广告彩灯控制电路设计课设

1、目 录引言21设计意义及要求3 1.1设计意义3 1.2设计要求32方案设计4 2.1设计思路4 2.2方案设计4 2.2.1方案一及其电路图4 2.2.2方案二及其电路图5 2.3方案比较63部分电路的设计7 3.1脉冲源的设计电路7 3.2 4017控制电路9 3.3 同右同左控制电路11 3.4 回馈控制电路154调试与检测164.1调试中故障及解决办法164.2调试与运行结果165 仿真操作步骤及使用说明176元件名细表187附录电路图198结束语20本科生课程设计成绩评定表引言 当今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的

2、控制系统，正以前所未见的速度发展。在现实生活中，我们经常遇到花样多变的广告彩灯，所谓广告彩灯就是讲一系列有颜色的灯串联在一起，然后按一定次序逐个或者几个的依次点亮和熄灭。因此要设计出这种电路就要应用数字逻辑电路，本次试验依照要求要设计出三行彩灯依次点亮，三列彩灯从右向左移动从左向右移动，所以该课程设计将用到脉冲信号产生电路、4017控制电路、计数电路、译码电路及其他门电路。广告彩灯控制电路设计1 设计意义及要求1.1 设计意义 （1）培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。（2）锻炼学生的自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。（3）

3、通过课程设计，使学生在理论计算，课程设计、查阅设计资料、标准和规范运用和计算机应用能力得到训练和提高。 （4）固化、深化和扩展学生的理论知识与专业技能。（5）为今后从事电子领域打下坚实的基础。 1.2设计要求1 现有9只彩灯，试设计一控制电路，要求彩灯能实现如下追逐图案；2 第一层3只红灯右移，每灯亮的时间为08秒；3 第二层3只蓝灯右移，每灯亮的时间为08秒；4 第三层3只黄灯右移，每灯亮的时间为08秒；5 三色彩灯同时右移，每组灯亮的时间为16秒；6 三色彩灯同时左移，每组灯亮的时间为16秒；7 彩灯控制电路工作状态按照上述2至6步自动重复循环。2方案设计21设计思路依照设计要求，第一层3

4、只红灯右移，第二层3只蓝灯右移，第三层3只黄灯右移，每盏灯亮时间为0.8秒;三色彩灯同时右移，三色彩灯同时左移每列灯亮时间为1.6。所以总体思路是将电路分为两部分，通过彼此间与或关系建立联系从而成为彼此联系的整体。第一部分电路通过4017控制，4017输出高电平有效，控制单个灯的亮灭。第二部分由74ls161和74ls138共同控制。138输出低电平有效，所以输出信号要经过非后再经或门控制同列不同色彩等右移左移。22方案设计2.2.1设计方案一及电路图原理分析：电路分为两部分，一部分是使九盏灯依次亮起，第二部分是控制三排队等同时右移或同时左移。两个555多频发生器产生两种频率的信号分别控制第一

5、个第二个部分的频率的输入。第一部分是采用4017芯片器输出为高电平有效，九盏灯可在4017的控制下依次亮起，当4017的11端输出高电平时通过非或门和与非门与第二部分的译码器74ls138的7端共同控制4017的信号源的输入，用此方法控制4017的工作与否。4017的 11端同时控制计数器74ls161的时钟信号的输入，从而启动或停止161与138的运作。138工作时Q1与Q7、Q2与Q6、Q3与Q5通过非或门控制第一排第二排和第三排的灯。这就是此电路的基本原理。原理图如2-2-12-2-1 实验方案一电路原理图2.2.2设计方案二及电路图原理分析：该电路是通过两片4017控制两部分电路。一部

6、分是使九盏灯依次亮起，第二部分是控制三排队等同时右移或同时左移。两个555多频发生器产生两种频率的信号分别控制第一个第二个部分的频率的输入。第一部分是采用4017芯片器输出为高电平有效，九盏灯可在4017的控制下依次亮起，当4017的11端输出高电平时通过或门和与非门与第二部分的4017的11端共同控制第一片4017的信号源的输入，用此方法控制4017的工作与否。4017的 11端同时控制计数器第二片4017的时钟信号的输入，从而启动或停止第二片4017的运作。第二片4017工作时Q2与Q9、Q3与Q8、Q4与Q6通过或门控制第一排第二排和第三排的灯。这就是此电路的基本原理。 2-2-2 电路

7、方案二电路原理图 设计方案二电路原理图2.3方案比较 2-2-2 电路方案二电路原理图2.3方案比较本组方案是通过比较在成员间选择较简单的电路加以修改而得的。来两种方案比较，小组方案的优点如下：（1） 小组方案较个人的方案更简便更以做成实物，可实现性高。个人的方案用了较多的非或门三片芯片器件两线较复杂；小组方案使用芯片个数较少且芯片是普通芯片易于购买。两个方案原理是相似的主要是功能的化简的区别。（2） 方案一138只有三个输出端，当一遍循环结束进行第二遍循环时红灯直接亮起无间隙，但小组方案第二部分电路由4017控制，4017有十个输出端，进行第二遍循环时开始可先灭所以更符合要求。 两种方案的相

