課設(shè)二循環(huán)彩燈的電路設(shè)計講解

1、武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二） 課程設(shè)計說明書彩燈循環(huán)控制電路的設(shè)計1 技術(shù)指標(biāo)設(shè)計一種利用發(fā)光二極管作為彩燈指示 , 實現(xiàn)發(fā)光二極管依次點亮形成移動 的光點, 并不斷循環(huán)的彩燈循環(huán)控制電路，要求可以實現(xiàn)彩燈循環(huán)的時間可以調(diào) 節(jié)。2 設(shè)計方案及其比較2.1 方案一對于脈沖信號的產(chǎn)生部分的設(shè)計， 由于產(chǎn)生信號脈沖的方法很多， 這里我們 選用的是 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。 它可以在接通電源后產(chǎn)生一定頻率和一 定幅值的矩形波，用作脈沖信號源。由于 555 定時器內(nèi)部的比較器靈敏度較高， 而且采用差分電路形式， 用 555 定時器組成的多諧振蕩器， 其振蕩頻率受電源電 壓和溫度變化的影響很小，

2、 使得產(chǎn)生的波形更穩(wěn)定， 所以我們選用 555 定時器組 成多諧振蕩器。得到的電路圖如下：其中，電阻 R1、RV2和電容 C1構(gòu)成定時電路，定時電容 C1上的電壓 Vc 作 為高觸發(fā)端 TH（6 腳）和低觸發(fā)端 TL（2 腳）的外觸發(fā)電壓。放電端 D（7 腳） 接在 R1和 R2之間。電壓控制端 K（5 腳）不外接控制電壓而接入高頻干擾旁路 電容（ 0.01uF）。直接復(fù)位端 R（4 腳）接高電平，使 NE555處于非復(fù)位狀態(tài)。武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二） 課程設(shè)計說明書用示波器觀察 555 定時器組成的多諧振蕩器的輸出波形如下：圖二 示波器觀察 555 輸出波形對于彩燈控制電路部分的設(shè)計，

3、要產(chǎn)生由零位至九位的依次高電平并循環(huán)，直接使用具有計數(shù)、譯碼功能的集成芯片 CD4017。其電路圖如圖二所示：圖三 彩燈控制電路2武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二） 課程設(shè)計說明書將時序脈沖產(chǎn)生電路中 555 芯片的 3 號輸出管腳接到 CD4017的時鐘信號輸2.2 方案二74LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器， 可以靈活的運用在 各種數(shù)字電路中， 實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能， 合理應(yīng)用計數(shù)器的清零功能和 置數(shù)功能，一片 74LS161可以組成 16 進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。74LS138 為3 線8 線譯碼器,當(dāng)一個選通端（ E1）為高電平，另兩個選通 端（ E2）和（E3）

4、 ）為低電平時，可將地址端（ A0、A1、A2）的二進(jìn)制編碼在 Y0 至 Y7 對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。方案二電路工作原理： 該電路的左邊是以 555 芯片為核心構(gòu)成的一個多諧振 蕩電路，借助該電路產(chǎn)生驅(qū)動后續(xù)芯片的脈沖， 該部分電路產(chǎn)生的脈沖周期可以 通過改變滑動變阻器 RV1的阻值來改變脈沖頻率，接下來的電路是以 74LS161 芯片為核心構(gòu)成的四位二進(jìn)制計數(shù)器。計數(shù)器在計數(shù)脈沖的作用下，Q0到 Q3的輸出從“ 0000”到“ 1111”依次變化。將 74LS161的 Q0、 Q1、Q2輸出端分別連接到 74LS138的地址端 A、B、C， 在 Q0、Q1、Q2的輸出從“ 000”到“

5、111”的過程中，通過譯碼器之后，輸出端 Y0-Y7依次輸出低電平，再經(jīng)過反相器，驅(qū)動對應(yīng)的二極管發(fā)光。武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二） 課程設(shè)計說明書方案二的總體電路圖如下：圖五 方案二總的電路仿真圖2.3 方案三在第二種方案的基礎(chǔ)上，改用 74LS193作為計數(shù)器， 74LS193是同步四位二 進(jìn)制可逆計數(shù)器， 它具有雙時鐘輸入， 并具有異步清零和異步置數(shù)等功能， 能實 現(xiàn)加計數(shù)和減計數(shù)，相對于 74LS161來說，它的功能更齊全。74LS193 的特點是有兩個時鐘脈沖（計數(shù)脈沖）輸入端 CPU和 CPD。在 RD=0、 LD1的條件下，作加計數(shù)時 ,令CPD1,計數(shù)脈沖從 CPU輸入；作減

