圈式流水灯电路的设计.doc

1、武汉理工大学专业课程设计（二）课程设计说明书目录1.技术指标12.设计方案及比较12.1方案一22.2方案二22.3方案三32.4方案比较43.实现方案43.1方案的实现53.2 NE555定时器53.3 多谐振荡器63.4 74LS161芯片73.5 74LS138芯片83.6 LED灯93.7 圈式流水灯的实现方案原理图94. 调试过程及结论105. 心得体会116. 参考文献12圈式流水灯电路的设计1.技术指标设计一种利用发光二极管作为流水灯指示,实现连接成圆圈式的发光二极管依次循环点亮形成移动的光点,要求可以实现流水灯的循环时间可以调节。2.设计方案及比较圈式流水灯是使用电子集成芯片组

2、成的数字电路，使连接的LED等依次循环点亮。圈式流水灯的实现主要是靠NE555芯片产生的脉冲信号，八位二进制计数器芯片，译码器芯片和LED灯连接产生的电路。2.1方案一连接NE555计数器构成多谐振荡器，直流电压通过多谐振荡器产生矩形脉冲信号，信号输入到74LS161计数器芯片的CP端，产生一次循环的输出信号，经过74LS138译码器芯片后，每输出一次信号再经过非门与LED灯正极相连LED灯就会点亮，到输出下一个信号时下一个LED灯点亮，依次点亮构成圈式流水灯。 图2.1 方案一的电路连接图2.2方案二通过连接NE555计数器和电阻，电容构成多谐振荡器，当直流电压通过输入端时，多谐振荡器的输出

3、端产生矩形脉冲信号，当矩形脉冲信号输入到74LS161芯片构成的八进制计数器的CP脉冲端时，产生一次循环的输出信号。经过74LS138译码器芯片后，不用经过与非门而是直接和LED灯的负极相连，每次输入一次信号LED灯就会依次被点亮，从而形成圈式流水灯，达到实验目的和要求。可以通过改变电阻和电容来改变亮的时间。图2，2 方案二的电路连接图2.3方案三NE555定时器连接的多谐振荡器产生矩形脉冲信号，输出的信号通过和脉冲端相连，可以使圈式的LED灯依次点亮。而74LS161计数器芯片和74LS138译码器芯片可由集成程度更高的IC4017芯片代替，两个芯片可以由一片代替在实验方面实现了便利的条件。

4、IC4017芯片既能实现计数功能，又能达到译码的效果，使电路连接更加简单，有利于我们在实物上的连线。 图2，3 方案三的电路连接图2.4方案比较上面一共提出了三种方案，方案都主要集中在脉冲信号产生源电路、8位二进制的计数器电路和译码器电路上。方案一，在译码器实现电路上使用的原件过多，比其他方案多用了8个非门，增加了电路的连接难度和在检查电路时的复杂度。方案二，与方案一比较操作简单，电路图中少用了8个非门和7个电阻，电路连接更简洁容易，仿真时也相对比较容易。其设计原理在实验中也得到了体验。 方案三，使用IC4017芯片来替代了译码器74LS138芯片和计数器74LS161芯片，与实验二相比操作更

5、加简单，但因为其封装性导致原理不能在实验设计中得到很好的反应。因此在此次试验中我们选用方案二，因为方案二更加可以体现出实验原理，操作也相对比较简单。3.实现方案通过上述的方案比较，根据方案二来画出电路图，根据电路图在面包板上实现圈式流水灯的电路。经过检查连接电源观察LED灯的现象和仿真的结果。3.1方案的实现在圈式流水灯电路的方案中，选用方案二为实现方案。该方案包括NE555定时器构成的多谐振荡器电路、74LS161连接的八进制的计数器电路、74LS138芯片的译码器电路和由8个LED灯构成的显示电路。3.2 NE555定时器NE555定时器由3个电阻构成的分压器，两个电压比较器c1和c2，基

6、本RS触发器，放点三极管和缓冲反向器组成。NE555定时器的电源电压范围很宽，可在 4.5V16V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路的电平兼容。NE555定时器通过外接电阻和电容可以构成多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器。555 定时器的内部电路如下图所示。 图3.1 NE555芯片的内部框图NE555电路的内部电路方框图如图3.1所示。当电压的输入信号输入并超过+2VCC/3时，触发器复位，NE555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关导通；当输入信号自2脚输入并低于+VCC/3时，触发器置位，NE555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止

