彩灯循环控制器设计

电子技术 课程设计说明书

题目： 彩灯循环控制器（B）

学生姓名： 曹文天 学 号： 200806010211 院 （系）： 电信学院 专 业： 电气082 指导教师： 张震强

2010 年 12 月 10 日

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摘 要

这次课程设计的题目是彩灯循环控制器。题目的要求是：（1）采用一个半导体数码管作为控制器的显示器，能够自动地依次显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、1、2、3、4、5、6、7（音乐符号数列）和0、2、4、6、8（偶数列）,然后又依次显示出自然数列、奇数列、偶数列和音乐符号数列……如此周而复始，不断循环。（2）打开电源时，控制器可自动清零，从接通电源时刻起，数码管最先显示出自然数列的0，再显示出1，然后按上述规律变化。

彩灯控制器主要是通过计数器来实现的。这个彩灯控制电路的实质是要产生一系列的数列，包括自然数列、奇数列、偶数列、音乐数列，然后通过一个七段数码管显示出来。这些数列的生成均是通过不断给一个74HC160脉冲，使其从0到9计数并不断循环。再用另一片74HC160作为循环控制，把它设置成四循环计数器，不断输出00到11。当其输出00时为自然数列输出，01时为奇数列输出 ，10 时为偶数列输出，11 时为音乐数列输出。0到9的数列产生后在不同状态下通过两片74HC153置成所需数列通过CD4511译码连接数码管输出。另外，按照上述方法产生的奇、偶数列相邻两个数显示的时间是自然数列及音乐数列的二倍。则要用JK触发器加74HC153对自然数列及音乐数列的脉冲进行二分频，使得四种数列相邻两个数显示的时间相同。最后脉冲的产生是通过555电路组成多谐振荡器来产生的。我设置脉冲频率为2HZ，这样经分频后在数码管上显示的数字为一秒变一下。最后要把它们有效的结合起来联合工作，就可以实现目的功能。

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目 录

1 设计题目以及要求…………………………………………………….............1 2 设计总体思路以及基本原理………………………………………………….1 3 单元电路模块的设计………………………………………………………….2

3.1数列的产生……………………………………………………………....2 3.1.1自然数列的产生原理及电路图…………………………………….2 3.1.2奇数列的产生原理及电路图……………………………………….3 3.1.3偶数列的产生原理及电路图……………………………………….3 3.1.4音乐数列的产生原理及电路图…………………………………….4 3.2 脉冲发生器的设计……………………………………………………...5 脉冲发生器的设计原理及电路图………………………………………..5

3.3 循环控制电路的设计…………………………………………………...5 循环控制电路的设计原理及电路图……………………………………..5 3.4二分频电路的设计……………………………………………................6 二分频电路的设计原理及电路图………………………………………..6 4 总电路的电路图…………………………………………………………….....7 5 焊接、调试以及心得体会………………………………………………….....8

5.1 焊接阶段………………………………………………………………...8 5.2 调试阶段………………………………………………………………...8 5.3 心得体会………………………………………………………………...9 6 总结…………………………………………………………………………....10 参考文献资料…………………………………………………………………....10 附录Ⅰ 原理总图 附录Ⅱ 元器件清单

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正文

1 设计题目以及要求

题目：彩灯循环控制器

功能要求：

（1）采用一个半导体数码管作为控制器的显示器，能够自动地依次显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、1、2、3、4、5、6、7（音乐符号数列）和0、2、4、6、8（偶数列）,然后又依次显示出自然数列、奇数列、偶数列和音乐符号数列……如此周而复始，不断循环。

