圈式流水燈電路的設(shè)計(jì)

武漢理工大學(xué)《專業(yè)課程設(shè)計(jì)（二）》課程設(shè)計(jì)說明書 PAGE1TOC\o"1-3"\h\u目錄4021.技術(shù)指標(biāo) 1195262.設(shè)計(jì)方案及比較 1193802.1方案一 2182312.2方案二 2240532.3方案三 3230012.4方案比較 4209983.實(shí)現(xiàn)方案 4249333.1方案的實(shí)現(xiàn) 5228503.2NE555定時(shí)器 558093.3多諧振蕩器 6272673.474LS161芯片 764263.574LS138芯片 8255673.6LED燈 9168723.7圈式流水燈的實(shí)現(xiàn)方案原理圖 9263554.調(diào)試過程及結(jié)論 1030265.心得體會 11114956.參考文獻(xiàn) 12圈式流水燈電路的設(shè)計(jì)1.技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一種利用發(fā)光二極管作為流水燈指示,實(shí)現(xiàn)連接成圓圈式的發(fā)光二極管依次循環(huán)點(diǎn)亮形成移動的光點(diǎn),要求可以實(shí)現(xiàn)流水燈的循環(huán)時(shí)間可以調(diào)節(jié)。2.設(shè)計(jì)方案及比較圈式流水燈是使用電子集成芯片組成的數(shù)字電路，使連接的LED等依次循環(huán)點(diǎn)亮。圈式流水燈的實(shí)現(xiàn)主要是靠NE555芯片產(chǎn)生的脈沖信號，八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器芯片，譯碼器芯片和LED燈連接產(chǎn)生的電路。2.1方案一連接NE555計(jì)數(shù)器構(gòu)成多諧振蕩器，直流電壓通過多諧振蕩器產(chǎn)生矩形脈沖信號，信號輸入到74LS161計(jì)數(shù)器芯片的CP端，產(chǎn)生一次循環(huán)的輸出信號，經(jīng)過74LS138譯碼器芯片后，每輸出一次信號再經(jīng)過非門與LED燈正極相連LED燈就會點(diǎn)亮，到輸出下一個(gè)信號時(shí)下一個(gè)LED燈點(diǎn)亮，依次點(diǎn)亮構(gòu)成圈式流水燈。圖2.1方案一的電路連接圖2.2方案二通過連接NE555計(jì)數(shù)器和電阻，電容構(gòu)成多諧振蕩器，當(dāng)直流電壓通過輸入端時(shí)，多諧振蕩器的輸出端產(chǎn)生矩形脈沖信號，當(dāng)矩形脈沖信號輸入到74LS161芯片構(gòu)成的八進(jìn)制計(jì)數(shù)器的CP脈沖端時(shí)，產(chǎn)生一次循環(huán)的輸出信號。經(jīng)過74LS138譯碼器芯片后，不用經(jīng)過與非門而是直接和LED燈的負(fù)極相連，每次輸入一次信號LED燈就會依次被點(diǎn)亮，從而形成圈式流水燈，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟆？梢酝ㄟ^改變電阻和電容來改變亮的時(shí)間。圖2，2方案二的電路連接圖2.3方案三NE555定時(shí)器連接的多諧振蕩器產(chǎn)生矩形脈沖信號，輸出的信號通過和脈沖端相連，可以使圈式的LED燈依次點(diǎn)亮。而74LS161計(jì)數(shù)器芯片和74LS138譯碼器芯片可由集成程度更高的IC4017芯片代替，兩個(gè)芯片可以由一片代替在實(shí)驗(yàn)方面實(shí)現(xiàn)了便利的條件。IC4017芯片既能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，又能達(dá)到譯碼的效果，使電路連接更加簡單，有利于我們在實(shí)物上的連線。圖2，3方案三的電路連接圖2.4方案比較上面一共提出了三種方案，方案都主要集中在脈沖信號產(chǎn)生源電路、8位二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器電路和譯碼器電路上。方案一，在譯碼器實(shí)現(xiàn)電路上使用的原件過多，比其他方案多用了8個(gè)非門，增加了電路的連接難度和在檢查電路時(shí)的復(fù)雜度。方案二，與方案一比較操作簡單，電路圖中少用了8個(gè)非門和7個(gè)電阻，電路連接更簡潔容易，仿真時(shí)也相對比較容易。其設(shè)計(jì)原理在實(shí)驗(yàn)中也得到了體驗(yàn)。