彩燈控制器設計論文 74ls160+ne555實現

ID:161768 · 發表于 2017-8-15 02:33

目錄

摘要

一、選題背景

1、功能要求

2、方案論證

3、基本設計任務

4、發揮設計任務

5、電路特點

二、電路設計

1、總體方框圖

2 、總體工作原理

3各主要電路及部件工作原理

3.2 循環控制部分（JK觸發器、74LS138）

3.3 兩個74LS160控制4個數列簡要說明

3.4 上電復位電路

4 原理總

5 元器件清單

6 調試過程及測試數據（或者仿真結果）

6.1 各主要功能塊的單獨調試（按焊接步驟）

6.1.1 74ls48與數碼管的調試

6.1.2 555與降頻器的調試

循環部分和非門的調試

兩個74LS160的調試

觸發器和74LS138的聯合調試

組合電源調試

6.2 調試總結果分析

參考文獻

摘要

彩燈控制器的設計課題是為強化我們所學的電子技術，結合書本理論知識，結合實際操作。這是一個理論結合實踐的過程。這次我們采用2片74ls160作為主要元件，通過這個元器件的工作特點，控制彩燈的各種序列的變換。通過結合觸發器的選擇，對時鐘進行分頻和使用555產生的時鐘頻率，從而改變數字的顯示時間間隔的時間。

一、選題背景

數字電子技術在我們生活中的應用非常之廣泛，不論是在各個方面都會涉及到它，小到家用電器的自動控制，大到神舟九號和天空一號航天器的設計，都無可避免的要運用它。并且鑒于以理論推動實踐及理論實踐相結合為指導思想，特此用我們所學的理論知識來實踐這次課程設計。

1、功能要求

以74LS160為主要器件，加之以循環電路、脈沖電路、顯示電路、復位電路等，即可實現題目所述的功能（打開電源時，控制器可自動清零，從接通電源時刻起，自動地依次顯示出數字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數列），1、3、5、7、9（奇數列），0、2、4、6、8（偶數列）和1、2、3、4、5、6、7（音樂符號數列），然后又依次顯示出自然數列、奇數列、偶數列和音樂符號數列……如此周而復始，不斷循環）。并且需要保證每個數字顯示的時間基本相等，這個時間在0.5~2秒內可調。

2、方案論證

方案一：可以用74LS153、74LS160及NE555加以必要的電路來實現。此電路的特點在于：雖然電路簡單、器件使用少、但是理解思路不是很好，但是控制不易。而且不易處理音樂數列。

方案二，用74ls190和74LS191，譯碼器，三態門及必要門電路亦可實現，這種方案使用器件很少，但是時鐘脈沖是由190的進位端接191的時鐘脈沖端。不能實現各個數字顯示時間一樣。

方案三：以JK觸發器作為循環控制部分構成四進制（00-01-10-11），74ls138構成循環控制部分，加必要的門電路，結合74LS160便可實現。此方法較為普通。

在設計過程中，由于先設計出的是第二種方案，考慮其簡單易行、思路清晰，方便調試，綜合考慮，采用方案三。

3、基本設計任務

用NE555、74LS160、JK觸發器、74ls48數碼管以及必要的門電路設計一個控制電路使其在開機時能夠實現如下功能：自動地依次顯示出數字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數列），1、3、5、7、9（奇數列），0、2、4、6、8（偶數列）和1、2、3、4、5、6、7（音樂符號數列），然后又依次顯示出自然數列、奇數列、偶數列和音樂符號數列……如此周而復始，不斷循環）。

4、發揮設計任務

加上4個LED分別指示每個循環狀態。

5、電路特點

用較為簡單的思路實現課題功能，運用2個74LS160顯示4組數列，其中奇偶數列共同使用一片，自然數列和音樂數列在一起共用一片74ls160，再有就是設計了4個狀態指示LED。

二、電路設計1、總體方框圖

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2017-8-15 02:27 上傳

圖2-1 總體方框圖

2 、總體工作原理

本系統重要部分為循環控制部分，循環控制部分中的JK觸發器會產生一個四進制循環狀態，通過74LS138譯碼后會產生4個控制狀態，這4個控制狀態將分別控制74LS160的工作狀態并用二極管的亮滅表示出來，選中不同的74LS160工作在不同的狀態，在脈沖的作用下經7448譯碼后便可以顯示出4組數字。

