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1、目录1. 技术要求12. 设计方案及其比较12.1方案设计要求12.2基本原理12.2.1原理概括12.2.2主要元器件简介12.3方案一52.3.1 方案原理52.3.2软件仿真62.4方案二72.4.1 方案原理72.4.2 软件仿真82.5方案三82.5.1 方案原理82.5.2 软件仿真102.6方案比较112.6.1方案元件比较112.6.2方案功能比较112.6.3方案可实现性比较113. 实现方案123.1方案元件123.2方案原理123.2.1谐振模块133.2.2计数模块133.2.3译码模块143.2.4发光电路143.3实现过程153.4小结154. 调试过程及结论154
2、.1调试过程154.2结论165. 心得体会166. 参考文献17圈式流水灯电路的设计1. 技术要求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. 设计方案及其比较2.1 方案设计要求（1）按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较；（2）掌握计数、译码、控制及显示电路的工作原理及其电路结构，以NE555时基集成电路、74LS161和74LS138为主，设计一种圈式流水灯电路（实现方案）；2.2 基本原理2.2.1 原理概括圈式流水灯电路主要包括两部分电路，第一部分电路产生矩形脉冲波，该部分电路可
3、由555定时器构成多谐振荡器产生。第二部分电路实现选通发光二级管的功能，通过计数器和译码器实现圈式排列的灯循环闪亮，该部分电路的实现可采取多种方案。由于555定时器产生矩形脉冲的周期取决于外接电阻和电容，所以流水灯发光时间的调节可以通过改变第一部分多谐振荡电路外接电阻阻值或电容大小实现，也可以通过改变第二部分电路的频率即进制来实现。2.2.2 主要元器件简介（1）NE555定时器555定时器是多用途的数字模拟混合集成电路，利用它能极方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器，使用灵活，方便。NE555定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V工作。输出驱动电流约为200mA。其管脚图与
4、波形图如图1所示：图1 NE555芯片管脚图与波形图图1中左边为管脚图，右边为波形图。管脚图中1脚是接地端；2脚是低电平触发端入端；3脚是输出端；4脚是复位端；5脚是电压控制端；6脚是高电平触发端入端；7脚是放电端；8脚是电源端。图2为矩形脉冲产生电路原理图，由NE555定时器构成多谐振荡电路。图2 NE555构成多谐振荡电路原理图NE555芯片1与8端接电源+Vcc，+Vcc经R1，R2给电容C1充电，给输入端输入直流信号。在7端的反馈作用下，C1反复充放电，实现了输出矩形波的功能。充电时间t1=C1(R1+R2) ln2(1)放电时间t2=C1R2ln2(2)脉冲信号周期T=t1+t2(3
5、)脉冲信号频率f=1/T(4)由式(1)、(2)、(3)、(4)可得：输出脉冲信号周期T=C1(R1+2R2)ln2，f=1/T。其中C1=10uF，R1=R2=30K，所以T=0.624s，f=1.603Hz。（2）74LS161计数器集成74LS161是四位二进制同步加法计数器，MR为异步清零端，低电平有效；PE为同步预置数控制端，低电平有效；该计数器为上升沿触发有效，当MR=PE=1时在CP端输入计数脉冲作用下，计数器进行二进制加法器计数。图3为74LS161计数器管脚图。图3 74LS161计数器管脚图2脚为脉冲输入端，3脚-6脚(P0-P3)为数据输入端，1脚(MR)是清零端，7脚，