方案三，，使用IC4017芯片來替代了譯碼器74LS138芯片和計(jì)數(shù)器74LS161芯片，與實(shí)驗(yàn)二相比操作更加簡單，但因?yàn)槠浞庋b性導(dǎo)致原理不能在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中得到很好的反應(yīng)。因此在此次試驗(yàn)中我們選用方案二，因?yàn)榉桨付涌梢泽w現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)原理，操作也相對比較簡單。3.實(shí)現(xiàn)方案通過上述的方案比較，根據(jù)方案二來畫出電路圖，根據(jù)電路圖在面包板上實(shí)現(xiàn)圈式流水燈的電路。經(jīng)過檢查連接電源觀察LED燈的現(xiàn)象和仿真的結(jié)果。3.1方案的實(shí)現(xiàn)在圈式流水燈電路的方案中，選用方案二為實(shí)現(xiàn)方案。該方案包括NE555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路、74LS161連接的八進(jìn)制的計(jì)數(shù)器電路、74LS138芯片的譯碼器電路和由8個(gè)LED燈構(gòu)成的顯示電路。3.2NE555定時(shí)器NE555定時(shí)器由3個(gè)電阻構(gòu)成的分壓器，兩個(gè)電壓比較器c1和c2，基本RS觸發(fā)器，放點(diǎn)三極管和緩沖反向器組成。NE555定時(shí)器的電源電壓范圍很寬，可在4.5V~16V工作，輸出驅(qū)動電流約為200mA，因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路的電平兼容。NE555定時(shí)器通過外接電阻和電容可以構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器。555定時(shí)器的內(nèi)部電路如下圖所示。圖3.1NE555芯片的內(nèi)部框圖NE555電路的內(nèi)部電路方框圖如圖3.1所示。當(dāng)電壓的輸入信號輸入并超過+2VCC/3時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，NE555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于+VCC/3時(shí)，觸發(fā)器置位，NE555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電開關(guān)管截止。3.3多諧振蕩器多諧振蕩器是一種不需要外加輸入信號的自激振蕩器，它不存在穩(wěn)態(tài)，因此被稱為“無穩(wěn)態(tài)電路”。多諧振蕩器的頻率與與它相連的兩個(gè)電阻和一個(gè)電容的參數(shù)有關(guān)，輸出信號是由電路內(nèi)部的電容充放電所產(chǎn)生的。NE555芯片組成的多諧振蕩器電路中R1、R2和C是外接元件。接通電源后，VCC經(jīng)過R1，R2給電容C充電。電源剛接通時(shí)555芯片內(nèi)部比較器A1輸出高電平，A2輸出低電平，即RD=1，SD=0，基本RS觸發(fā)器置1，輸出端Q為高電平。Q=O，使內(nèi)部放電管截止。當(dāng)UC上升到大于VCC/3時(shí)，RD=1，SD=1，基本RS觸發(fā)器不變，即輸出端Q仍為高電平，當(dāng)VC上升到略大于2VCC/3時(shí)，Rn=0，SD=1，基本RS觸發(fā)器置0，輸出端Q為低電平。Q=1，使內(nèi)部放電管飽合導(dǎo)通。于是電容C經(jīng)R2和內(nèi)部放電管放電，υc按指數(shù)規(guī)律減小。當(dāng)UC下降略小于VCC/3時(shí)，內(nèi)部比較器A1輸出高電平，A2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器置1，輸出高電平。，Q=0，內(nèi)部放電管截止。于是C結(jié)束放電并重新開始充電。如此循環(huán)不止，輸出端就得到一系列矩形脈沖，如圖所示。圖3.2多諧振蕩器圖3.3多諧振蕩器的波形圖由NE555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，輸入直流電壓信號后，在電容C的反復(fù)充、放電過程中，矩形脈沖信號就會在輸出3端。如上右圖所示的波形圖。UC的波形表示電容的充放電時(shí)UC的變化，UO表示輸出的矩形脈沖信號的變化，它的兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)T1和T2的大小取決于電阻和電容的大小。