8、同之处（1） 两个方案均使用两个555频率发生器分别常产生频率的信号可分别加入一二部分的电路中。（2） 两组方案都有缺陷，主要是4017芯片本身的问题，当信号源刚刚加入时，4017并非是Q1输出高点平，而是Q2输出的高电平，但当进行第二次循环电路恢复正常3部分电路设计3.1脉冲输出信号 脉冲源由555有电容电阻构成的频率发生器，通过此电容得充放电工作。电容充电过程初始状态为(1/3)Vcc，终止状态为(2/3)Vcc，稳定状态为Vcc。电容放电过程中由于晶体管基本处于饱和和导通状态，两端电压很低，因此供电电源对供电电路影响很小，放电初始状态为(2/3)Vcc，终止状态为(1/3)Vcc，稳定状

9、态为0。结合条件及一阶暂稳态过程的三要素法，已知要求时间，可以求出需要的电容电阻。电路图如下3-1 3-1频率发生器C1为100uF，C2为0.047uF，R1为3.2千欧，R2为5千欧。通过计算T1=0.7（R1+2R2）=0.8s 1.6秒的时钟信号发生器也是类似的，C1为100uF，C2为0.047uF，R1为6.4千欧，R2为10千欧T2=0.7（R1+2R2）=1.6s3.2 4017芯片控制电路4017芯片控制电路工作原理如下：当时钟信号输入时4017开始工作，由Q0到Q9依次输出高电平，由电路图可知每盏灯与对应引脚相连，依次点亮。如要求所述第一排第一层3只红灯右移；第二层3只蓝灯

10、右移；第三层3只黄灯右移。当Q9输出高电平时通过回馈电路，12输入高电平，11输入高电平使13端得输出为低，从而是输入信号无法加入4017停止工作，同时Q9的高电平触发与之相连的161开始工作。3017控制电路如图3-2 3-24017控制电路3.3不同色彩等移动控制电路如图所示第一部分电路的Q9高电平开启161工作，161开始计数，输出0001，译码器138的输入端输入001是Y1输出为低电平，其余为高电平当Y1为低Y7为高，通过非或门输出为高，控制第一列的三盏不同色的led灯同时亮当Y7为低Y1为高是同样可开启同一列不同色灯亮起整个原理是低电平从Y1向Y7依次输出灯led灯亮起顺序为第一列

11、、第二列、第三列、再从第三列亮到第一列，从而实现三色彩灯同时右移；三色彩灯同时左移。161的11端控制清零端使161成为8进制计数器第二部分电路控制图如3-3 3-3不同色彩等移动控制电路 3.4回馈控制电路4017的Q9与138的Y7通过非或门，共同控制4017的信号源输入.4017先开始工作，Q9为高时Y7为高是使U4的输出为低使4017的时钟信号无法加入。4017停止工作，Q9为高开启U11使时钟信号加入到161使其开始计数。当Y7为低时再次开启U4时钟信号又一次加入到4017，时期开始循环工作。非门U9是控制161为8进制计数器。通过回馈电路实现了电路的一二部分转换及电路的循环。其电路

12、图如3-4所示 3-4回馈控制电路4调试与检测4.1调试中故障及解决办法电路开始的设计思路是分为两部分，所以在调试时应风部分进行。（1）由于4017自动计数，且输出为高电平所以电路的第一个功能即第一排第一层3只红灯右移；第二层3只蓝灯右移；第三层3只黄灯右移可以轻松实现。主要调试对象是第二部分与第二部分和第一部分的衔接。（2）调试初期设想是通过4017清零端控制其工作与否，但仿真期间出现竞争与冒险，电路出现一些混乱，当11变为高电平时无法固定在高电平从而不能控制4017第一部分会一直工作下去。所以改为控制时钟信号来控制4017.（3）在进行循环电路调试时，开始选择用161的Q3输出端，但选择Q

13、3由于芯片原因也出现了电路混乱的现象所以选择用138的Y7端控制。（4）在未加555产生的频率时，选用软件自身带的频率且按要求输入时钟信号时电路可实现正常工作。但使用555产生的频率时，电路的第一遍输出较为混乱，主要现象是138的Y1输出为低是第一列不同色LED灯来亮起干扰电路。当电路循环第二遍时电路恢复正常。可通过加开关控制两部分电路从而消除干扰。4.2 调试与运行结果运行结果有要求基本符合，运行结果为开始一二三列第一盏灯全亮同时电路实行九盏灯依次亮起的功能，以后的循环中电路恢复正常第一层3只红灯右移，第二层3只蓝灯右移，第三层3只黄灯右移，每盏灯亮时间约为0.8秒;三色彩灯同时右移，三色彩