6、計數(shù)時，令 CPU1，計數(shù)脈沖從 CPD輸入。此外， 74LS193還具有異步清零和異步預(yù)置數(shù)的 功能。當(dāng)清零信號 RD1 時，不管時鐘脈沖的狀態(tài)如何 ,計數(shù)器的輸出將被直接 置零；當(dāng) RD0,LD0 時，不管時鐘脈沖的狀態(tài)如何， 將立即把預(yù)置數(shù)數(shù)據(jù)輸入 端 A、B、C、D 的狀態(tài)置入計數(shù)器的 QA、 QB、QC、 QD端，稱為異步預(yù)置數(shù)。將 74LS193的 Q0、Q1、Q2輸出端分別連接到 3 線 8 線譯碼器 74LS138的地址輸入端 A、B、C，同理，在 74LS193的輸出端 Q0、Q1、Q2從“000”到“111 的過程中，通過譯碼器之后，輸出端 Y0-Y7 依次輸出低電平，再經(jīng)

7、過反相器，驅(qū) 動對應(yīng)的發(fā)光二極管 D0-D7 發(fā)光。限流電阻 R2的阻值應(yīng)適宜，太小容易燒壞二 極管，太大了二極管不亮或很暗。武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二） 課程設(shè)計說明書方案三的總體電路圖如下：圖六 方案三總的電路仿真圖2.4 方案比較方案一：實現(xiàn)該方案只需要兩個芯片，并且 CD4017 是 5 位 Johnson 計數(shù) 器，具有 10 個譯碼輸出端，因而兼?zhèn)淞擞嫈?shù)器和譯碼器的功能，電路整體來說 比方案二、方案三簡單，連線也不復(fù)雜，而且還能實現(xiàn)十個彩燈的循環(huán)，而方案 二、方案三最多能實現(xiàn)八個燈的循環(huán)，因此方案一更具優(yōu)勢。從經(jīng)濟(jì)角度看，實 現(xiàn)該電路很廉價，主要用到了常見的 NE555定時器和

8、CD4017，計時精確度高、 溫度穩(wěn)定度佳， 且價格便宜，此外，由于該方案設(shè)計思路明了， 功能分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)， 故在電路板上較容易實現(xiàn)。方案二：該方案相對于方案一來說，該方案多用到了一個芯片，用 74LS161 計數(shù)器和 74LS138 譯碼器來共同實現(xiàn) CD4017的功能， 因此無論是從經(jīng)濟(jì)角度看 還是從連線的難易度來看，都不如方案一好。方案三：該方案相對于方案二來說，是用四位二進(jìn)制可逆計數(shù)器74LS193替換了 74LS161，雖說它能實現(xiàn)加減計數(shù)，功能更齊全，但由于具有雙時鐘輸入， 接線相對來說要復(fù)雜， 也容易出錯， 檢查電路錯誤時需要查一下各管腳的功能和 連接方式，因而沒有方案二實現(xiàn)方便，

9、更沒有方案一簡單、易實現(xiàn)。武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二） 課程設(shè)計說明書通過比較以上三種方案， 可以看出， 第一種方案是比較好實現(xiàn)的， 按照方案 一不僅可以達(dá)到課程設(shè)計所要達(dá)到的要求， 而且方案一實現(xiàn)起來非常簡單， 電路 容易理解，實驗容易進(jìn)行， 能夠減小實驗的成本， 此外方案一中電路所需要的接 線少，簡化了電路，降低了接線的難度，只需要查一下各管腳的功能，就能明確 接線方案，十分方便。因此，綜合多方面因素，選取方案一來實現(xiàn)最恰當(dāng)。 3 實現(xiàn)方案3.1 原理圖在實現(xiàn)的時候?qū)Ψ桨敢贿M(jìn)行了修正，將兩個 1.4K 的電阻串聯(lián)后接到 7 腳， RV2的阻值改為 100K,電容 C1的值改為 10uF,

10、 故最終的實現(xiàn)方案電路圖如下：圖七 最終的實現(xiàn)方案電路仿真圖3.2 實驗原理我們用 555 定時器組成的多諧振蕩器實現(xiàn)脈沖信號的產(chǎn)生圖八 555 定時器構(gòu)成多諧振蕩電路武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(二) 課程設(shè)計說明書接通電源后，電容 C1被充電，當(dāng)定時電容 C1 上的電壓 Uc上升到 2/3Vcc時， 使 Uo 為低電平，同時 555 定時器內(nèi)部的放電三極管 T 導(dǎo)通，此時電容 C1 通過 R2 和三極管放電， Uc下降，。當(dāng) Uc 下降到 1/3Vcc時， Uo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容 C1 放電所需時間為 :放電時間 tPL R2C1 ln 2 0.69R2C1(1)當(dāng)放電結(jié)束時，三極管 T截止，