6、10脚（CEP、CET）为使能端，9脚 (PE)为置数端，11脚-14脚(Q3-Q0)为数据输出端是，15脚(TC)为进位输出端。图4为八进制序列脉冲产生电路原理图，产生000-111序列脉冲。图4 74LS161构成循环八进制输出电路原理图将ENP，ENT，LOAD，MR端接电源+Vcc（即高电平）。CLK脉冲输入端接上级NE555的3脚输入端，在每个脉冲上升沿触发计数器加计数一次，计数器输出端Q3Q0循环输出00001111。由于只把Q2，Q1，Q0作为下级输入，所以Q2Q1Q0会循环输出000111八进制序列脉冲信号，八进制序列脉冲作为下级的数据输入信号控制选通电路工作。（3）74LS1
7、38译码器74LS138是集成3-8线译码器，图5为74LS138译码器管脚图。1，2， 3端口为三个输入端口，E1、E2和E3这三个使能端，正常工作时E1接高电平，E2和E3接低电平。Y0-Y7为输出端口，译码器工作时每一次只有一个端口输出低电平，实现了数据的选择性输出，74LS138译码器可以将信号的地址码转换成二进制码，并从对应的输出端输出一个低电平。图5 74LS138译码器管脚图图6为选通发光二极管及显示电路，实现了流水灯圈式闪亮的要求。图6 74LS161、74LS138构成圈式顺序循环发光二极管电路原理图74LS138译码器的三个输入端A、B、C分别接74LS161计数器的三个输
8、出端Q0、Q1、Q2。使能端E1接高电平，E2、E3接低电平，译码器可实现译码功能。如此一来，138便可将CBA端输入的二进制信号（C为高位）译码成十进制并从相应端口输出低电平。也就是将输入的八进制循环脉冲000111译码输出，000对应Y0端口输出低电平，其余端输出高电平；001对应Y1端口输出低电平，其余端输出高电平，以此类推。当电路工作时，Y0Y7端口循环输出低电平。实现了选通作用。将八个LED发光二极管以共阳极的方式分别连在Y0Y7端口，排列成圈式。电路工作时，经译码器选通后发光二极管D1D8依次发光并且循环发光。R3为保护电阻，防止电流过大烧坏二极管。2.3 方案一2.3.1 方案原
9、理输出二进制数输出二进制数产生矩形脉冲NE555组成多谐振荡电路74LS161组成八进制加法计数电路74LS138组成具有译码功能电路功能实现圈式流水彩灯电路如下图7为方案一的原理框图。该方案电路由四部分组成：第一部分电路由NE555定时器组成，产生矩形脉冲；在矩形脉冲的作用下，第二部分由74LS161组成的八进制加法计数电路开始计数；第二部分电路计数后输出到第三部分电路，第三部分电路由74LS138组成具有译码功能的电路，该电路将第二部分输出的信号译码成二进制数。译码后的二进制数作用到圈式流水灯电路，实现圈式流水灯的循环流水式发光功能。图7 方案一原理框图图8为方案一原理电路图，第一部分多谐
10、振荡电路输出矩形脉冲信号。其周期T由两部组成：电容C1的充电时间t1和放电时间t2。设滑动变阻器RV1分成的上下两部分阻值分别为Rx1(单位：K)和Rx2(单位：K)，则有：充电时间t1=C1(R1+RV1)ln2(5)放电时间t2=C1Rx2ln2(6)脉冲信号周期T=t1+t2(7)脉冲信号频率f=1/T(8)由式(5)、(6)、(7)、(8)得：T=C1(R1+RV1+Rx2)ln2，f=1/ C1(R1+RV1+Rx2)ln2由C1=10uF，R1=30K，RV1=60K，所以T=7(90+Rx2)10-3，f=1000/7(90+Rx2)。当Rx2=30时，T=0.84s，f=1.1
11、9Hz。图8 方案一电路原理图其中电容C2的作用是抗干扰，电阻R3的作用是过流保护，防止电流过大导致二极管损坏。2.3.2 软件仿真下图为方案一的protues仿真图。图9 方案一protues仿真图仿真时，圈式流水灯按顺时针方向（D1D8）依次循环发光，调节滑动变阻器的阻值，发光的周期发生变化。当增大Rx2的值时，发光周期变大，各个发光二极管的发光交替速度变慢；当减小Rx2的值时，发光周期变小，各个发光二极管的发光交替速度变快。2.4 方案二2.4.1 方案原理输出二进制数产生矩形脉冲NE555组成多谐振荡电路4017组成八进制加法计数并译码电路功能实现圈式流水彩灯电路图10为方案二的原理框