7、。3.3 多谐振荡器多谐振荡器是一种不需要外加输入信号的自激振荡器，它不存在稳态，因此被称为“无稳态电路”。多谐振荡器的频率与与它相连的两个电阻和一个电容的参数有关，输出信号是由电路内部的电容充放电所产生的。NE555芯片组成的多谐振荡器电路中R1、R2和C是外接元件。接通电源后，VCC经过R1， R2给电容C充电。电源刚接通时555芯片内部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，即RD=1，SD=0，基本RS触发器置1，输出端Q为高电平。Q=O，使内部放电管截止。当 UC上升到大于VCC/3时，RD=1，SD=1，基本RS触发器不变，即输出端Q仍为高电平，当VC上升到略大于2VCC/3时，Rn

8、=0，SD=1，基本RS触发器置0，输出端Q为低电平。Q=1，使内部放电管饱合导通。于是电容C经R2和内部放电管放电，c按指数规律减小。当UC下降略小于VCC/3时，内部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，基本RS触发器置1，输出高电平。，Q=0，内部放电管截止。于是C结束放电并重新开始充电。如此循环不止，输出端就得到一系列矩形脉冲，如图所示。 图3.2 多谐振荡器 图3.3多谐振荡器的波形图 由NE555定时器构成的多谐振荡器，输入直流电压信号后，在电容C的反复充、放电过程中，矩形脉冲信号就会在输出3端。如上右图所示的波形图。UC的波形表示电容的充放电时UC的变化，UO表示输出的矩形脉冲信

9、号的变化，它的两个暂稳态T1和T2的大小取决于电阻和电容的大小。第一暂稳态T1的宽度：T1=0.7*(R1+R2)*C;第二暂稳态T2的宽度：T2=0.7*R2*C;总的振荡周期T的宽度：T=T1+T2=0.7*(R1+2*R2)*C;通过调节电阻R1、R2和电容C的大小，可以改变周期的大小，就可以控制LED灯亮的时间。3.4 74LS161芯片74LS161芯片是一个四位二进制同步的加法计数器，它可以通过连接形成N进制计数器，可以实现数字分频器的功能。 图3.4 74LS161芯片的引脚图引脚图的各个引脚的功能介绍：CP为计数脉冲输入端，LD为预置数控制端，S1、S2为计数控制端，QA、QB

10、、QC、QD为计数状态输出端，A、B、C、D为预置数输入端，QCC为进位输出端，CR为清零端。VCC为电压输入端，GND为接地端。通过与CP端相连就可以实现N进制的功能和数字分频器的功能，通过对输出端与清零端的连接就可以实现N进制。 图3.5 74LS161芯片的功能表从74LS161芯片的功能表中可以看出，当清零端CR为“1”和LD为“0”时，且在CP端脉冲信号沿上升延作用后，74LS161芯片的计数状态输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与预置数输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。当清零端CR为“0”时，计数器的输出端Q3、Q2、Q1、Q0全为“0”，为异步复位功能。

11、而只有当CR、LD、EP、ET都为“1”时和CP端的脉冲上升沿作用后，计数器加1。 图3.6 74LS161芯片连接的8进制电路图当脉冲输入后，使能端为“1”时，且当Q3、Q2、Q1、Q0输出为“1000”时刚好为8进制计数。所以Q3与清零端相连时刚好“1000”不输出，继续从“0000”开始输出，完成一次8进制的循环。3.5 74LS138芯片74LS138芯片是常用的3-8线译码器，可以将二进制数字信号转换成BCD十进制数字信号。 图3.7 74LS138芯片的引脚图 引脚图的各个引脚的功能介绍：A0、A1和A2为预置数输入端，S1、S2和S3为使能端，当正常工作时S1接高电平，S2和S3

