彩灯变换控制电路设计 .doc

1、四川理工学院毕业（设计）论文 摘 要 本文从研究单元电路出发，结合课题要求设计出实用的彩灯变换控制电路。以理论联系实践为基础，突出了电子设计的使用性。其中以集成电路为主讲述了各器件功能，分析其电路原理。以小规模集成电路控制彩灯按照一定的规律显示数字序列，以LED显示。达到观赏的效果，它在广告和晚会灯光布置也可以收到很好的妙用。具有较广的使用价值。 关键词:集成电路，数字序列，计数器，数码显示0四川理工学院业（设计）论文目录摘 要II引 言1第1章 题目及要求2第2章 总体方案选择3第3章 单元电路设计73.1矩形波发生器计73.1.1 74LS290管脚功能73.1.2 555多谐振荡器103

2、.1.3 矩形波发生器参数123.2接通电源清零电路设计123.3状态计数器设计133.4逻辑电路图153.5控制门电路设计163.3.1控制门173.3.2控制门183.6译码显示电路203.6.1 7448七段显示译码器203.6.2 BS201引脚图及驱动方式23第4章 整机设计及整机电路原理图25第5章 结束语27致谢28参考文献（主要及公开发表的文献）29附 录30 引 言进行电子线路设计与实践活动是电子线路理论联系实际的重要环节，对巩固和加深课堂教学效果，提高学生和相关科技人员的实际工作技能，培养科学作风，为学习和从事实践技术工作奠定了坚实的基础都具有重要的作用。其目的在于毕业设计

3、是高等教育中培养学生综合运用所学理论知识和技能,解决实际问题能力的重要环节之一,是衡量毕业生是否达到相应学力层次的重要依据。毕业设计将总结专业基础和专业技术的学习成果,锻炼和开发学生的综合运用能力。其意义在于通过毕业论文，综合性地运用几年内所学知识去分析、解决一个问题，在作毕业论文的过程中，所学知识得到疏理和运用，它既是一次检阅，又是一次锻炼。在作完毕业设计后，感到自己的实践动手、动笔能力得到锻炼，增强了即将跨入社会去竞争，去创造的自信心。目前流行的设计方法有多种，如采用单片机设计控制电路等等。由于该设计比较简单，使用单片机成本较高切稳定性不足。所以我采用小规模集成电路来完成设计，以74LS系

4、列芯片为主，使电路可靠性有较好的保证并且成本也相对较低，易被广泛采用。展望将来，这个电路也会有相当大的使用价值，其可以作为很好的装饰品。如同自贡的彩灯公园，不得不说就是其实用的一大优化，每年有上万人来观看，足以说明彩灯在人们心中的美丽了。就在今天也随处可见彩灯的踪影，它以不知不觉成为我们身边不可却少的一部分。以其结构简单，易集成化的特点为大众所接受。本次毕业设计共分5章，其基本内容是围绕彩灯变换控制电路设计来展开的。其中以单元电路设计及选择为主，分别讲诉各电路功能，然后综合各单元电路完成整体电路设计，并计算其各元器件参数。第一章以设计要求为主。第二章讲述了选择方案的原因。第三章则由选定的方案开

5、始讲解各单元电路的构成以及总体电路机构并分析各环节的参数。第四章整合前面内容给出总体电路图，简单分析电路工作原理。初次写毕业设计，也遇到不少问题，存在许多不足。本次设计的主要思路是理论联系实际，以实践训练为主，突出电子技术的实用性。陈明祥：彩灯变换控制电路设计第1章 题目及要求1毕业设计（论文）题目：彩灯变换控制电路设计2毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1）该系统用LED管作为显示元件，能自动依次循环显示数字“0，1，2，3，4，5，6，7，8，9”（自然数列）；1，3，5，7，9（奇数列）；0，2，4，6，8（偶数列）；0，1，2，3，4，5，6，7，0，1（音乐符号序列1）；0，1，2