12、图。该方案的电路由三部分组成：第一部分由NE555组成多谐振荡电路，输出矩形脉冲信号；第二部分由CD4017组成兼具八进制加法计数和译码功能的电路，在第一部分电路输出的脉冲信号作用下开始工作；第三部分电路由8个发光二极管组成圈式流水灯电路，在第二部分电路输出的二进制数信号作用下开始依次循环发光。图10 方案二原理框图图11为方案二原理电路图，第一部分多谐振荡电路输出矩形脉冲信号。其周期T由两部组成：电容C1的充电时间t1和放电时间t2。设滑动变阻器RV1分成的上下两部分阻值分别为Rx1(单位：K)和Rx2(单位：K)，则有：充电时间t1=C1(R1+RV1)ln2(9)放电时间t2=C1Rx2
13、ln2(10)脉冲信号周期T=t1+t2(11)脉冲信号频率f=1/T(12)图11 方案二电路原理图由式(9)、(10)、(11)、(12)得：T=C1(R1+RV1+Rx2)ln2，f=1/ C1(R1+RV1+Rx2)ln2。由C1=10uF，R1=30K，RV1=60K，所以T=7(90+Rx2)10-3，f=1000/7(90+Rx2)。当Rx2=30时，T=0.84s，f=1.19Hz。其中电容C2的作用是抗干扰，电阻R2的作用是过流保护，防止电流过大导致二极管损坏。2.4.2 软件仿真下图为方案二的protues仿真图。图12 方案二protues仿真图仿真时，圈式流水灯按逆时针
14、方向（D1D8）依次循环发光，调节滑动变阻器的阻值，发光的周期发生变化。当增大Rx2的值时，发光周期变大，各个发光二极管的发光交替速度变慢；当减小Rx2的值时，发光周期变小，各个发光二极管的发光交替速度变快。2.5 方案三2.5.1 方案原理图13为方案三原理框图。方案三的电路由三部分组成：第一部分由NE555构成多谐振荡电路，输出矩形脉冲信号；第二部分由两个74LS194组成八位移位寄存器，在第一部分电路输出的矩形脉冲作用下，输出循环移位信号：0111 1111-1011 1111-1111 1110；第三部分电路由八个发光二极管组成圈式流水彩灯电路，在第二部分电路输出的循环移位信号作用下，
15、二极管按逆时针方向输出移位信号产生矩形脉冲NE555组成多谐振荡电路两个74LS194组成八位移位电路功能实现圈式流水彩灯电路依次循环发光。图13 方案三原理框图图14为方案三原理电路图，第一部分多谐振荡电路输出矩形脉冲信号。其周期T由两部组成：电容C1的充电时间t1和放电时间t2。设滑动变阻器RV1分成的上下两部分阻值分别为Rx1(单位：K)和Rx2(单位：K)，则有：充电时间t1=C1(R1+RV1)ln2(13)放电时间t2=C1Rx2ln2(14)脉冲信号周期T=t1+t2(15)脉冲信号频率f=1/T(16)由式(13)、(14)、(15)、(16)得：T=C1(R1+RV1+Rx2
16、)ln2，f=1/ C1(R1+RV1+Rx2)ln2。由C1=10uF，R1=30K，RV1=60K，所以T=7(90+Rx2)10-3，f=1000/7(90+Rx2)。当Rx2=30时，T=0.84s，f=1.19Hz。图14 方案三电路原理图其中电容C2的作用是抗干扰，电阻R2的作用是过流保护和分压，防止电流过大导致二极管损坏、防止二极管的导通端电压过大导致两个74LS194实现循环移位功能。 下表为74LS194的真值表。表74LS194真值表功能输入输出S1S0CPSLSR清除保持保持置数右移左移2.5.2 软件仿真下图为方案三的protues仿真图。图15 方案三仿真图仿真时，圈
17、式流水灯按逆时针方向（D1D8）依次循环发光，调节滑动变阻器的阻值，发光的周期发生变化。当增大Rx2的值时，发光周期变大，各个发光二极管的发光交替速度变慢；当减小Rx2的值时，发光周期变小，各个发光二极管的发光交替速度变快。2.6 方案比较2.6.1 方案元件比较表元件2 各方案元件比较表方案电阻电容二极管主要工作原件门电路电源及接地方案一定值电阻30K,10K10uF1uF8个发光二极管NE555定时器74LS16174LS138非门一个电源一个接地端滑阻60K方案二定值电阻30K,10K10uF1uF8个发光二极管NE555定时器CD4017无一个电源一个接地端滑阻60K方案三定值电阻30
