电路亮法的驱动与控制： (3)

3 硬件调试总结 (5)

3.1 芯片引脚及功能 (5)

3.1.1芯片NE555 (5)

3.1.2芯片74HC138 (5)

3.1.3 芯片74HC151 (6)

3.1.4 芯片74LS161 (6)

3.1.5 芯片74LS04 (7)

3.1.6 芯片74LS08 (7)

3.1.7 发光二极管 (8)

4 总体设计结果与分析 (9)

4.1设计结果 (9)

4.2总电路图 (9)

4.3 电路原理 (11)

5 硬件调试 (13)

5.1调试步骤 (13)

6 小结 (14)

7 致谢 (15)

参考文献 (16)

附录A (17)

简易彩灯循环控制器

1 绪论

1.1项目研究的背景与意义

近年来，由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。再设计中更多的使用中规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简洁，而且能提高电路的稳定性，降低成本。因此用集成电路来实现个更多更复杂的器件功能则成为必然。

19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色流水灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。为了追求“跳跃”而给人凌乱的感觉，不管采用何种色彩，何种图案，都应该有顺序地渐变和跳跃，给受众一种秩序感，主次感、并便于受众顺着有规律的节奏接着看第二次、第三次。在设计制作时，既要给人以变幻的吸引力，又要主次分明，没有色彩和图案紊乱的感觉。变换、闪烁、跳跃式的霓虹灯为促进销售，为营造欢乐、多姿多彩的生活正越来越受到人们的重视与欢迎。

1.2 彩灯控制系统研究的意义

利用控制电路可使彩灯按一定的规律不变的改变状态，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电（与全部彩灯始终全亮相比）。近年来，随着人们生活水平的较大提高，不光是对各种各样的生活电器的需要，也开始在环境的优雅方面有了更高的要求。比如日光灯已不能满足于我们的需要，彩灯的运用已经遍布人们的生活，从歌舞厅到卡拉OK包房，从节日的祝贺到日常生活中的点缀，这些不仅说明了我们对生活的要求有了质的飞跃，也说明科技在现实运用中有了较大的发展，在这一设计中我们将涉及有关彩灯控制器的设计，从原理上，是我们对这一设计有所了解，将其确实的与我们联系起来。

1.3 国内外研究发现展

查阅相关资料可知，国内外现今彩灯循环控制主要由以下三种方法：

（1）采用单片机或DSP控制，单片机与DSP在通信、信号处理、自动化等诸多领域有着极其广泛的应用。对单片机或DSP芯片编写程序来实现对彩灯的控制，具有控制方便灵活，显示多种多样，外围电路少等优点。

（2）采用CPLD或FPGA控制。CPLD与FPGA均是基于硬件描述语言的编程，具有单片机和DSP处理器相同的优点，但实现成本相对较高。

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（3）采用数字集成电路，由于集成度高、功能强大、所需器件少、成本低等诸多优点，所以集成电路在各种电子设备中得到了非常广泛的应用。

1.4 设计题目：简易彩灯循环控制器

1.5 设计主要内容及要求

1）简要说明

设计简易彩灯循环控制器，此控制器实现彩灯点亮的一些动态效果。设置红绿黄3种颜色灯为一组，共9组。

2）任务和要求

(1) 彩灯自左到右渐亮至全亮；

(2) 彩灯自左到右渐灭至全灭；

(3) 彩灯自右到左渐亮至全亮；

(4) 彩灯自右到左渐灭至全灭；

(5) 彩灯全亮与彩灯全灭；

(6) 每个灯循环亮，0.5s跑一次；

(7) 按颜色循环，全部红亮，一次绿和黄，时间间隔5s；

(8) 写出设计步骤，画出最简的逻辑电路图；

(9) 对设计的电路进行仿真、修改，使仿真结果达到设计要求；

(10) 安装并测试电路的逻辑功能。

3）训练目标

熟练使用proteus软件仿真，具备数字电子技术制作初步能力，通过完成本课题的硬件设计，使同学们了解数字电路整个开发流程。

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2 系统设计

2.1 概述

2.1.1彩灯信号输出部分：

为实现16路彩灯输出，本案例选用两块集成电路译码器74138进行控制信号的输出。

图2.1 彩灯信号输出部分

A、B、C为3个输入，有8种组合，即可输出彩灯的8路，使用两块74138即可实现16路彩灯信号输出。设定第一块74138输出的灯为L1~L8，第二块为L9~L16。