6、，3，4，5，6，7，0，1（音乐符号序列2）。 2）打开电源电路自动清零。随后即从第一个序列开始显示。3）每个字符显示的时间相等，为0.15秒内连续可调。 4）有条件的情况下，进行电路安装调试。四川理工学院毕业（设计）论文第2章 总体方案选择根据设计要求，首先需要一个使彩灯动态显示的时钟脉冲发生器来产生0.210HZ连续可调的方波。用此脉冲来控制电路各部分的同步工作，需要两块能五进制又能十进制的2/5十进制计数器，同时还需要一个LED七段数码显示管以及一个能驱动数码显示管的译码器。为了记录5种不同的工作状态，需要一个三位态计数器，其状态编码必须与工作方式相对应。为了在不同的状态下有不同的工作

7、方式，需要对2/5十进制计数器的输入和输出进行控制，因而需要设计两个控制门电路（控制门和 控制门）。另外，还需要设计一个连通电源的清零电路。由于用3个D触发器来状态计数比较复杂，所以采用一片74LS161增计数器来控制计数，其连接也相对简单。利用其置数功能来完成循环计数，同时也避免了时序电路的“竞争冒险”现象。电路的原理框图如图3-1所示。时钟脉冲清零电路控制门（）2/5十进制计数器控制门（）显示译码器LED数码管状态计数器图3-1 电路原理方框图分析2/5十进制计数器的功能可得：该计数器有两个时钟脉冲输入端和，当时钟脉冲从输入，并把输出QA与相连时，便构成十进制计数器，当时钟脉冲从输入时，就

8、构成五进制计数器。 各单元电路之间相互转换真值表如表3-1所示：表3-1 单元电路相互转换真值表题中要求实现题中要求的方案计数器输出与译码器输入的关系计数器输入端时钟脉冲频率显示序号显示数列显示数字状态计数器计数器输出译码器输入QGQFQEQDQCQBQADCBA0123456789自然数列0123456789S100000001001000110100010101100111100010010000000100100011010001010110011110001001A=QAB=QBC=QCD=QDfA=f0fB=f0/2f0为标准时钟0.210HZ1011121314奇数列13579S2

9、0000001101000111100000010011010101111001A=1B=QBC=QCD=QDfA=f0fB=f01516171819偶数列02468S30001001001010110100100000010010001101000A=0B=QBC=QCD=QDfA=f0fB=f020212223242526272829音乐符号序列10123456701S400000001001000110100010101100111000000010000000100100011010001010110011100000001A=QAB=QBC=QCD=0fA=f0fB=f0/23031

10、3233343536373839音乐符号序列20123456701S500000001001000110100010101100111000000010000000100100011010001010110011100000001A=QAB=QBC=QCD=0fA=f0fB=f0/2 控制门的作用是控制时钟脉冲CP（频率为f0）在不同的状态下，计数器不同时钟脉冲输入端输入。即在自然数列和音乐数列工作时，计数器工作在十进制计数状态。让=CP，=，满足表3-1的频率要求。 控制门的做用是控制显示译码器的输入，从表3-1可以看出，输入A和D与计数器输出QA和QD在不同状态下是不同的，而输入B，C与计

11、数器输出QB，QC是相同的，因此只要对译码器的D，A输入端进行控制。分析后，可得详细框图(图3-2)及控制门为输入、输出关系表3-2。清零电路R 2/5十进制技术器 时钟脉冲发生器=0.210CP控制门（）控制门（）状态计数器七段显示译码器C B D ALED显示管图3-2 整体电路框图表3-2 控制门电路输入、输出关系显示数列状态计数器输出状态控制门输入、出关系控制门输入出、关系自然数列A= D=奇数列A=1 D=偶数列A=0 D=音乐序列1A= D=0音乐序列2A= D=0在表3-2中，为控制门的输出，A、D为控制门输出，其余为输入变量。陈明祥：彩灯变换控制电路设计第3章 单元电路设计3.