（2）打开电源时，控制器可自动清零，从接通电源时刻起，数码管最先显示出自然数列的0，再显示出1，然后按上述规律变化。

提示：设计时先用仿真软件Multisim测试设计电路是否正确，无误后再制作实际电路。

参考元器件： 74HC160/74HC161，74HC153，NE555等

2 设计总体思路以及系统框图

这次的课程设计主要是通过计数器来实现的。这个彩灯控制电路的实质是要 产生一系列的数列，包括自然数列、奇数列、偶数列、音乐数列，然后通过一个七段数码管显示出来。这些数列的生成均是通过不断给一个74HC160脉冲，使其 从0到9计数并不断循环。再用另一片74HC160作为循环控制，把它设置成四循环计数器，不断输出00到11。当其输出00时为自然数列输出，01时为奇数列输出 ，10 时为偶数列输出，11 时为音乐数列输出。0到9的数列产生后在不同状态下通过两片74HC153置成所需数列通过CD4511译码连接数码管输出。另外，按照上述方法产生的奇、偶数列相邻两个数显示的时间是自然数列及音乐数列的二倍。则要用JK触发器加74HC153对自然数列及音乐数列的脉冲进行二分频，使得四种数列相邻两个数显示的时间相同。最后脉冲的产生是通过555电路组成多谐振荡器来产生的。我设置脉冲频率为2HZ，这样经分频后在数码管上显示的数字为一秒变一下。

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图2.1 系统框图

多谐振荡器 二分频电路 计数器 译码显示 控制电路 3 单元电路模块的设计 3.1 数列的产生

3.1.1 自然数列的产生设计原理及电路图

自然数列要求输出从0到9。用一片74HC160，将其置数端A、B、C、D接地，给使能端ENP、ENT、LOAD、CLR均置1，不断给其脉冲，则74HC160的输出端显示0到9并不断循环。

自然数列的产生电路图如下：

U2VCC5VU103456710ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115DCD_HEX2345VCC1I1100 Hz 1 A 91274HC160N_6V

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图3.1.1 自然数列的产生

3.1.2奇数列的产生设计原理及电路

奇数列要求输出1、3、5、7、9。同样用一片74HC160，将其置数端A、B、C、D接地，给使能端ENP、ENT、LOAD、CLR均置1，不断给其脉冲，不同的是给数码管的低位A永远置1 ，这样本来160输出0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001，但给数码管却输入0001、0001、0011、0011、0101、0101、0111、0111、1001、1001，则在数码管上显示1、3、5、7、9。 奇数列的产生电路图如下：

U2VCC5VU10VCC345671091ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115DCD_HEX3451I1100 Hz 1 A 274HC160N_6V

图3.1.2 奇数列的产生 3.1.3偶数列的产生设计原理及电路

偶数列要求输出0、2、4、6、8。同样用一片74HC160，将其置数端A、B、C、D接地，给使能端ENP、ENT、LOAD、CLR均置1，不断给其脉冲，不同的是给数码管的低位A永远置0，这样本来160输出0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001，但给数码管却输入0000、0000、0010、0010、0100、0100、0110、0110、1000、1000，则在数码管上显示0、2、4、6、8。

偶数列的产生电路图如下：

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U2VCC5VU13456ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115DCD_HEX345VCC710911I1100 Hz 1 A 274HC160N_6V0

图3.1.3 偶数列的产生 3.1.4音乐数列的产生设计原理及电路图

音乐数列要求输出0、1、2、3、4、5、6、7。用一片74HC160，将其作成八进制计数器，由于74HC160为同置数、异清零，将其置数端A、B、C、D接地，给使能端ENP、ENT、CLR均置1，输出端QA、QB、QC接三输入与非门，输出端接LOAD。则当计数器计数为0111时，LOAD为0，当再来一个脉冲时，计数器置0。计数器输出0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111，数码管显示0、1、2、3、4、5、6、7。

音乐数列的产生电路图如下：

U2VCC5VU13456ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO1413121115DCD_HEX235401I150 Hz 1 A VCC710912U3A74HC10N_6V74HC160N_6V6

图3.1.4 音乐数列的产生

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3.2 脉冲发生器的设计

脉冲发生器的设计原理及电路图

我所需要的秒脉冲发生器可以由一个集成的555定时器构成，当电源接通后，VCC通过对R1、R2向电容充电。电容上得到电压按指数规律上升，当电容上的电压上身到2/3VCC时，输电压VO为零，电容放电。当电压下降到1/3VCC时，输出电平为高电平，电容放电结束。这样周而复始便形成了振荡。我们要的周期是0.5秒，频率是2赫兹。周期T可以由下面的公式可知：f=(R1+R2)CLn2

