彩燈循環(huán)控制電路的設(shè)計

1、1 技術(shù)指標 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，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： 圖一 時序脈沖信號的產(chǎn)生

2、電路 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)。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，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 彩燈控制電路將時序脈沖產(chǎn)生電路中555芯片的3號輸出管腳接到C

3、D4017的時鐘信號輸入端（14腳），得到總的電路圖如下：圖四 方案一總的電路仿真圖2.2 方案二74LS161是常用的四位二進制可預(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進制以下的任意進制分頻器。74LS138 為3 線8 線譯碼器,當一個選通端（E1）為高電平，另兩個選通端（E2)和(E3)）為低電平時，可將地址端（A0、A1、A2）的二進制編碼在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

4、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“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。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是同步四位二進制可

5、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

6、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)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。 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

7、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

8、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，更沒有方案一簡單、易實現(xiàn)。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到課程設(shè)計所要達到的要求，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。3 實現(xiàn)方案3.1 原理圖 在實現(xiàn)的時候?qū)Ψ桨敢贿M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

9、100K,電容C1的值改為10uF,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)成多諧振蕩電路接通電源后，電容C1被充電，當定時電容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通過和三極管放電，Uc下降，。當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 （1） 當放電結(jié)束時，三極管T截止，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 （2）當Uc上

10、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） 電路的振蕩頻率： （4） 輸出波形占空比： （5）555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

11、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。第十個上升沿到達時，Q9對應(yīng)高電平，即D0至D8燈全部熄滅。再下一個脈沖上升沿到達，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GND 2腳 觸發(fā)點 3腳 輸出 4腳 復(fù)位端 5腳 基準電壓 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)電壓供應(yīng)電流10-15ma輸出電流225mA (

12、max)上升/下降時間100 ns下表給出了555定時器的功能表：表1 555定時器的功能表輸 入輸出閾值輸入觸發(fā)輸入復(fù)位輸出放電管xx00導(dǎo)通<Vcc<Vcc11截止>Vcc>Vcc10導(dǎo)通<Vcc>Vcc1不變不變 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

13、期，CO信號完成一次進位，由1變?yōu)?00計數(shù)100x0保持x101000CD4017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：輸入電流：±10mA貯存溫度：-65-1503.4.3 74ls161 74LS161是常用的四位二進制可預(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 2腳 時鐘CP 3-6腳 四個數(shù)據(jù)輸入端P0P3 8腳 接地端 7腳、10腳 使能端CEP、CET 9腳 置數(shù)端PE 11-14腳 數(shù)據(jù)輸出端Q0Q3 15腳 進位輸出端TC16腳

14、 正電源表3 給出了 74LS161的功能表：表3 74LS161功能表輸入輸出CPPTD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0 X0XXXXXXX000010XXdcbadcbaX110XXXXX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： 、,選通端（低電平有效） 6腳： STA（E1）,選通端 7、9-15腳： ，輸出端（低電平有效） 8腳： GND，接地 16腳： VCC，正電源表4給出了 74LS138的功能表：表4

15、 74LS138功能表輸入輸出STABCA2A1A0×H××××HHHHHHHH××H×××HHHHHHHHL×××××HHHHHHHHHLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL4 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

16、個孔的連通情況，以及面包板上插孔內(nèi)部導(dǎo)通情況，并且掌握了面包板上下兩行插孔的分組情況，遵循著接線“橫平豎直”的原則，我和同組同學(xué)終于完成了布線，整個面包板看起來比較簡潔，沒有飛線、混接等情況，并且注意到了芯片電源的正負極以及電容的正負極，面包板上的接地部分已事先留出。之后是檢查電路，看看是有芯片管腳接錯、導(dǎo)線松動接觸不良等問題。在確認無誤之后，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，于是我們在詢問了上一組實驗的同學(xué)之后，終于弄清楚了

17、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)線從電源的正負端引出，接到面包板上事先設(shè)置好的正負極插孔上，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，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

18、，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，計算的周期，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。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行計數(shù)，最后通過譯碼器將計數(shù)器的計數(shù)依次譯成對應(yīng)的輸出，從而驅(qū)動對應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光，要注意的是