2.2 设计步骤

2.2.1 两块74151对74138进行控制的原理详解：

本案中采用了两块集成电路数据选择器74151，用以对两块译码器进行控制，达到实现多种亮法的目的。

这一块74151中，A、C、GN接地，B接全电路的一个开关EN（工作时置1），所以当工作时，此块74151的输出Y恒为0，WN恒为1，这使得两块74138的各有部分控制借口处于工作状态。

这一块74151中，输出端WN悬空；Y的输出结果由输入端B控制，而B 即是本电路的亮法控制按钮INPUT2；当input2置0时，Y输出结果为D0，D0即是计数器74161的QD输出端；当input2置1时，Y=D2，D2是74161 QD的反信号。

2.2.2 计算机74161对电路亮法的驱动与控制：

沈阳工程学院课程设计（论文）

本案采用一块集成计数器74161进行信号的脉冲激励和对两块74138的控制以实现不同亮法的控制。本案唯一的计数器74161中，输入端ABCD全接地，ENT和ENP接高电平，三者确保器件工作；预置端和置零端在工作时置1，CLK 为脉冲信号产生源。

在输出端中，QA、QB、QC皆连接到两块译码器74138的ABC三个输入端，以计数器工作时的时序信号产生不同的组合使彩灯闪烁。其中QA和一个输入开关INPUT1进行与关系后才接入74138，这样的作用是，当INPUT1置1时，电路中QA的信号正常输入给两块74138的A端，彩灯依次亮起；当INPUT1置0时，AQ的信号被屏蔽，根据74161的工作状态表，两块74138所接收到的信号隔一才有，所以可以使彩灯的亮法依次闪烁和隔一闪烁手动可调。

74161的QD输入端，分两种路径连接到两块74138，连接到第一块的G2AN 和G2BN，作用是只使得该74138接收计算机的前8种状态，用以一一控制8盏灯。连接到第二块74138的方法为：先分别以正反两信号接到74151中（如前文所述），再由该74151的Y输出端接到第二块74138的G1端。

这样设计的巧妙之处在于，当INPUT2置0时，74151的Y输入为计数器74161的QD，如前文所述，当74161 QD为0时，第一块74138工作；当QD运行到1时，第一块74138不工作，而第二块开始工作，使得16路彩灯依次闪烁；当INPUT2置1时，74151的Y输出为QD的反信号，所以两块74138一起工作，使得16路彩灯实行8-8两路同时闪烁。

综上，两块74138用以彩灯输出；一块74161及两块74151皆用语控制彩灯的亮法；输入断INPUT1的功能为控制16路彩灯是否间隔输出：0为间隔，1为依次；INPUT2控制是否分两路：1为两路，0为顺序输出。

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3 硬件调试总结

3.1 芯片引脚及功能

3.1.1芯片NE555

图3.1 NE555引脚图

引脚说明：

1脚（GND）是接地端；

2脚（TR)称为触发器；

3脚（VO)是输出端，它有0和1两种状态；

4脚（MR)是复位端，加上低电平时可是输出为低电平；

5脚（VC）是控制电压端，可用它改变上下触发电平值；

6脚（TH)称阈值端；

7脚（DIS）是放电端，他是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由放电端的状态决定；

8脚（VCC)是电源端。

图3.2 由555组成的多谐振荡器

3.1.2芯片74HC138

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图3.3 74HC138引脚图

该译码器有三位二进制输入A2

、A1、A0。他们共有八种状态的组合，即可译出8个输出信号Y0~Y7，输出为低电平有效。同时，还设置了4、5、6三个引脚为使能输入端。为电路功能的扩展提供了方便。