12、接低电平。Y0到Y7是八个输出端的端口，每一次只有一个端口输出低电平，其他的端口都没有输出，实现了数据选择性的输出。VCC为外接电源输入端，GND为接地端。 图3.8 74LS138芯片的功能表当输入端A0、A1、A2输入信号时，74LS138译码器会将信号的地址从二进制转换成BCD码，并从对应的输出端输出一个低电平，从而实验对数字信号的选择性。3.6 LED灯因为74LS138的输出端是低电平所以要与LED灯的负极相连。8个LED灯的正极要全部连在一起和一个电阻连接起来并与电源相连，这样才能让LED灯管按照圈式流水的效果依次点亮。在使用前应先检查每个LED灯是否能正常发光。3.7 圈式流水灯

13、的实现方案原理图根据上述的各个部分的原理可以连出实验的总原理图，根据原理图在面包板上进行实物的连接。 图3.9 实验的总原理图NE555计数器和电阻，电容通过导线连接起来构成多谐振荡器，当外接直流电压通过输入端时，多谐振荡器的输出端产生矩形脉冲信号，当矩形脉冲信号输入到74LS161芯片构成的八进制计数器的CP脉冲端时，产生一次循环的输出信号。循环信号经过74LS138译码器芯片后，产生低电平，不用经过与非门而是直接和LED灯的负极相连，且正极都和电源连接在一起。每次输入一次信号LED灯就会依次被点亮，从而形成圈式流水灯，达到实验目的和要求。而且可以通过改变电阻和电容来改变亮的时间。4. 调试

14、过程及结论经过在寝室的调试，刚开始把电路连接好后，LED灯并没有亮，经过连接万用表测试电压，发现555芯片的输出并没有产生脉冲。经过线路的重新检查发现8端的线没有连接上，连接到旁边的孔里，与LED灯正极相连的电阻也没有连接进去。通过检查重新修正，再接上电源发现有几个灯还是不亮。经过一番检查发现74LS138译码器芯片没有和面包板很好的连接，用手按压发现LED灯开始依次点亮，实现圈式流水灯的实验目的。在实验室调试时，应为已经在宿舍排查了电路出现的相关问题，所以在实验室的时候连上电源就可以实验此次课程设计的技术要求。经过老师的检查完成了调试这个重要的实验部分。图4.1 实验的实物图 如上图所示，我

15、们连接好面包板，并检查连接的电路是否正确，然后再连接电源，观察电路连接是否正确。经过一系列检查和排除问题，连接的面包板终于完成了实验要求。经过一个多星期的准备工作和实验工作，很好的实习了课程设计的各种要求。5. 心得体会在本次课程设计中我们学到了很多东西。不仅把数电书上的理论知识又重新复习了一遍，而且学习了是要所需的动手能力的要求。通过对实验内容的了解，先查阅各种资料完成预习工作，对于自己所做的实验现有一定的了解。在连接电路图前我们先要设计多种方案，通过设计多种方案我们了解到了可以有多种方法来实现。使我们学会多方位的思考，并对实验内容有一定程度的预习。在连接面包板时，先要学会看电路图，并且把电

16、路原理搞清楚。在连接完成后要调试，在不断地调试过程中我们通过发现问题来提升我们对实验原理的了解。在完成试验后，我们回过来思考这两个星期课程设计的过程，发现它对于我们有很大的好处。对我们所学的理论知识得以延伸和补充，还培养了我们对于学习实验的兴趣和运用protuse软件的熟悉。对于软件的熟悉有利于我们今后的工作，应为现在大多数工作都是在电脑上完成的，多熟悉软件的使用是有好处的。自己动手连接电路培养了我们的实践能力对于我们以后的工作和学习都有好处。在做一件事之前，要事先做好相关的准备工作，否则后面会白费很多时间，浪费很多精力。所以在下次做实验、或是做其他事情之前要做好准备工作，以免后面的过程出现不该出现的错误。在今后的实验课程和课程设计中药借鉴此次课程设计的优点，改进此次课程设计的不足，使下次得课程设计更加完美。6. 参考文献1吴友宇，伍时和，凌玲.数字电子技术基础.清华大学,2009.2康华光，邹寿彬.电子技术基础数电部分（第五版）.高等教育出版社,2006. 3童诗白，电子技术基础，高等教育出版社，2001.4王卫东，电子技术基础，电子工业出版社，2010.12