12、1矩形波发生器计 矩形波发生器的作用是为了产生频率为0.210HZ 的矩形波，所以是一个多谐振荡器。为了减小振荡电容的容量，可加一级分频器。因此，选择555定时器为多谐振荡器，选用74LS290计数器。电路图如图4-1所示。图4-1 矩形波发生电路图3.1.1 74LS290管脚功能74LS290内部含有两个独立的计数器电路：一个是模2计数器（为其时钟，为其输出端），另一个是模5计数器（为其时钟，为其输出端）。外部时钟CP是先送到还是先送到，在这四个输出端会形成不同的码制。74LS290原理电路图如图4-1.1所示。图4-1.1 74LS290原理电路图74LS290管脚分布图如图4-1.2所

13、示。图4-1.2 74LS290管脚分布图74LS290功能表如表4-1.1所示。表4-1.1 74LS290功能表1111101010000000010001000000计数状态74LS290在“计数状态”或“清零状态”时，均要求和中至少有一个必须为“0”。只有在和同时为“1”时，才能进入“清零状态”。 连接方法2如图4-1.4所示。图4-1.4 74LS290连接图示274LS290是一个二-五-十进制上升沿计数器。当控制管脚接低电平，时钟信号加在CLKA端时，它构成一个二进制计数器。 当时钟信号加在CLKB端时，它构成一个步长为2的五进制计数器。 当时钟信号加在CLKA端且将QA反馈到C

14、LKB时，它构成一个普通的十进制计数器。4.1.2 555多谐振荡器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。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 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

15、用电器、电子测量及自动控制等方面。555引脚图如下所示。图4-1.5 555引脚图555的内部结构可等效成23个晶体三极管。17个电阻、两个二极管组成了比较器，RS触发器，等多组单元电路。特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器，为上下比较器提供基准电压，所以称之为555。555属于cmos工艺制造。 555引脚图介绍如下1地 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值） 7放电 8电源电压Vcc4.1.3 矩形波发生器参数振荡周期为： T=1/10*1/f0=0.010.5s 振荡周期最小值和最大值与R1、RW、R2和C1的函数关系： Tmin=(R1+2R2)*C1l

16、n2 (4.1)Tmax=(R1+2Rw+2R2)*C1ln2 (4.2)由式(4.1)、(4.2)Tmin/Tmax=(R1+2R2)/(R1+2Rw+2R2)=0.01/0.5 得：R1+2R2=2/49Rw (4.3) 把(4.3)代入(4.1)得：（且选C1=1.5uF时）2/49Rw*1.5*10-6ln2=0.01 计算得：Rw=255K 取Rw=330K 若令R1=R2,则3R1=2/49Rw 最后得：R1=R2=4.49K 取 R1=R2=5K C2=0.01uF3.2接通电源清零电路设计为了使BCD计数器和状态计数器在接通电源时自动清零，因而需要一个脉冲宽度比计数器的延迟时间

17、大一个数量级的清零脉冲，保证计数器正确清零。电路采用如图所示的单积分单稳态电路。图4-2.1 单稳态积分电路图在接通电源前，门的输入端为高阻，V01为低电平。当电源接通瞬间，Vi=0,则V01为高电平，对电容充电使Vi上升到开门电平时，则V01回到低电平。故门输出一个正清零脉冲，门输出一个负清零脉冲，波形如图4-2.2所示。图4-2.2波形图其元件参数，时间常数由t=R3C3=ktpd决定，k为系数（在10103之间），tpd=40ns.设R=103,则有：R3C3=4ms取C3=0.1uF,则R3=40K左右，取R3=45K 反向器选用TTL非门。3.3状态计数器设计状态计数器在本次设计中的

18、作用是控制状态之间的相互转换，以起到各单元电路之间相互协调工作的目的。设计一个五状态的同步计数器，需要三个D触发器（选用DF/F T4074），也可采用74LS161计数器来实现。下面将分别介绍使用三个D触发器实现和使用74LS161计数器来实现，并通过比较最终选定方案。3.3.1状态转换图（图4-3.1） 1/ 1/ /1 /1 1/ 图4-3.1 状态转换图3.3.2卡诺图（图4-3.2）00011110 0 1图4-3.2 卡诺图3.3.3将状态转换图转化为真值表（表4-3.1）表4-3.1 真值表状态0 0 00 0 10 0 10 0 10 1 10 1 10 1 10 1 00 1

19、 00 1 01 0 01 0 01 0 00 0 00 0 03.3.4求驱动方程由D触发器的特征方程为： = (4.4)易求的驱动方程为：= (4.5) = (4.6) = (4.7) 检查能否自启动：（表4-3.2）表4-3.2 自启动真值表1 0 10 1 01 1 01 0 01 1 10 1 0 经检查能自启动 3.3.5逻辑电路图（图4-3.3）图4-3.3 逻辑电路图由于，以上过程较复杂，因此，可以简单的采用一片74LS161来循环计数。同时也方便绘制整体电路图。其功能表如下：（表4-3.3）表4-3.3 4 位同步二进制计数器74LS161的功能表CPEP ET工作状态0 置