11、Vcc通過 R1、R2 及電容 C1充電，Uc由 1/3Vcc 上升到 2/3Vcc 所需時間為充電時間 tPH (R1 R2)C1 ln2 0.69(R1 R2)C1(2)當(dāng) Uc 上升到 2/3Vcc時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電 路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。 多諧振蕩器無外部信號輸入， 卻能輸出 矩形波，其實質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔?。矩形波的振蕩周?:3)4)5)T tPL tPH (R1 2R2 )C1 ln 2 0.69(R1 2R2)C1 電路的振蕩頻率：f 1 1 1.43T tPL tPH (R1 2R2)C 輸出波形占空比：Q(%)

12、tPH100%tPL tPH555定時器構(gòu)成多諧振蕩電路的工作波形如下：圖九工作波形武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二） 課程設(shè)計說明書彩燈控制電路的實現(xiàn)主要應(yīng)用了集成芯片 CD4017實現(xiàn)數(shù)列循環(huán)， 控制彩燈 的亮滅。芯片 CD4017本身具有計數(shù)及譯碼功能，因此這部分只需按照其功能表 來接電路就可以實現(xiàn)要求數(shù)列輸出，并控制彩燈。將具有計數(shù)及譯碼功能的芯片 CD4017 MR、CP1 置零，使其工作在正常計數(shù) 狀態(tài)，接通電源、脈沖源。在前九個脈沖中，第 n 個上升沿脈沖輸入時，對應(yīng) Qn 為高電平，其余為低電平，使得 Dn二極管發(fā)光。第十個上升沿到達(dá)時， Q9 對應(yīng) 高電平，即 D0至 D8燈全部

13、熄滅。再下一個脈沖上升沿到達(dá)，繼續(xù)上述循環(huán)。3.3 元件清單NE555定時器和 CD4017，直流可調(diào)穩(wěn)壓電源一臺、萬用表一塊、面包板一 塊、元器件若干、剪刀、鑷子等必備工具3.4 元件介紹3.4.1 555 定時器圖十 LF353管腳圖管腳解釋：1 腳接地端 GND2 腳觸發(fā)點3腳輸出 4腳復(fù)位端5腳基準(zhǔn)電壓6腳門限（閾值）7腳放電端 8腳電源電壓 Vcc工作參數(shù)：供應(yīng)電壓 4.5-18V供應(yīng)電流 10-15ma輸出電流 225mA （max）上升/下降時間100 ns武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二） 課程設(shè)計說明書表給出了 555 定時器的功能表：表 1 555 定時器的功能表輸入輸出閾值輸

14、入觸發(fā)輸入復(fù)位輸出放電管xx00導(dǎo)通2 Vcc31 Vcc31Vcc310導(dǎo)通2 Vcc31不變不變3.4.2 CD4017芯片 CD4017 引腳圖如下： 管腳解釋：Q0-Q9 ：計數(shù)脈沖輸出端8腳 VSS：地12腳 CO：進(jìn)位脈沖輸出13腳 INH：禁止端14腳 CP：時鐘輸入端15腳 CR：清除端16腳 VDD：正電源圖十一 CD4017 管腳圖 表 2 給出了 CD4017 的功能表：表 2 CD4017 功能表輸入輸出CP0CP1MRQ0-Q9COxx1清零每十個時鐘輸入周期， CO信號完成 一次進(jìn)位，由 1 變?yōu)?000計數(shù)100x0保持x1010009武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二

15、） 課程設(shè)計說明書CD4017 的工作條件：電源電壓范圍： 3V-15V輸入電壓范圍： 0V-VDD工作溫度范圍： M 類： 55-125 E類： 40 -85 極限值：電源電壓：-0.5V-18V輸入電壓：-0.5V-VDD 十0.5V輸入電流： 10mA貯存溫度：-65-1503.4.3 74ls16174LS161 是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器，管腳圖如下：圖十二74ls161管腳圖管腳解釋：1腳清零/MR時鐘 CP3-6 腳四個數(shù)據(jù)輸入端 P0P3接地端7 腳、10 腳使能端 CEP、CET置數(shù)端 PE11-14 腳數(shù)據(jù)輸出端 Q0Q3 15進(jìn)位輸出端 TC16腳正電源10

