彩燈控制器設(shè)計論文 74ls160+ne555實現(xiàn)

ID:161768 · 發(fā)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(shè)計任務(wù)

4、發(fā)揮設(shè)計任務(wù)

5、電路特點

二、電路設(shè)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(huán)控制部分（JK觸發(fā)器、74LS138）

3.3 兩個74LS160控制4個數(shù)列簡要說明

3.4 上電復(fù)位電路

4 原理總

5 元器件清單

6 調(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)（或者仿真結(jié)果）

6.1 各主要功能塊的單獨調(diào)試（按焊接步驟）

6.1.1 74ls48與數(shù)碼管的調(diào)試

6.1.2 555與降頻器的調(diào)試

循環(huán)部分和非門的調(diào)試

兩個74LS160的調(diào)試

觸發(fā)器和74LS138的聯(lián)合調(diào)試

組合電源調(diào)試

6.2 調(diào)試總結(jié)果分析

參考文獻

摘要

彩燈控制器的設(shè)計課題是為強化我們所學(xué)的電子技術(shù)，結(jié)合書本理論知識，結(jié)合實際操作。這是一個理論結(jié)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(jié)合觸發(fā)器的選擇，對時鐘進行分頻和使用555產(chǎn)生的時鐘頻率，從而改變數(shù)字的顯示時間間隔的時間。

一、選題背景

數(shù)字電子技術(shù)在我們生活中的應(yīng)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(shè)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(jié)合為指導(dǎo)思想，特此用我們所學(xué)的理論知識來實踐這次課程設(shè)計。

1、功能要求

以74LS160為主要器件，加之以循環(huán)電路、脈沖電路、顯示電路、復(fù)位電路等，即可實現(xiàn)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(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和1、2、3、4、5、6、7（音樂符號數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號數(shù)列……如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)）。并且需要保證每個數(shù)字顯示的時間基本相等，這個時間在0.5~2秒內(nèi)可調(diào)。

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(xiàn)。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(shù)列。

方案二，用74ls190和74LS191，譯碼器，三態(tài)門及必要門電路亦可實現(xiàn)，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(xiàn)各個數(shù)字顯示時間一樣。

方案三：以JK觸發(fā)器作為循環(huán)控制部分構(gòu)成四進制（00-01-10-11），74ls138構(gòu)成循環(huán)控制部分，加必要的門電路，結(jié)合74LS160便可實現(xiàn)。此方法較為普通。

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

3、基本設(shè)計任務(wù)

用NE555、74LS160、JK觸發(fā)器、74ls48數(shù)碼管以及必要的門電路設(shè)計一個控制電路使其在開機時能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：自動地依次顯示出數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然數(shù)列），1、3、5、7、9（奇數(shù)列），0、2、4、6、8（偶數(shù)列）和1、2、3、4、5、6、7（音樂符號數(shù)列），然后又依次顯示出自然數(shù)列、奇數(shù)列、偶數(shù)列和音樂符號數(shù)列……如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)）。

4、發(fā)揮設(shè)計任務(wù)

加上4個LED分別指示每個循環(huán)狀態(tài)。

5、電路特點

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

二、電路設(shè)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(tǒng)重要部分為循環(huán)控制部分，循環(huán)控制部分中的JK觸發(fā)器會產(chǎn)生一個四進制循環(huán)狀態(tài)，通過74LS138譯碼后會產(chǎn)生4個控制狀態(tài)，這4個控制狀態(tài)將分別控制74LS160的工作狀態(tài)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(tài)，在脈沖的作用下經(jīng)7448譯碼后便可以顯示出4組數(shù)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(fā)器）

圖3-1-1 NE555多諧振蕩器電路圖3-1-2JK觸發(fā)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(chǎn)生出矩形脈沖。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，所以又稱為無穩(wěn)電路。在多諧振蕩器中，由一個暫穩(wěn)態(tài)過渡到另一個暫穩(wěn)態(tài)，其“觸發(fā)”信號是由電路內(nèi)部電容充（放）電提供的，因此無需外加觸發(fā)脈沖。多諧振蕩器的振蕩周期與電路的阻容元件有關(guān)。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(fā)器構(gòu)成，當(dāng)J端和K端接成高電平時就是一個T型觸發(fā)器。T觸發(fā)器在一個脈沖的下降沿Q端的狀態(tài)會變化一次，由這個原理便可以做成0.5倍頻降頻器。

參數(shù)計算：

因為需要一個0.5~2秒的可調(diào)脈沖，因此根據(jù)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(dāng)滑動變阻器的阻值為0的時候，即產(chǎn)生0.5S的脈沖，當(dāng)滑動變阻器滑到最大值的時候，產(chǎn)生2S的脈沖。