18、K,10K10uF1uF8个发光二极管NE555定时器74LS1942非门一个电源一个接地端滑阻60K注：表中元件未注明个数的即为一个。从表中可看出，三个方案所使用的元件中，电阻、电容、发光二极管和电源及地端的型号、参数和个数都相同。不同之处：方案一的主要工作元件除了NE555之外，使用了计数器74LS161、译码器74LS138，还有一个非门，一共是4个芯片；方案二的主要工作元件除了NE555之外，只用了一个组合芯片CD4017，没有门电路，一共是2个芯片；方案三的主要工作元件除了NE555之外，使用了2个74LS194，及1个非门，一共是4个芯片。所以，从元件方面来看，方案二最节约器材，最
19、方便。2.6.2 方案功能比较从方案的功能来看，三个方案所实现的功能基本一样，并无太大区别。唯一的一个小区表在于方案二的电路连线稍作改动便可控制10个灯的圈式循环发光，而方案一和方案二最多只能实现控制8个灯的圈式循环发光。所以，就功能而言，方案二更好一些。2.6.3 方案可实现性比较从各个方案的可实现性来看：方案一的电路较简单可行，芯片便宜且常用；方案二的电路最为简单，不过4017芯片价格较高，且与555连用时易出现问题；方案三的电路较复杂，控制起来较麻烦。 经各种对比，且考虑到现有芯片的基础上选择实现方案一较好。3. 实现方案3.1 方案元件实现方案所用到的元器件如下表所示：表3 实现方案元
20、器件列表元件类型型号及数量集成芯片NE555定时器1、74LS161计数器1、74LS138译码器1电阻滑动变阻器100K1、定值电阻1001电容电解电容10uF1、普通电容0.01uF1二极管红色发光二极管8注：实现方案时，老师提供的电阻还有2个 27K的定值电阻，但实现方式并未用到，而是用自备的滑阻代替。3.2 方案原理方案的电路原理图如下图所示。图16 实现方案电路原理图实现方案的电路原理图一共由4部分组成：NE555定时器组成的谐振模块、74LS161组成的计时模块、74LS138组成的译码模块、8个发光二极管组成的发光电路。谐振模块输出的矩形脉冲作为计时模块的时钟脉冲，在时钟脉冲的作
21、用下，每遇到一次上升沿就计一次数。计数模块的输出作为译码模块的输入进行译码，输出的译码信号作用于发光电路，使二极管依次循环发光。3.2.1 谐振模块图17 谐振模块电路原理图如图17所示，设滑动变阻器的上下两部分为Rx1和Rx2（单位为K） ，则有RV1=Rx1+Rx2 。接通电源的瞬间，电容压降为0，即2、6脚的压降为0，此时7脚不通，电容经过Rx1和Rx2开始充电。当电容充电至正负板间的压降为2/3Vcc时，即2、6脚的电压为2/3Vcc时，7脚接通，电容经过Rx2开始放电。当放电至电容两极板间的压降为1/3Vcc时，即2、6脚的电压为1/3Vcc时，7脚断路，电容又经过Rx1和Rx2开始
22、充电，直至充到两极板间压降为2/3Vcc。如此循环往复。所以，充电时间t1=C1RV1ln(Vcc1/3Vcc)/(Vcc2/3Vcc)= C1RV1ln2，放电时间t2= C1Rx2ln(Vcc1/3Vcc)/(Vcc2/3Vcc)= C1Rx2ln2，所以矩形脉冲的周期T=t1+t2= C1(RV1+Rx2)ln2。由C1=10uF，RV1=100K，ln2 0.7，得T 0.007(100+ Rx2)。3.2.2 计数模块图18 计数模块电路原理图如图18所示，74LS161的1、7、9、10脚接高电平，在时钟信号（谐振模块的输出：3脚）的作用下，每遇到一个上升沿便会计一次数。由于1脚接
23、高电平，所以该计数模块为16进制计数，但输出只有Q0、Q1、Q2，Q3置空。当Q3为0时，Q0Q1Q2从000计数到111，之后Q3进位为1，Q0Q1Q2依然从000计数到111，所以只输出Q0、Q1、Q2，便能实现八进制的功能。3.2.3 译码模块图19 译码模块电路原理图译码模块的电路原理图如图19所示。将4、5脚接低电平，6脚接高电平，1、2、3脚分别接计数模块的输出Q0、Q1、Q2（14、13、12脚）。由74LS138的功能表可知，接通电源后，138便会对输入进行译码，从Y0Y7脚输出。由于输出低有效，当输入为000时，Y0输出0，其余端输出1；当输入为001时，Y1输出0，其余端输
