循环彩灯电路设计

1、 电子线路设计实验报告电子线路设计实验报告学生姓名：学生姓名： 高尚高尚 专业班级：专业班级：生产过程自动化技术生产过程自动化技术 1 1 班班 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 工程学院工程学院 实验题目：实验题目： 四花样彩灯控制器四花样彩灯控制器基本要求基本要求：设计一四花样自动切换的彩灯控制器，要求实现(1) 彩灯一亮一灭,从左向右移动；(2) 彩灯两亮两灭，从左向右移动；(3) 四亮四灭，从左向右移动(4) 从 18 从左到右逐次点亮，然后逐次熄灭； (5) 四种花样自动变换。主要参考元器主要参考元器：555 定时器，模十六计数器 74LS161，双 D 触发器 74LS74，与门 74LS08，非门74LS04，四选一数据选择器 74LS153，八位移位寄存器 74LS164。11 1 设计思路设计思路循环彩灯控制可用多种方法实现，但对现代可编程控制器而言，利用移位寄存器实现最为便利。通常用左移寄存器实现灯的单方向移动；用双向移位寄存器实现灯的双向移动。控制程序中，关键在于数据移位方向的控制。单方向控制的流水灯，使用左移寄存器可容易地实现。如果流水灯的点亮顺序是双

2、向的，则使用双向移位寄存器进行控制。由于本次设计只是设计了单向的彩灯循环电路，所以彩灯控制电路由三个模块构成，显示电路秒脉冲电路和维持电路。秒脉冲电路全程为电路提供矩形波信号使彩灯定时发亮；显示电路为维持电路提供电源：维持电路在显示电路部分提供电源的情况下为电路提供一段较长的高电平，使彩灯在全部变亮后保持一段时间。同时结合显示电路部分所带元件（主要是 74LS194）的性质，使彩灯从右到左依次由暗变亮，亮后维持一段时间，然后熄灭，并且不断重复。2 方案论证2.1 备选方案方案一：在原方案的基础上，用模十六计数器 74LS161 的输出端的最高位 QD 作为双D 触发器的时钟，可以少用一个 555 定时器。计数器每计八个数，QD 由低电平变为高电平，双 D 触发器的状态改变，四选一数据选择器 74LS153 选择下一种码输出，彩灯变为另一种花样，以后四种花样循环改变。如图 2-1 所示:U1A74LS04D 21U1B74LS04D43U1C74LS04D65U1D74LS04D89U2B74LS08D456U2C74LS08D9108U42Y92C0102C1112C2122C313A

3、14B21G11Y71C061C151C241C332G1574LS153DU6QA3QB4QC5QD6A1B2CLR9CLK8QE10QF11QG12QH1374LS164DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U374LS161DU7A1D21Q51Q61CLR131PR474LS74DU7B2D122Q92Q82CLR13112PR1074LS74D2图 2-1 比较方案 1 电路图方案二：彩灯控制器电原理图如图 2-2 所示。ICl、IC2 由 555 接成多谐振荡器。IC3由 4 位 2 进制计数器 74LS93 接成 16 进制计数器，其 4 个输出端可分别输出对计数脉冲的 2、4、8、16 分频信号。IC4 是双 D 触发器 74LS74，在这里接成两位 2 进制加法计数器。IC5 是双 4 选 l 数据选择器 74LSl53，这里只用了它的一组 4 选 1 数据通道。IC6 是3 位单向移位寄存器 74LSl64，它是产生移动灯光信号的核心器件。驱动电路用 8 只三极管组成 8 路射随器作缓冲放大，去触发作

4、电流开关的 8 只双向可控硅，以控制彩灯发光。电路的十 5V 电源由 220V9V 变压器降压，经 D1 一 D4 桥式整流，7805 稳压后给控制电路供电。电路图如图 2.2：3图 2.2 比较方案 2 电路图2.2 方案选择本次课程设计要求不高，实验电路相对比较简单，可以列出很多不同的实验方案，因此在此就不再一一列举了，就这两个方案进行横向比较既即可。方案一：如果按此方案连接电路，彩灯无法完成第四种花样（依次点亮，依次熄灭） ，只能完成一半，依次点亮或依次熄灭，部分实现了设计要求，所以不采用。方案二：符合实验要求，以最简单的原件和电路构成了任务所需的彩灯循环电路，只要自己设计出时钟脉冲信号即可，模块性突出方便进行多路扩展，故采用这一方案。3 3 电电路路设设计计3 3. .1 1 选选择择器器件件3.1.13.1.1 555555 定时器定时器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。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

5、自动控制等方面。555 时基电路有双极型和 CMOS 型两种。LM555/LM555C 系列属于双极型。优点是输出功率大，驱动电流达 200mA。而另一种 CMOS 型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率要小得多，输出驱动电流只有几毫安。双极型定时器 CB555 是由比较器 C1 和 C2、基本 RS 触发器和集电极开路的放电三极管 TD 三部分组成。4图 3-1 555 定时器引脚图555 引脚图介绍如下1 地( GND )2 触发 (TR),是下比较器的输入3 输出 (OUT),有 0 和 1 两种状态,它的状态由输入所加的电平决定4 复位 (R),叫上低电平(0.3V)时可使输出端为低电平5 控制电压 (CV),可以用来改变上下触发电平值6 门限(阈值） (TH),是上比较器的输入7 放电 (DIS),是内部放电管的输出 ,它有悬空和接地两种状态 ,也是由输端 的状态决定8 电源电(VCC)5图 3-2 555 内部原理图上图中 TR 为低触发端， TH 为高触发端， Rd 为清零端， CO 为控制电压端， D 是放电端，OUT 是输出端， Vcc 是电源端。3.1