第一暫穩(wěn)態(tài)T1的寬度：T1=0.7*(R1+R2)*C;第二暫穩(wěn)態(tài)T2的寬度：T2=0.7*R2*C;QUOTE總的振蕩周期T的寬度：T=T1+T2=0.7*(R1+2*R2)*C;通過調(diào)節(jié)電阻R1、R2和電容C的大小，可以改變周期的大小，就可以控制LED燈亮的時(shí)間。3.474LS161芯片74LS161芯片是一個(gè)四位二進(jìn)制同步的加法計(jì)數(shù)器，它可以通過連接形成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字分頻器的功能。圖3.474LS161芯片的引腳圖引腳圖的各個(gè)引腳的功能介紹：CP為計(jì)數(shù)脈沖輸入端，LD為預(yù)置數(shù)控制端，S1、S2為計(jì)數(shù)控制端，QA、QB、QC、QD為計(jì)數(shù)狀態(tài)輸出端，A、B、C、D為預(yù)置數(shù)輸入端，QCC為進(jìn)位輸出端，CR為清零端。VCC為電壓輸入端，GND為接地端。通過與CP端相連就可以實(shí)現(xiàn)N進(jìn)制的功能和數(shù)字分頻器的功能，通過對輸出端與清零端的連接就可以實(shí)現(xiàn)N進(jìn)制。圖3.574LS161芯片的功能表從74LS161芯片的功能表中可以看出，當(dāng)清零端CR為“1”和LD為“0”時(shí)，且在CP端脈沖信號沿上升延作用后，74LS161芯片的計(jì)數(shù)狀態(tài)輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與預(yù)置數(shù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。當(dāng)清零端CR為“0”時(shí)，計(jì)數(shù)器的輸出端Q3、Q2、Q1、Q0全為“0”，為異步復(fù)位功能。而只有當(dāng)CR、LD、EP、ET都為“1”時(shí)和CP端的脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。圖3.674LS161芯片連接的8進(jìn)制電路圖當(dāng)脈沖輸入后，使能端為“1”時(shí)，且當(dāng)Q3、Q2、Q1、Q0輸出為“1000”時(shí)剛好為8進(jìn)制計(jì)數(shù)。所以Q3與清零端相連時(shí)剛好“1000”不輸出，繼續(xù)從“0000”開始輸出，完成一次8進(jìn)制的循環(huán)。3.574LS138芯片74LS138芯片是常用的3-8線譯碼器，可以將二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成BCD十進(jìn)制數(shù)字信號。圖3.774LS138芯片的引腳圖引腳圖的各個(gè)引腳的功能介紹：A0、A1和A2為預(yù)置數(shù)輸入端，S1、S2和S3為使能端，當(dāng)正常工作時(shí)S1接高電平，S2和S3接低電平。Y0到Y(jié)7是八個(gè)輸出端的端口，每一次只有一個(gè)端口輸出低電平，其他的端口都沒有輸出，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)選擇性的輸出。VCC為外接電源輸入端，GND為接地端。圖3.874LS138芯片的功能表當(dāng)輸入端A0、A1、A2輸入信號時(shí)，74LS138譯碼器會將信號的地址從二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成BCD碼，并從對應(yīng)的輸出端輸出一個(gè)低電平，從而實(shí)驗(yàn)對數(shù)字信號的選擇性。3.6LED燈因?yàn)?4LS138的輸出端是低電平所以要與LED燈的負(fù)極相連。8個(gè)LED燈的正極要全部連在一起和一個(gè)電阻連接起來并與電源相連，這樣才能讓LED燈管按照圈式流水的效果依次點(diǎn)亮。在使用前應(yīng)先檢查每個(gè)LED燈是否能正常發(fā)光。3.7圈式流水燈的實(shí)現(xiàn)方案原理圖根據(jù)上述的各個(gè)部分的原理可以連出實(shí)驗(yàn)的總原理圖，根據(jù)原理圖在面包板上進(jìn)行實(shí)物的連接。