20、零110 预置数110 1保持11 0保持（C=0）1111 1计数当时，电路工作在计数状态，从电路的0000状态开始连续输入16个计数脉冲时，电路将从1111状态返回0000状态，C端从高电平跳变至低电平。还可以利用C端输出的高电平或下降沿作为输出信号。在这里，我门只使用5个状态，所以我们可以将0100作为清零信号，实现00000100的循环计数。其电路连接简单易懂。电路连接如下图4-3.4所示。 图4-3.4 状态计数器电路图由图可知，其相对D触发器设计简单，且直观，不易出错，这也是最后选择它的原因。相同的功能很多方法都能实现，但是我们要选择简单易行的方案。3.4控制门电路设计控制门、电路

21、为组合电路。其功能在于控制输出输入信号的转变以达到信号转变要求，实现电路转化的目的。3.4.1控制门(1)列真值表：由表1可列出如下真值表：（表3-4.1）表3-4.1 控制门真值表状态状态变量（）输入时钟（）输出时钟（）0 0 00 0 0 0 0010 0 10 0 10 1 010 1 10 1 10 1 010 1 00 1 0 0 0011 0 01 0 0 0 101 (2).卡诺图化简：（图3-4.1） 000001011010110111101100 0000000 0110011 1111111 10011003-4.1 控制门卡诺图所以 = (3.6)(3).逻辑图（图3-

22、4.2）图4-4.2 控制门逻辑电路图3.4.2控制门由原理框图（图2-1）可见，控制门有5个输入变量，即状态变量QGQFQE和计数器QAQB输出。2个输出信号A和D。输出信号A是控制门的输入信号，输出信号D是控制门的输入信号。(1).真值表如表4-4.2所示。表3-4.2 控制门真值表状态状态变量计数器输出译码器输入D A0 0 00 00 11 01 10 00 11 01 10 0 10 11 11 00 00 10 11 11 10 1 10 00 11 01 10 00 01 01 00 1 00 00 11 01 10 00 10 00 11 0 00 00 11 01 10 0

23、0 1 0 00 1（2）由真值表画卡诺图：(图3-4.3) 000001011010110111101100 000001000000 010101000101 111111100101 1010111000004-4.3 控制门卡诺图由此可得： D=(4.7) A= （4.8）（3）分别画出输出信号A、D的逻辑电路图：图4-4.4 输出信号A控制电路图图4-4.5 输出信号D控制电路图3.5译码显示电路译码显示电路的作用是将输入的BCD译码成与LED数码管相适应的代码形式，有它的专用集成电路。本次设计选用的是7448。译码器与LED数码管的连接形式如图3-5.1所示。图4-5.1 显示译码

24、电路图四川理工学院毕业（设计）论文3.5.1 7448七段显示译码器7448七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。 7448的功能表如表4-5所示，它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下：1. 灭灯输入BI/RBOBI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入ag均为0，所以字形熄灭。2. 试灯输入LT当LT0时，BI/RBO是输出端，且RBO1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1,显示字形8。该输入端常用

25、于检查7488本身及显示器的好坏。3.动态灭零输入RBI当LT1，RBI0且输入代码DCBA0000时，各段输出ag均为低电平，与BCD码相应的字形熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。4. 动态灭零输出RBOBI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT1且RBI0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT1且RBI1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。从功能表还可看出，对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，而对其它输入代码则仅要求LT1，这时候

26、，译码器各段ag输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求。表3-5 7448功能表十进制或功能输入BI/RBO输出字形LTRBID C B Aa b c d e f g0110 0 0 011 1 1 1 1 1 00110 0 0 110 1 1 0 0 0 01210 0 1 011 1 0 1 1 0 12310 0 1 111 1 1 1 0 0 13410 1 0 010 1 1 0 0 1 14510 1 0 111 0 1 1 0 1 15610 1 1 010 0 1 1 1 1 16710 1 1 111 1 1 0 0 0 07811 0 0 011 1 1