3.1.3 芯片74HC151

图3.4 74HC151引脚图

74HC151有八个数据输入（D0 ~ D7)、三个地址输入（A0 ~ A2)、一个选通输入（7脚）、5脚和6脚为互补输出、A0~~A2的状态可以确定D0~D7中的一个数据被选中，并在5、6脚输出。当只有7脚为低电平时，Y、W才能输出被选数据。

3.1.4 芯片74LS161

简易彩灯循环控制器

图3.5 74LS161引脚图

4位二进制同步计数器74LS161 该计数器能同步并行预置数据，具有清零置数，计数和保持功能，具有进位输出端，可以串接计数器使用。它的管脚排列如图15-5所示：图5-5 74LS161管脚排列图它的功能表如下：表5-3 74LS161功能表从逻辑图和功能表可知，该计数器具有清零信号/MR，使能信号CEP，CET，置数信号PE，时钟信号CP和四个数据输入端P0~P3，四个数据输出端Q0~Q3，以及进位输出TC，且TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。5、计数器的级连使用一个十进制计数器只能显示0~9十个数，为了扩大计数器范围，常用多个十进制计数器级连使用。同步计数器往往设有进位（或借位）输出端，故可选用其进位（或借位）输出信号来驱动下一级计数器。

3.1.5 芯片74LS04

图3.6 芯片74LS04

该芯片是含6组相同的反相器。

3.1.6 芯片74LS08

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图3.7 芯片74LS08

3.1.7 发光二极管

它是半导体二极管中的一种，可以把电能转化成光能，常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和自N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短，常用的是发红光，绿光或黄光的二极管。

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4 总体设计结果与分析

4.1设计结果

从电路图的设计，项目编译，拟真，至最后的下载运行，本案成功地达到了课设的要求。本案可现实四种彩灯亮法，该四种方法用两个开关INPUT1和2控制：

（1）00状态下：16路彩灯隔一盏闪烁；

（2）01状态下：8-8两路同时隔一闪烁；

（3）11状态下：8-8同时连续闪烁；

（4）10状态下：16路彩灯连续闪烁；

（5）电路具有总开关“EN”，置1工作；

（6）电路具有清零开关CLEAR。

4.2总电路图

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图4.1 简易彩灯循环控制器

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图4.2 简易彩灯循环控制器

4.3 电路原理

本案采用一块集成计数器74161进行信号的脉冲激励和对两块74138的控制以实现不同亮法的控制。本案唯一的计数器74161中，输入端ABCD全接地，ENT和ENP接高电平，三者确保器件工作；预置端和置零端在工作时置1，CLK 为脉冲信号产生源。

在输出端中，QA、QB、QC皆连接到两块译码器74138的ABC三个输入端，以计数器工作时的时序信号产生不同的组合使彩灯闪烁。其中QA和一个输入开关INPUT1进行与关系后才接入74138，这样的作用是，当INPUT1置1时，电路中QA的信号正常输入给两块74138的A端，彩灯依次亮起；当INPUT1置0时，AQ的信号被屏蔽，根据74161的工作状态表，两块74138所接收到的信号隔一才有，所以可以使彩灯的亮法依次闪烁和隔一闪烁手动可调。

74161的QD输入端，分两种路径连接到两块74138，连接到第一块的G2AN 和G2BN，作用是只使得该74138接收计算机的前8种状态，用以一一控制8盏灯。连接到第二块74138的方法为：先分别以正反两信号接到74151中（如前文所述），再由该74151的Y输出端接到第二块74138的G1端。

这样设计的巧妙之处在于，当INPUT2置0时，74151的Y输入为计数器

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74161的QD，如前文所述，当74161 QD为0时，第一块74138工作；当QD运行到1时，第一块74138不工作，而第二块开始工作，使得16路彩灯依次闪烁；当INPUT2置1时，74151的Y输出为QD的反信号，所以两块74138一起工作，使得16路彩灯实行8-8两路同时闪烁。

综上，两块74138用以彩灯输出；一块74161及两块74151皆用语控制彩灯的亮法；输入断INPUT1的功能为控制16路彩灯是否间隔输出：0为间隔，1为依次；INPUT2控制是否分两路：1为两路，0为顺序输出。