3各主要電路及部件工作原理

3.1 2Hz脈沖及降頻（555、JK觸發器）

圖3-1-1 NE555多諧振蕩器電路圖3-1-2JK觸發器降頻電路

多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，不需要外加輸入信號，就可以自動地產生出矩形脈沖。多諧振蕩器沒有穩態，所以又稱為無穩電路。在多諧振蕩器中，由一個暫穩態過渡到另一個暫穩態，其“觸發”信號是由電路內部電容充（放）電提供的，因此無需外加觸發脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關。多諧振蕩器的周期可以用公式:

t=（R1+2R2）Cln2

計算，即上圖3-1多諧振蕩器的周期約為0.5s。

降頻電路是由一個JK觸發器構成，當J端和K端接成高電平時就是一個T型觸發器。T觸發器在一個脈沖的下降沿Q端的狀態會變化一次，由這個原理便可以做成0.5倍頻降頻器。

參數計算：

因為需要一個0.5~2秒的可調脈沖，因此根據上述公式，C=47uf可以計算得出R=R1+2R2, 得出R=15K~~61K。R1取47K的滑動變阻器和5K，R2取5K。

當滑動變阻器的阻值為0的時候，即產生0.5S的脈沖，當滑動變阻器滑到最大值的時候，產生2S的脈沖。

3.2 循環控制部分（JK觸發器、74LS138）

圖3-2-1 JK觸發器構成的四進制計數器電路

圖3-2-2 K觸發器及74LS138構成的循環控制電路

如圖3-2-1 JK觸發器構成的四進制計數器電路，當開機時，復位信號會使其輸出高低位為00，在接下來的脈沖下輸出會以00—01—10—11—00—01……循環。

JK觸發器構成的四進制計數器電路的設計過程：

（詳見附件）

狀態轉換表如下：

圖3-2-3狀態轉換表

據表中次態對應Q高*、Q低*，畫出卡諾圖化簡。

次態卡諾圖如下：

圖3-2-4 Q高*

圖3-2-5 Q低*

由圖3-2-4、圖3-2-5可得：

Q高*= Q高· Q低’+ Q高’·Q低，

Q低*= Q低’。

由JK觸發器的狀態方程

Q*=J·Q’+K’·Q ,

便可得J、K的關系，其連線便如上電路圖。

3.3 兩個74LS160控制4個數列簡要說明

由于要顯示4組數字，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數列），1、3、5、7、9（奇數列），0、2、4、6、8（偶數列）和1、2、3、4、5、6、7（音樂符號數列），分析每組的特點，音樂數列和自然數列都是按順序來，而奇偶數列則是間隔了一個數，因此可以歸為兩組；音樂數列和自然數列、奇偶數列。以這樣的思路就可以用2個74LS160來計數。

音樂數列和自然數列的74LS160：

圖3-3-1 74LS160A

自然數列是從0開始的，因此運用起來較簡單。自然數列直接用就可以,；對于音樂數列則到了7的的時候就要復位到0，解決方法如下：在要消除異步復位時的閃爍的前提下，可以用同步置位，即在輸出端口到達0111時把其低3位處理成職位信號，再考慮別的控制因素的情況下，電路便可如上圖方法設計。

并且由于音樂數列是1~7所以我們才有一些門電路實現在偶數列結束之后，應當將74ls160從1開始計數，但是經過實踐，發現1顯示的時間有點短（這是因為當使能從0變到1的時候基本上clk時鐘信號就會有作用沿，所以顯示的時間根本就沒有持續一個周期就從1變到2了）。所以我們采用門電路結合音樂輸入使能信號實現把0變成1。

奇偶數列的74LS160：

圖3-3-2 74LS160B

對于奇偶數列的處理，可以從輸出四位二進制看出解決問題的方法，奇數列：0001,0011,0101,0111,1001。偶數列：0000,0010,0100,0110,1000。假如顯示部分不接四位二進制輸出的最低位，最低位接0，則可以得到偶數列的輸出；反之，顯示部分不接四位二進制輸出的最低位，最低位接1，則可以得到奇數列的輸出。對于這個奇偶數列的74LS160，假如和音樂數列、自然數列的74LS160接同一個脈沖，則會出現兩類數字的跳動周期不一樣，那么就可以用0.5倍頻降頻器來實現。

3.4 上電復位電路

圖3-4-1 復位電路

復位電路用于兩個74LS160和JK觸發器的清零，使得在一開機的情況下全部從零開始。因為在一上電的過程中電阻上的電壓變為高電平，而所有的觸發器的RD清理端都需要低電平，所以中間必須接入反向器。