27、 1 1 1 18911 0 0 111 1 1 1 0 1 191011 0 1 010 0 0 1 1 0 1101111 0 1 110 0 1 1 0 0 1111211 1 0 010 1 0 0 0 1 1121311 1 0 111 0 0 1 0 1 1131411 1 1 010 0 0 1 1 1 1141511 1 1 110 0 0 0 0 0 015消隐1 00 0 0 0 0 0 08脉冲消隐00 0 0 000 0 0 0 0 0 0灯测试0 11 1 1 1 1 1 13.5.2 BS201引脚图及驱动方式数码管使用条件：a、段及小数点上加限流电阻。b、使用电压

28、：段：根据发光颜色决定； 小数点：根据发光颜色决定。c、使用电流：静态：总电流 80mA（每段 10mA）；动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA。图4-5.2 数码管引脚图a图4-5.3数码管引脚图b数码管驱动方式：数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码

29、管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没

30、有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。第4章 整机设计及整机电路原理图整机设计主要考虑各单元电路的连接问题。由于我们大部分是TTL器件，且所有元件都用+5V电源供电，因而不存在电平转换问题，但要注意各元件输入端对信号极性的要求。这样就可以把单元电路构成整机

31、电路图。 图5-1 整机电路图电路简要说明：电源上点后，首先由单稳态积分电路产生一个清零脉冲对电路实现清零。然后由555振荡器构成时钟电路输出时钟脉冲，通过一个2/5十进制计数器进行一次倍频，使时钟周期扩大一倍。然后输入下一片2/5十进制计数器开始计数，并将该计数器的输出1001作为状态计数器的计数脉冲。并由74LS161构成的状态计数器对其计数状态进行控制，以实现真值表列出的对应序列。最后将这些序列输入74LS290译码器并驱动数码显示管依次显示这些序列！第5章 结束语王晓皎：彩灯变换控制电路设计陈明祥：彩灯变换控制电路设计致谢经过两个月的忙碌和查阅，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个专

32、科生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。本论文是在导师伍乾永老师的悉心指导下完成的。感谢老师对我的辛勤培育。从论文的立题到电路设计以及论文的撰写整个过程无不浸透着老师的心血。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，灵活的思维方式，耐心细致的言传身教深深感染激励着我，将使我终身受益。导师不但在学习上给予我耐心细致的指导，在生活中也给了我莫大的关怀，这份师恩我将终身难忘。在此他表示深深的感谢。参考文献（主要及公开发表的文献）1阎石.数字电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社，20022刘迎春,叶

33、湘滨.传感器原理设计于应用M. 长沙 国防科技大学 20023吴慎山.电子线路设计与实践M.北京：电子工业出版社，20054朱耀国.模拟电子线路实验.北京：高等教育出版社，19965林秀松.电子技术应用设计指导M.成都：电子科技大学出版社，19926李万臣.模拟电子技术基础实验与课程设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，20017黄志伟.基于Multisim2001的电子电路计算机仿真设计与分析.北京：电子工业出版社，20048郑步生.Multisiim2001电路设计及仿真入门与应用.北京：电子工业出版社，20029谢自美.电子线路设计实验测试.第二版.武汉：华中科技大学出版社，200010扬

34、元挺.电子技术技能训练.北京：高等教育出版社，200211 Shihang S. Fuzzy self-organizing controller and its application for dynamic processesJ. Fuzzy Sets and Systems, 1998,26:151164.12 Kaare Christian. Borland C+ Techniques & UtilitisM. Ziff-Davis Press，1993.四川理工学院本科毕业（设计）论文附 录电路中所使用的元件如下表：序号代号名称规格型号数量(个)1U3定时器55512U1、U22/5十进制计数器74LS29023U4BCD七段译码器744814U5计数器74LS16115DS1LED显示数码管DPY_7-SEG16U1A斯密特反相器74LS1417UAN1UAN9TTL与非门NAND98UN1UN4TTL非门NOT49UXN1、UXN2TTL异或门XNOR210UX1TTL同或门XOR111UA1、UA2TTL与门AND212C1电容0.1uF113C2电容0.01uF114C3电容2.2uF115R1R7电阻370716R8电阻45K117R9电阻75K118R10可变电阻350K119R11电阻75K1