24、出1；当输入为111时，Y7输出0，其余端输出1。3.2.4 发光电路图20 发光电路原理图如图20所示，8个发光二极管呈圈式排列，达到了圈式发光的要求。由于74LS138的输出顺序依次是15、14、13、12、11、10、9、7脚，所以只要将发光二极管的D1D8依次与其相连就可达到顺序发光的目的。由于74LS138的输出为低有效，所以要让二极管在矩形脉冲的一个周期内只亮一个，可将二极管的负极与对应输出相连，将二极管的正极与高电平相连。再接一电阻进行保护即可。3.3 实现过程图21 方案面包板实物图如图21所示，为实现方案时的面包板实物图。接上电源时，8个发光二极管依次循环发光（顺时针），调节
25、滑动变阻器的阻值，二极管的发光周期便会改变。3.4 小结由图21可见，面包板的连线横平竖直，没有跳线。8个二极管呈圈式排布，接通电源时，以顺时针方向依次发光。调节滑动变阻器的阻值便可改变二极管的发光周期。严格按照要求实现了方案。4. 调试过程及结论4.1 调试过程由于实验室电源有限，调试时用自备的三节干电池作为电源。接上电源后，发光二极管按照顺时针依次发光，并且循环。调节滑动变阻器的阻值，发光二极管的发光周期发生改变。调试过程截图如下图所示：图22 调试过程截图4.2 结论由调试时的现象“接上电源后，发光二极管按照顺时针依次发光，并且循环。调节滑动变阻器的阻值，发光二极管的发光周期发生改变”，
26、调试结果成功，方案正确。5. 心得体会自大学以来，这是第二次课程设计了，虽然有了第一次课设的经验，而且设计的题目和原理都很简单，但设计和调试过程中还是遇到难题。拿到题目时，虽然被要求吓了一跳，但仔细回忆数电中学过的芯片原理和提供的芯片的功能表，发现要设计出符合要求的方案其实并不难。所学的NE555芯片主要是用来组成谐振电路来输出矩形脉冲的，而74LS161要实现计数功能就必须要有时钟脉冲。那么NE555正好可以用来为74LS161提供时钟脉冲。74LS161计数后的输出经过74LS138的译码后正好可以周期输出低电平。那么，只要将8个发光二极管共阳极连接，将74LS138的8个输出端依次与二极
27、管的负极相连，正好能让发光二极管依次发光。再将二极管按照圈式排布，就能符合“圈式流水”的要求了。第一个方案构思完之后，就轮到第二个了。想到电工电子实习中做过流水灯音乐盒的设计和制作，其中包含了圈式流水灯电路。将之前的电路原理图翻出来看过后，发现其中的谐振电路依旧是用NE555定时器实现的，但后面用CD4017代替了方案一的74LS161和74LS138。查阅资料后发现CD4017有计数并译码功能，那么将CD4017以反馈清零方式将其改成8进制计数译码器，替代之前方案一的计数器和译码器，就能实现要求的功能了。方案一和方案二译码器的输出让我联想到了其输出形式酷似移位功能，又想到输电实验中用2片74
28、LS194做过8进制的移位器，于是方案三的构思又诞生了。接来下就是仿真了。用protues在电脑上将三种方案的电路图画出来并仿真倒是很顺利，包括之后的预答辩都很顺利，难题诞生在面包板的连线。由于原理和电路都很简单，本以为连线也会很简单，没想到栽在了8个发光二极管上了。由于面包板的空间有限，二极管由太多，导致连线到处碰壁。根据“圈式”的要求，二极管的排布形式被限定了，芯片的管脚又很多，导致了连线密密麻麻。虽然，连线遇到了很多困难，但在组员的帮助下，花了两个晚上终于把方案实现了。看似很简单的方案，要实现起来还真不是那么简单。其实，生活就是如此，看起来很简单，以为自己都会了，又不愿意动手，最终导致的就是什么都没学好。一次课设不仅回顾了学过的知识点，还体会到了很多自己不知道的不足之处。动手能力正是我们所欠缺的，所以我们应该抓住每次动手的机会，好好体会体会自己的不足。6. 参考文献1伍时和，吴友宇，凌玲.数字电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009.42李桂安，葛年明，周泉编.电子技术实验及课程设计.南京：东南大学出版社，2008.83毕满清.电子技术试验与课程设计. 北京:机械工业出版社,2005.74路勇.电子电路实验及仿真.北京：清华大学出版社,2004