4 原理總
5 元器件清單

6 調試過程及測試數據（或者仿真結果）6.1 各主要功能塊的單獨調試（按焊接步驟）6.1.1 74ls48與數碼管的調試

焊接時最先做74ls48與數碼管的連接。連接好后通上電源，首先測試數碼管的全部點亮。把74ls48的測試端LT’接地，可以看到數碼管顯示8字，說明數碼管是好的。接著，把74ls48的LE端接地、BI’和LT’接高電平，此時在輸入端A、B、C、D接相應的信號使數碼管顯示0-9各個字符。通過以上的測試便能得知此電路的好壞。

通過以上的測試方法，本電路沒有問題、可以使用。

6.1.2 555與降頻器的調試

通過把555_VIRTUAL接成多謝振蕩電路便可以輸出方波，通過公式t=（R1+2R2）Cln2的計算可得方波周期。本電路用R1=R2=24kΩ、C=10uF，則t=0.5s，再通過接0.5倍頻的JK觸發器便得到1s方波。這兩個方波脈沖分別給兩個74LS160提供信號。

調試：照電路圖接好線路后，給電路通上電。通過測試555_VIRTUAL的out端和JK觸發器的Q端，看其是否為0.5Hz和1Hz。同時可以依據555的3腳接出的脈沖接到發光二極管上。觀看等的亮滅情況。

在仿真軟件上得到的結果如下圖：

圖6-1-2-1 復位電路

循環部分和非門的調試

此部分由一個JK觸發器、一個74LS138和4個非門構成，可以分別輸出4個高電平用以控制兩個74LS160的工作。

測試：焊接好電路后，上電。給JK觸發器一個低頻脈沖，用示波器測量4個非門的輸出端，若每個非門會分別輸出高電平，則此電路是好的。

兩個74LS160的調試

兩個74LS160和一些必要的門電路便可以構成4個數列的循環輸出。如圖6-1-4-1即為自然數列和音樂數列的組合，如圖圖6-1-4-2即為奇、偶數列的組合。

圖6-1-4-1 74LS160A自然數列和音樂數列的組合

圖6-1-4-2 74LS160B奇、偶數列的組合

把上圖兩個電路的輸出端通過或門按主圖紙接好線后，再把Y0、Y1、Y2、Y3接4個非門輸出端，聯合以上6.1.2、6.1.3便可以測試。

測試：接通總電源，把兩個74LS160及JK觸發器均復位一下，觀察數碼管的顯示。如果出現0-9、1-9、0-8、1-7這樣的顯示情況，則電路沒有問題。若出現不顯示則是復位沒有成功，以后連上復位電路后便會沒有問題。

觸發器和74LS138的聯合調試

當控制輸出觸發器的輸出端D0和D1，就能間接控制發光二極管的亮滅，當D0和D1同時為0的時候亮的是第一盞燈。只需要控制輸入就行，在通過理論計算，如果和理論值是一樣的，那電路就基本沒有問題。

組合電源調試

當接好所有的線之后，使用萬用表的短路端來測試所有的電源線是否接觸良好，各塊芯片的電源連接是否正常，以及電源線有沒有短路情況。這個步驟是在接好線路之后通電前的必做的一步，他直接影響到是否整快板子的好壞。是保護芯片的重要一步。

6.2 調試總結果分析

以上的每個主要的小功能部分調試是很容易成功的，在調試過程中也遇到一些問題，比如：在沒有接上電復位電路的時候，容易出現數碼管不顯示，這個問題的原因是其中的一個74LS160沒有被復位，其輸出端全為高電平，則74ls48不能譯出，即會出現數碼管不顯示，這個問題的解決方法便是接上上電復位電路。

還有就是在一些參數計算也是很重要的，例如由于我們的奇偶數在同一快74ls160上顯示，所以需要在是奇數是通過偶數加一實現，但是我們沒有選擇加法器，而是采用顯示奇數的使能端再接上或門，但是使能端又連接了一個發光二極管，由于發光二極管的顯示特性，需要有一定的電流才能點亮，電阻不能取太大，但是又不能取得太小，太小和發光二極管的壓降都會改變電平。當初我由于選擇了一個壓降大的發光二極管，使得電平從高電平變成模糊電平。從而使得顯示不正常。所以在參數的設計和元件的選擇方面今后還是要更加慎重。

在接線沒有錯誤的情況下，以上的調試應該是沒有問題的，實踐證明，通過每一個小部分的各自調試可以把系統化小，使得解決問題的效率提高，整個系統的成功率增大。

參考文獻

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【2】模擬電子技術基礎/童詩白，華成英主編. -4版.-北京：高等教育出版社，2006.5

【3】電子線路設計·實驗·測試/羅杰，謝自美主編.---4版.北京：電子工業出版社，2008.4

【4】數字電子技術/高海生主編裴亞男副主編江西：江西科技出版社，2009.8