3.2 循環(huán)控制部分（JK觸發(fā)器、74LS138）

圖3-2-1 JK觸發(fā)器構(gòu)成的四進制計數(shù)器電路

圖3-2-2 K觸發(fā)器及74LS138構(gòu)成的循環(huán)控制電路

如圖3-2-1 JK觸發(fā)器構(gòu)成的四進制計數(shù)器電路，當(dāng)開機時，復(fù)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(huán)。

JK觸發(fā)器構(gòu)成的四進制計數(shù)器電路的設(shè)計過程：

（詳見附件）

狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如下：

圖3-2-3狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

據(jù)表中次態(tài)對應(yīng)Q高*、Q低*，畫出卡諾圖化簡。

次態(tài)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(fā)器的狀態(tài)方程

Q*=J·Q’+K’·Q ,

便可得J、K的關(guān)系，其連線便如上電路圖。

3.3 兩個74LS160控制4個數(shù)列簡要說明

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

音樂數(shù)列和自然數(shù)列的74LS160：

圖3-3-1 74LS160A

自然數(shù)列是從0開始的，因此運用起來較簡單。自然數(shù)列直接用就可以,；對于音樂數(shù)列則到了7的的時候就要復(fù)位到0，解決方法如下：在要消除異步復(fù)位時的閃爍的前提下，可以用同步置位，即在輸出端口到達(dá)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(shè)計。

并且由于音樂數(shù)列是1~7所以我們才有一些門電路實現(xiàn)在偶數(shù)列結(jié)束之后，應(yīng)當(dāng)將74ls160從1開始計數(shù)，但是經(jīng)過實踐，發(fā)現(xiàn)1顯示的時間有點短（這是因為當(dāng)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(xù)一個周期就從1變到2了）。所以我們采用門電路結(jié)合音樂輸入使能信號實現(xiàn)把0變成1。

奇偶數(shù)列的74LS160：

圖3-3-2 74LS160B

對于奇偶數(shù)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(shù)列：0001,0011,0101,0111,1001。偶數(shù)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(shù)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(shù)列的輸出。對于這個奇偶數(shù)列的74LS160，假如和音樂數(shù)列、自然數(shù)列的74LS160接同一個脈沖，則會出現(xiàn)兩類數(shù)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(xiàn)。

3.4 上電復(fù)位電路

圖3-4-1 復(fù)位電路

復(fù)位電路用于兩個74LS160和JK觸發(fā)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?yōu)楦唠娖剑械挠|發(fā)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(diào)試過程及測試數(shù)據(jù)（或者仿真結(jié)果）6.1 各主要功能塊的單獨調(diào)試（按焊接步驟）6.1.1 74ls48與數(shù)碼管的調(diào)試

焊接時最先做74ls48與數(shù)碼管的連接。連接好后通上電源，首先測試數(shù)碼管的全部點亮。把74ls48的測試端LT’接地，可以看到數(shù)碼管顯示8字，說明數(shù)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(yīng)的信號使數(shù)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(diào)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(fā)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(diào)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(fā)器的Q端，看其是否為0.5Hz和1Hz。同時可以依據(jù)555的3腳接出的脈沖接到發(fā)光二極管上。觀看等的亮滅情況。

在仿真軟件上得到的結(jié)果如下圖：

圖6-1-2-1 復(fù)位電路

循環(huán)部分和非門的調(diào)試

此部分由一個JK觸發(fā)器、一個74LS138和4個非門構(gòu)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(fā)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(diào)試

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

圖6-1-4-1 74LS160A自然數(shù)列和音樂數(shù)列的組合

圖6-1-4-2 74LS160B奇、偶數(shù)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(lián)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(fā)器均復(fù)位一下，觀察數(shù)碼管的顯示。如果出現(xiàn)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(xiàn)不顯示則是復(fù)位沒有成功，以后連上復(fù)位電路后便會沒有問題。

觸發(fā)器和74LS138的聯(lián)合調(diào)試

當(dāng)控制輸出觸發(fā)器的輸出端D0和D1，就能間接控制發(fā)光二極管的亮滅，當(dāng)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(diào)試

當(dāng)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(diào)試總結(jié)果分析

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

還有就是在一些參數(shù)計算也是很重要的，例如由于我們的奇偶數(shù)在同一快74ls160上顯示，所以需要在是奇數(shù)是通過偶數(shù)加一實現(xiàn)，但是我們沒有選擇加法器，而是采用顯示奇數(shù)的使能端再接上或門，但是使能端又連接了一個發(fā)光二極管，由于發(fā)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(fā)光二極管的壓降都會改變電平。當(dāng)初我由于選擇了一個壓降大的發(fā)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(shù)的設(shè)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(diào)試應(yīng)該是沒有問題的，實踐證明，通過每一個小部分的各自調(diào)試可以把系統(tǒng)化小，使得解決問題的效率提高，整個系統(tǒng)的成功率增大。

參考文獻

【1】數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)/閻石主編. -5版.-北京：高等教育出版社，2006.5

【2】模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)/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(shè)計·實驗·測試/羅杰，謝自美主編.---4版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.4

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