圖3.9實(shí)驗(yàn)的總原理圖NE555計(jì)數(shù)器和電阻，電容通過導(dǎo)線連接起來構(gòu)成多諧振蕩器，當(dāng)外接直流電壓通過輸入端時(shí)，多諧振蕩器的輸出端產(chǎn)生矩形脈沖信號，當(dāng)矩形脈沖信號輸入到74LS161芯片構(gòu)成的八進(jìn)制計(jì)數(shù)器的CP脈沖端時(shí)，產(chǎn)生一次循環(huán)的輸出信號。循環(huán)信號經(jīng)過74LS138譯碼器芯片后，產(chǎn)生低電平，不用經(jīng)過與非門而是直接和LED燈的負(fù)極相連，且正極都和電源連接在一起。每次輸入一次信號LED燈就會依次被點(diǎn)亮，從而形成圈式流水燈，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?。而且可以通過改變電阻和電容來改變亮的時(shí)間。調(diào)試過程及結(jié)論經(jīng)過在寢室的調(diào)試，剛開始把電路連接好后，LED燈并沒有亮，經(jīng)過連接萬用表測試電壓，發(fā)現(xiàn)555芯片的輸出并沒有產(chǎn)生脈沖。經(jīng)過線路的重新檢查發(fā)現(xiàn)8端的線沒有連接上，連接到旁邊的孔里，與LED燈正極相連的電阻也沒有連接進(jìn)去。通過檢查重新修正，再接上電源發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)燈還是不亮。經(jīng)過一番檢查發(fā)現(xiàn)74LS138譯碼器芯片沒有和面包板很好的連接，用手按壓發(fā)現(xiàn)LED燈開始依次點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)圈式流水燈的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。在?shí)驗(yàn)室調(diào)試時(shí)，應(yīng)為已經(jīng)在宿舍排查了電路出現(xiàn)的相關(guān)問題，所以在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候連上電源就可以實(shí)驗(yàn)此次課程設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。經(jīng)過老師的檢查完成了調(diào)試這個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)部分。圖4.1實(shí)驗(yàn)的實(shí)物圖如上圖所示，我們連接好面包板，并檢查連接的電路是否正確，然后再連接電源，觀察電路連接是否正確。經(jīng)過一系列檢查和排除問題，連接的面包板終于完成了實(shí)驗(yàn)要求。經(jīng)過一個(gè)多星期的準(zhǔn)備工作和實(shí)驗(yàn)工作，很好的實(shí)習(xí)了課程設(shè)計(jì)的各種要求。心得體會在本次課程設(shè)計(jì)中我們學(xué)到了很多東西。不僅把數(shù)電書上的理論知識又重新復(fù)習(xí)了一遍，而且學(xué)習(xí)了是要所需的動手能力的要求。通過對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的了解，先查閱各種資料完成預(yù)習(xí)工作，對于自己所做的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)有一定的了解。在連接電路圖前我們先要設(shè)計(jì)多種方案，通過設(shè)計(jì)多種方案我們了解到了可以有多種方法來實(shí)現(xiàn)。使我們學(xué)會多方位的思考，并對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有一定程度的預(yù)習(xí)。在連接面包板時(shí)，先要學(xué)會看電路圖，并且把電路原理搞清楚。在連接完成后要調(diào)試，在不斷地調(diào)試過程中我們通過發(fā)現(xiàn)問題來提升我們對實(shí)驗(yàn)原理的了解。在完成試驗(yàn)后，我們回過來思考這兩個(gè)星期課程設(shè)計(jì)的過程，發(fā)現(xiàn)它對于我們有很大的好處。對我們所學(xué)的理論知識得以延伸和補(bǔ)充，還培養(yǎng)了我們對于學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的興趣和運(yùn)用protuse軟件的熟悉。對于軟件的熟悉有利于我們今后的工作，應(yīng)為現(xiàn)在大多數(shù)工作都是在電腦上完成的，多熟悉軟件的使用是有好處的。自己動手連接電路培養(yǎng)了我們的實(shí)踐能力對于我們以后的工作和學(xué)習(xí)都有好處。在做