16、武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二） 課程設(shè)計說明書表3 給出了 74LS161的功能表：表3 74LS161 功能表輸入輸出CPCRLDPTD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0X0XXXXXXX000010XXdcbadcbaX110XXXXX保持X11X0XXXX保持（ C=0）1111XXXX計數(shù)3.4.4 74ls13874LS138 為3 線8 線譯碼器，其管腳圖如下：圖十三 74ls138 管腳圖管腳解釋：1-3 腳： A0-A2 ，地址輸入端4 、5 腳：E1 、E2 ,選通端（低電平有效）6 腳：STA（E1）, 選通端7 、 9-15 腳：Y0 Y7 ，輸出端（低電平有效）8 腳：GN

17、D ，接地16 腳：VCC ，正電源11武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二） 課程設(shè)計說明書表 4 給出了 74LS138 的功能表：表 4 74LS138 功能表輸入輸出STASTBSTCA2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7HHHHHHHHHHHHHHHHHHLHHHHHHHHHLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL4 調(diào)試過程及結(jié)論4.1 實物布線圖通過查閱有關(guān)面包板資料，在弄清楚面包板的基本結(jié)構(gòu)以及各個孔

18、的連通情況，以及面包板上插孔內(nèi)部導(dǎo)通情況情況，遵循著接線“橫平豎直”的原則包板看起來比較簡潔， 沒有飛線、 以及電容的正負(fù)極， 面包板上的接地部分已事先留出 有芯片管腳接錯、 導(dǎo)線松動接并且掌握了面包板上下兩行插孔的分組，我和同組同學(xué)終于完成了布線，整個面 情況，且注意到了芯片電源的正負(fù)極。 之后是檢查電路， 看看是在確認(rèn)無誤之后， 最終得到以下的實物連接圖：圖十四面包板實物連接圖12武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(二) 課程設(shè)計說明書4.2 接通電源調(diào)試過程在充分檢查電路，確定無誤之后正準(zhǔn)備接通直流電源的時候，我們遇到了 問題，眼前的直流電源與我們平時模擬電子技術(shù)試驗所用到的有些不同， 于是我 們

19、在詢問了上一組實驗的同學(xué)之后， 終于弄清楚了直流電源的使用方法， 在用導(dǎo) 線將電源兩端的接地端連通之后， 我們分別用導(dǎo)線從電源的正負(fù)端引出， 接到面 包板上事先設(shè)置好的正負(fù)極插孔上，接電源這一步就完成了。觀察現(xiàn)象這一步，看見在面包板上已排好的發(fā)光二極管，按照事先設(shè)計的 “S形依次點亮并形成移動的光點 , 到時序脈沖第十個上升沿到達(dá)時， Q9 對應(yīng)輸 出高電平，即D0至 D8燈全部熄滅。再等到下一個脈沖上升沿到達(dá)， 繼續(xù)上述循 環(huán)。剛開始的時候觀察到的循環(huán)彩燈的周期較大， 是因為剛開始滑動變阻器 RV2 的阻值較大，于是我們調(diào)節(jié)滑動變阻器，使其阻值從 100K 逐漸減小，發(fā)現(xiàn)彩燈 循環(huán)亮滅的頻率

20、逐漸加快，即周期在逐漸增大，完成了任務(wù)書中的要求。調(diào)節(jié)完成之后，整理電路，拍下試驗電路實物圖，記錄試驗結(jié)果和相關(guān)數(shù) 據(jù)，記錄到實驗報告中。4.3 結(jié)論實驗過程中，通過手機計時得到彩燈循環(huán)點亮的間隔為 0.74s ，理論數(shù)值計 算為T tPL tPH (R1 2R2 )C1 ln 2 0.69(R1 2R2 )C1 ，計算的周期 T 0.713 s ，可見理論與實際吻合地較好。在面包板上連接實物，接通電源后，可以看到發(fā)光二極管D0-D8 依次亮起，每次只亮一燈， D8亮后，發(fā)光二極管全部熄滅，再由 L0 開始亮起。調(diào)節(jié)電位器 RV2可以實現(xiàn)改變發(fā)光二極管每次發(fā)光時間間隔。由此看出，本次設(shè)計完成了預(yù)期全部要求，設(shè)計成功。13武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計（二） 課程設(shè)計說明書5 心得體會首先，在拿到設(shè)計任務(wù)書之后， 我看了實驗要求， 知道了要設(shè)計彩燈循環(huán)控 制電路，要求可以實現(xiàn)彩燈循環(huán)的時間可以調(diào)節(jié)。 于是我聯(lián)想到了電工電子實習(xí) 課上做過的音樂盒電路， 通過仔細(xì)的分析， 弄清這兩者之間的聯(lián)系和區(qū)別。 接著 我從原理上開始設(shè)計， 先是利用 555 定時器設(shè)計一個時序脈沖產(chǎn)生電路， 接著通 過計數(shù)器對輸出的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)， 最后通過譯碼器將計數(shù)器的