脉冲发生器的电路图如下：

VCC5VVCCR136kΩR310kΩ108U3VCC4Ext Trig+_A+_+B_XSC1R218kΩ13RSTDISTHRTRICONGND1OUT3476252C110uFC210nFLM555CN0

图3.2 脉冲发生器

3.3 循环控制电路的设计

循环控制电路的设计原理

用另一片74HC160作为循环控制，把它设置成四循环计数器，由于74HC160为同置数、异清零，将其置数端A、B、C、D接地，给使能端ENP、ENT、CLR均置1，输出端QA、QB接双输入与非门，输出端接LOAD。则当计数器计数为0011时，LOAD为0，当再来一个脉冲时，计数器置0不断输出00到11。当其输出00时为自然数列输出，01时为奇数列输出 ，10 时为偶数列输出，11 时为音乐数列输出。

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循环控制电路的电路图：

U3U2AVCC5V30DCD_HEX74HC00N_6VU13456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLKQAQBQCQDRCO14131211151256VCC4V110 Hz 5 V 74HC160N_6V

图3.3 循环控制电路

3.4二分频电路的设计

二分频电路的设计原理

我的二分频电路是通过JK触发器实现的。将JK触发器的J、K连接在一起接高电平，并将使能端PR、CLR接高电平，则从CLK端输入一个频率的脉冲，从Q端输出的脉冲为输入的一半，从而实现二分频。

二分频电路的电路图

XSC1VCC5V+A_+B_Ext Trig+_4~1PRU1A1Q5VCC31V110 Hz 5 V 121J1CLK1K20~1Q~1CLR15674HC112N_6V 图3.4 二分频电路

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4 总电路的电路图

现在各单元电路完成了，最后要把它们有效的结合起来联合工作，实现目的功能。

首先由555多谐振荡器产生2HZ的脉冲，经74HC112后分频，之后再接一数据选择器74HC153。74HC153的A、B管脚接控制循环的四进制计数器QA、QB端，C0、C3接112的出端1HZ脉冲，C1、C2接555的出端2HZ脉冲。这样当数码管显示自然数列与音乐数列时，计数器74HC160得到1HZ脉冲，当数码管显示奇数列与偶数列时，计数器74HC160得到2HZ脉冲，保证四组数列每两个数显示间隔为1S。

555产生的脉冲信号加在两个74HC160的CLK端，控制循环的160由于使能端EPT平时为0不计数，而 另一片74HC160在脉冲的作用下不断显示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，当一次循环完成后计数器会产生进位信号，使RCO变为1，进位信号加在控制循环的160的ENT端，使其计数，跳转一位。刚上电时控制循环的160为00，输出自然数列，计数的160循环一次控制循环的160变为01，输出奇数列，再循环一次160变为10，输出偶数列，再循环一次160变为11，输出音乐数列，之后160有变为00，输出自然数列，周而复始，不断循环。

我用两片74HC153使计数器得到的数列变为自然数列、奇数列、偶数列、音乐数列。74HC153为双四选一数据选择器。我让两片G1、G2全接低电平，两片数据选择端A、B与控制循环的160的QA、QB端相接。这样在QAQB为00时，两片4个C0被选中，在QAQB为01时，两片4个C1被选中，在QAQB为10时，两片4个C2被选中，在QAQB为11时，两片4个C3被选中。计数的160QA接1C0与1C3，1C1接高电平，1C2接地，QB接2C0到2C3，QC接第二片的1C0到1C3，QD接第二片的2C0到2C3，这样两片74HC153的四个输出端在不同状态下输出的就为自然数列、奇数列、偶数列、音乐数列。

我将74HC153输出信号接到一片CD4511，用其驱动七段共阴数码管。

最后我将1K电阻与10UF电容串联起来，一端接高电平，另一端接地，从电阻与电容中间引一根线接两片160的CLR端，利用电容的充放电使控制器有上电复位能力。

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总电路图如下：

U6A74HC00N_4V43VCCVCC5V3456ABCDENPENT~LOAD~CLRCLK5VU1QAQBQCQDRCO1413121115U31C01C11C21C32C02C12C22C3AB~1G~2G1Y7VCC654310111213142U119U1012136543101112131421151C01C11C21C32C02C12C22C3AB~1G~2G1Y7VCC7109122Y1615DCD_HEX02Y98074HC160N_4VC1R1191k|?100uF11574HC153N_4V1474HC153N_4VVCC5V03456710912ABCDENPENT~LOAD~CLRCLK18U2QAQBQCQDRCO1413121115U412566543101112131421151C01C11C21C32C02C12C22C3AB~1G~2G1Y71721VCC92Y94U9A1Q5XFG13121J~1PR74HC160N_4VR21k|?20C2100uF107U7A74HC32N_4V11U8A1CLK1K~1Q~1CLR6U5A74HC10N_4V74HC153N_4V01574HC112N_4VU12A74HC04N_4V74HC86N_4V