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5 硬件调试

5.1调试步骤

（1）检查电路

对照电路图认真检查电路，首先查看电源是否接错或短接，然后检查各芯片是否安装牢固，最后对照电路图认真查看各芯片的管脚是否接错、漏接或出现多接线的现象。

（2）接通电源观察

在做好第一步的基础上进行下一步。接通电源，如果出现异常现象立即关闭电源，按第一步重新检查电路对出现事故的电路部分进行着重的检查，直至发现并排除错误。

（3）工作开关断开的情况下的调试

当第二步完成后，在断开开关的情况下用一个发光二极管检测脉冲信号的输出，各芯片的初始输出是否正确，如果存在问题，查找出原因并解决。

（4）工作开关闭合的情况下的调试

闭合工作开关，观察显示结果是否正确，如果存在问题继续调试。调试结束后观察调试后的结果是否符合设计要求。

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6 小结

课程设计刚开始时，拿着选定的题目不知如何入手。毕竟课程设计不同于实验课，电路图和程序都要自己设计。静下心来，仔细分析题目，再加上指导老师的说明与提示和同组成员的帮助，心中才有了谱。将整个系统根据不同的功能划分成模块，在分别进行设计，逐个攻破，最后将其整合即可。

层次概念对于设计复杂的数字系统是非常有用的，它使得我们可以从简单的单元入手，逐渐构成庞大而复杂的系统。实验表明，此设计方法能够满足不同花样的变化要求，但是实验中也出现了一些不熟练的操作问题和一些复杂的程序的不能完全理解都需要我在平时多学习，进一步完善自己。在课设中经常遇到一些自己可能暂时无法想明白的问题，请教同学或老师是很好的做法，节省时间也会从别人身上学到很多。在老师的合理安排和悉心指导下，我按时完成了课程设计的题目。在设计时和同学相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的思路，其他人的设计一定有比你出色的地方。

通过这次课程设计，使我受益颇多。我通过查阅大量的资料，和同学交流经验，向老并师请教，使自己收获颇多，不但懂得了设计的原理和方案，还可以让我在这次的设计中知道了许多我以前不懂的地方，知道每一项的成就都不是那么容易的，每个成功的人后面必定会付出了比我们想象的更多的辛劳，所以，在今后的日子里，我将会将我懂得的很多道理应用到实际生活中去，那么将会更加培养了我的能力，无论是在哪些方面。也了解到课程实习设计是开端，链接是关键，测试时必须。即巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片的使用。在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学的分析实际问题，通过查资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。同时，也培养了我认真严谨的态度。

课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，也使我对抽象的理论有了具体的认识。同时又是一门讲道课，一门辩思课，让我深刻的认识到，面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，才能成功。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。

我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解，在这里对辛勤付出的老师表示衷心的感谢。

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7 致谢

在这一周的课程设计中，感谢老师悉心的指导，感谢同学热心的帮助，还有小组同学的共同努力。在老师的合理安排和悉心指导下，我按时完成了课程设计的题目。我能顺利完成课设离不开老师悉心的指导和严格要求以及同学们的热情帮助。我要对老师严谨的治学态度和认真负责的工作精神表示崇高的敬意，并对他在繁忙的工作中抽出宝贵时间悉心指导我的论文表示最诚挚的感谢。作为沈阳工程学院的一名学生，日后，我也必将时刻谨记“精工博学，明德自知”的校训，努力学习老师严谨治学的态度，做一名合格的大学生。在此再次感谢那些在课设中帮助过我的人。

沈阳工程学院课程设计（论文）

参考文献

[1] 康光华，邹寿彬. 电子技术基础-数字部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]邓勇.数字电路设计完全手册[M].北京：国防工业出版社，2001.

[3]赵六俊，金良玉.数字电路与辑设计[M].北京：北京邮电大学出版社，1995.

[4]章忠全.电子技术基础：实验与课程设计[M].北京：中国电力工业出版社，1999.