14、灯同时左移每列灯亮时间约为1.6s。5 仿真操作步骤及使用说明本实验仿真是采用7.5版本的protues，方案一二仿真是可直接点击开始，但由于4017及138芯片本身存在一些不稳定的问题，及555频率发生器本身发出的频率是近似值，所以在仿真初期即第一遍进行时，有些灯亮不与实验要求一致，一二三列第一盏灯全亮同时电路实行九盏灯依次亮起的功能。但当循环至第二遍时一切恢复正常，电路第一层3只红灯右移，第二层3只蓝灯右移，第三层3只黄灯右移，每盏灯亮时间约为0.8秒;三色彩灯同时右移，三色彩灯同时左移每列灯亮时间约为1.6s，与实验要求一致。6元件名细表6.1方案一组数元件名称个数14017一片274l

15、s01.DM4片374ls001片474ls1611片574ls1381片6555频率发生器2个7LED红灯3个8LED蓝灯3个9LED黄灯3个6.2方案二组数元件名称个数140172片274ls324片374ls001片4555频率发生器2个5LED红灯3个6LED蓝灯3个7LED黄灯3个7附录及电路图所需芯片为555、74ls138、74ls161、4017及相关门电路1、555芯片555定时器内部由分压器、两个电压比较器、基本RS触发器、晶体管及缓冲器 组成。555定时器逻辑符号如图7-1所示。脚是接地端GND，2脚是低电平触发端（也称触发端），3脚是输出端OUT，4脚是复位端ft，5脚

16、是电 压控制端，6脚是高电平触发端（也称阈值端），7脚是放电端，8脚是电源端VCC。集成555定时器的功能555定时器功能表见表1，其中4脚RD，为复位端，当RD为低电平时，不管其他输人端的状态如何，输出 Uo为低电平。只有当RD为高电平时，输出的状态将由2脚低电平触发端和6脚高电平触发端电压的大小来决 定，因此，在正常工作时，应将4脚接高电平。当uil(2/3)Vcc,u2(1/3)Vcc时，放电晶体管VT截止，输出端仍。为高电平。当uil(2/3)Vcc,ui2(1/3)Vcc时，放电晶体管VT导通，输出端uo为低电平。当uil(2/3)Vcc,ui2(1/3)Vcc时，电路亦保持原状态不

17、变。如果在电压控制端（5脚）施加一个外加 电压（其值在0Vcc之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阈值、触发电平也将随之变化， 进而影响电路的工作状态 555内部结构 7-1 555逻辑符号图、表1 555 定时器功能表2、4017芯片4017简要说明：CD4017是五位计数器，具有十个译码输出端，CP、CR、IN输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整性功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。IN为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之计数功能无效。CR为高电平是，计数器清零。在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并作为多级计数链的下级时钟。其真值表和引脚图如下7-2、7

18、-3 7-2 4017真值表7-3 4017引脚图3、74LS138工作原理如下： 当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。74LS138功能:利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器.3线-8线译码器74LS138的功能表如7-4引脚图如7-5 7-4 74LS138的功能表 7-5 138引脚图4、74ls161工作原理如下（1）161

19、为可预置的 4 位二进制同步计数器，共有 54/74161 和 54/74LS161 两种线路结构型式， 161 的清除端是异步的。当清除端 CLEAR 为低电平时，不管时钟端 CLOCK 状态如何，即可完成清除功能。（2）161 的预置是同步的。当置入控制器 LOAD 为低电平时，在 CLOCK上升沿作用下，输出端 QAQD 与数据输入端 AD 相一致。对于54/74161，当 CLOCK 由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端 ENP、ENT 为高电平，则 LOAD 应避免由低至高电平的跳变，而 54/74LS161无此种限制。（3）161 的计数是同步的，靠 CLOCK 同时加在四个触发器

20、上而实现的。当 ENP、ENT 均为高电平时，在 CLOCK 上升沿作用下 QAQD 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于 54/74161，只有当 CLOCk 为高电平时，ENP、ENT 才允许由高至低电平的跳变，而54/74LS161 的 ENP、ENT 跳变与 CLOCK 无关。（4）161 有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（RCO）输出一个高电平脉冲，其宽度为 QA 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成 N 位同步计数器。对于 54/74LS161，在 CLOCk 出现前，即使 ENP、ENT、CLEAR 发生变化，电路的功能也不受影响。其功能表与引脚图分别如图7-6、7-7 7-6 74ls161功能表 7-7 74ls161引脚图结束语 本次课程设计主要考察我们队以往所学知识的掌握情况，怎样运用所学理论知识去解决一些实际问题，也是考察我们的动手能力。 经过一段时间的学习与实践，我终于完成了设计任务，从芯片的选择，再到设计、实现，在这个过程中我不仅对以往所学知识有了更深入了解，也学习到不少课本以外的东西，对于一个大学学习也有了新的认识。以前我只知道通过考试检验自己是否学会学懂，但不亲自设计与实践仅仅通过考试是不能够判断出来的，只有通过实践才能真正固化知识使之成为自己脑中的知识。同时我对日常生活中