图4.1 总电路图 5 焊接、调试以及心得体会

5.1 焊接阶段

本次焊接，共用我去一个星期的时间。我与同组的同学每天下课后都去焊接实验室。我们先在电路板上将器件布局好，之后才连线。我发觉自己的动手能力不强，看似简单的剪线、去皮、焊接花去我不少时间。但我与同学紧密配合，共同努力，终于焊接成功。这次焊接我掌握了许多焊接技巧，锻炼了动手能力，真是一举多得。

5.2 调试阶段

调试我认为是最麻烦的阶段。当我焊接好之后上电观察结果，发现只出来自然数列、奇数列与偶数列，之后就不断循环，音乐数列出不来。我不知道是我连线有误还是器件坏了，每天只能盲目地查线。我反复检查好多天也没出结果，只能去找张老师。老师在百忙当中抽空给我检查原理，发现我的原理图有一个地方不对，但在仿真中却看不出来。我改正错误之后觉得应该成功了，但当我上电时给的电压过高，器件一共烧了5个。我只好用示波器测波形，一个一个器件的检查，看哪个器件是坏的。当我把这些故障都排出后，结果终于出来了。

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在这次调试过程中我熟练地掌握了运用示波器及万用表检查错误的方法，通过不断的检查错误锻炼了自己的排查错误的能力。

我觉得实践必须要心细，任何小的错误都能导致结果的错误，我们要想尽办法排查错误，才能最终成功。

5.3 心得体会

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。我从一得到题目就认真思考设计方案，不断完善自己的方案，使得仿真成功。之后我又自己买元器件，认识了不少元器件，学到了许多课本上学不到的知识。后来我们又焊板子，自己调试结果。

在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我认识到理论与实践有一定的差距，因此我们要多实践，锻炼自己解决问题分析问题的能力。

我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。 这么长时间的课程设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋； 正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。

同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

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通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

6 总结

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在张老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在此我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学表示忠心的感谢！

此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。

参考文献资料

（1）阎石 《数字电子技术基础》第五版 高等教育出版社 2009年12月 （2）党宏社 《电路电子技术试验与电子实训》 电子工业出版社 2009年1月

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U6A74HC00N_4V3VCCVCC5V3456ABCD432Y9QAQBQCQD14131211

45VU1VCC651C01C11C21C31Y7U3U111615DCD_HEX附录Ⅰ 原理总图

U10VCCENPENT~LOAD~CLR142CLK115~1G~2GABRCO1Y27911C01C11C21C371015101112132C02C12C22C31123074HC153N_4V2Y965432C02C12C22C31011121381k|?100uF145VU203456ABCDQAQBQCQD14131211142AB~1G~2G074HC160N_4VC1R119115VCCU4125610111213142115AB~1G~2G2C02C12C22C31C01C11C21C365431Y71874HC153N_4V - 14 -

172191~LOAD~CLRCLK2VCC9ENPENTRCO710152Y94~1PR1J1CLK1K~1CLR~1Q61Q5U9A74HC160N_4VR220100uF107U7A74HC32N_4V11U8A1k|?74HC112N_4VU12A74HC04N_4V74HC86N_4VC2XFG131U5A74HC10N_4V74HC153N_4V2-- 课程设计说明书

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附录Ⅱ 元器件清单

器件型号 74HC153 74HC160 74HC112 NE555 18K,36K ,10uF,0.01uF 1K 10UF 74HC00 74HC10N 74HC32N 74HC86N 74HC04N CD4511及LED共阴数码管 0.1UF 0.2K 用途介绍 双四选一数据选择器 十进制计数器 JK触发器 555 定时器 集成555用电阻及电容 电阻 电容 双输入与非门 三输入与非门 或门 异或门 非门 显示 滤波电容 限流电阻 数量 3 2 1 1 各1个 2 2 1片 1片 1片 1片 1片 各1个 2 7 - 15 -

-- 课程设计说明书 DIP16，6个；DIP14，6个；DIP8，1个 底座 - 16 -

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