6、.2 74LS164 移位寄存器移位寄存器 74LS164 由 4 个触发器和它们的输入控制电路组成。 SR 为数据右移串行输入端， SL 为数据左移串行输入端， A 到 D 为数据并行输入端， QA 到 QD 为数据并行输出端， CLR 为移步清零输入端， S0S1 为工作状态控制端。3-3 74LS164 逻辑符号U11DIS7OUT3RST48THR6CON5TRI2GNDVCC555_VIRTUALR11kohmR251kohmC10.01uFC210uF5VVCC63.1.3 74LS153 四选一数据选择器要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器 74LS153 循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4。使双 D 触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双 D 触发器能产生 00、01、10、11 这四钟循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四花样循环。令 Q1Q2=AB，74LS153 数据选择器的功能表如表 3-4 所示：表 3-4 数据选择器功能表由表 3-4 可知，数据选择器的地址输入端A、B 循环转变，输出端 1Y 循环选择四种码 Z1、Z

7、2、Z3、Z4 输出，使彩灯的四花样自动循环改变。3 3. .2 2 功功能能模模块块3.2.13.2.1 时钟脉冲产生电路时钟脉冲产生电路本电路秒脉冲电路由一个集成的 555 定时器够成，当电源接通后， VCC 通过对R1R2 向电容器充电。电容上得到电压按指数规律上升，当电压上升到2/3VCC 时，输出电压 V0 为零，电容器放电。当电压下降到1/3VCC 时，输出电平为高电平，电容器放电结束。这样周而复始形成了振荡。 脉冲发生器由 NE555 与R1，R2，RP，C1，C2 组成的多谐振荡器组成 ,它是为灯光流动控制器提供流动控制脉冲的，多谐振荡器的振荡频率可根据所需要的灯光流动速度，通过RP 进行调节，由于 RP 阻值较大，所以有较大的调速范围。 用 555 定时器构成多谐振荡器 ,电路输出B（Q2）A（Q1）1Y0110000110Z1Z3Z4Z2Z17便得到一个周期性的矩形脉冲 ,其周期为: T=0.7(R1+2R2)C 要用 555 产生时钟脉冲 ,控制移位寄存器 ,要能看到彩灯的流动 ,其周期设为 1 秒左右, 电阻值和电容值可设为：R1=1K ， R2=51K ， C

8、=0.01F 由公式计算得： T 约等于 0.721S 电路图如图3-5 所示:图 3-5另一个 555 产生的矩形脉冲控制彩灯的自动转换,其周期设为模十六计数器的 20 倍,改变 R1、R2 的阻值即可，可设为：R1=1K ， R2=1M ，C=0.01F，计算得：T=14.42S。3.2.2 四种码产生电路根据彩灯要实现的四花样,可确定移位寄存器输出的二进制码,即四种码产生电路要产生的码，如表 3-6 所示：花样状态要求周期（位）码U11DIS7OUT3RST48THR6CON5TRI2GNDVCC555_VIRTUALR11kohmR251kohmC10.01uFC210uF5VVCC81一亮一灭，从左向右移动8100000002两亮两灭，从左向右移动8110000003四亮四灭，从左向右移动8111100004从 18 从 00 左到右逐次点亮，然后逐次熄灭 161111111100000000要产生这四种码，可由十六进制计数器接组合逻辑门产生Z1=Q3Q2Q1 Z2=Q3Q2 Z3=Q3 Z4=Q4所以四种码产生电路如图 3-8 所示：U1QA14QB13QC12QD11RC

9、O15A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2CLR1LOAD974LS161NU2A12374LS08N&U2B45674LS08N&21 1U3A74LS04N43 1U3B74LS04N65 1U3C74LS04N89 1U3D74LS04N5VVCC3.2.3 彩灯开关电路要实现彩灯四花样的自动转换，就要使四选一数据选择器 74LS153 循环地输出Z1、Z2、Z3、Z4。使双 D 触发器的输出端接数据选择器的两个地址输入端，双 D 触发器能9产生 00、01、10、11 这四钟循环的状态，从而使选择器循环的选择一种码输出，实现彩灯的四花样循环。开关电路图如图 3-9 所示：U1A74LS74N1D21Q51Q61CLR11CLK31PR4U1B74LS74N2D122Q92Q82CLR132CLK112PR10U22Y9 2C0102C1112C2122C313A14B21G11Y7 1C061C151C241C332G1574LS153N5VVCC图 3-9 开关电路令 Q1Q2=AB，数据选择器的地址输入端 A、B 循环转变，输出端 1Y 循环选择四种码Z1、Z2、Z3、Z4 输出，使彩灯的四花样自动循环改变。3.2.4 花样输出电路输出电路由八位移位寄存器 74LS164、八个彩灯和八个驱动电阻构成。寄存器的数据输入端接收开关电路输出的四种码，这四种码在移位寄存器的八位并行输出端从 QA 向 QH移动，输出四种彩灯花样。当输入移位寄存器数据输入端的码为 10000000 时，清零后在移位脉冲 CP 的作用下，寄存器数码移动情况如表 3-11 所示：CPRiQAQBQCQDQEQFQGQH111000000 02001000000300010000 0400 0010000105000001000600000010070000000108000000001表 3-11由表 3-11 可看出，输入码中的那位高电平“1” 从寄存器的输出端 QA 经八个移位脉冲 CP 作用后逐渐到了 QH，使输出端

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