NE555+74LS190+74HC42數(shù)電彩燈控制器仿真與設(shè)計報告

彩燈控制器仿真原理圖如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載）

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2018-9-13 22:18 上傳

基本要求：

(1)設(shè)計一個十盞彩燈的控制電路，要求彩燈具有單向流水效果

（2）彩燈的流向可以變化�？梢哉蛄魉部梢阅嫦蛄魉�。彩燈流動的方向為手動控制

提高要求：

（3）彩燈流動的方向也可以自動控制，自動控制往返變換時間為5s

（4）彩燈可以間歇流動，10s間歇一次，間歇時間1s。

二．方案設(shè)計與論證

在基本求上分析，我們可以簡單的看出需要10盞彩燈，還有一個發(fā)出脈沖信號的源件，并且需要可以使信號循環(huán)移位的元器件，這個元器件可以有很多種選擇，然后對于高級的要求，可以看出，這里需要一個計數(shù)器跟555定時器和電容電阻組成的脈沖電路，從而實現(xiàn)提高要求里面的需求，以下的兩個方案則是對于基本要求而設(shè)計出來的兩個可行方案。

方案一：由時鐘信號電路，控制電路和電阻和流水燈組組成。時鐘信號電路有一片555芯片、電容、電阻組成脈沖發(fā)生器。主要是為燈光流動控制器提供流動控制的脈沖。其中的控制電路包括用四位二進制計數(shù)器74LS160和與非門連接控制彩燈串行輸入，用四片移位寄存器74LS194并聯(lián)和或門連接控制流水燈的輸出。

方案二：對于方案一本方案采取了另一種比較簡單的方法，用了一個74LS190可預(yù)置的十進制同步加/減計數(shù)器，一個74HC42四線--十線譯碼器，跟一個開關(guān)就實現(xiàn)了彩燈的左移以及右移功能，我們通過控制開關(guān)來控制74LS190可預(yù)置的十進制同步加/減計數(shù)器采取加計數(shù)功能還是減計數(shù)功能，然后再將信號輸出給74HC42四線--十線譯碼器，從而就實現(xiàn)了彩燈的左移以及右移功能，這種方案設(shè)計比方案一簡單了很多，好操作。

經(jīng)由上述比較采用方案二得出電路方案的大致框圖如下：

脈沖輸出 →控制電路  → 74LS190二—十進制可逆計數(shù)器

                                     ↓

電阻和流水燈組← 74HC42四線——10線譯碼器和非門

                       圖1 總體設(shè)計框圖

• 單元電路設(shè)計與參數(shù)計算
  

74LS190電路是十進制同步可逆計數(shù)器，它是單時鐘控制的，能夠完成置數(shù)、加減計數(shù)、保持功能，還有進位或借位、級聯(lián)等功能。功能表如下：

74HC42是二-十進制譯碼器，其輸入的是十進制數(shù)的二進制編碼（BCD碼），輸出的是與10個十進制數(shù)字相對應(yīng)的10個信號，就是把輸入的BCD碼翻譯成10個十進制數(shù)字信號的譯碼器。其真值表如下：

74LS190可逆計數(shù)器接受脈沖，上升沿觸發(fā)計數(shù)，每來一個上升沿信號計數(shù)一次，相應(yīng)在74HC42譯碼器中就翻譯一次，就會使10個led燈逐漸亮起。

它由分壓器、比較器、基本R--S觸發(fā)器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個5K?的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器1A、2A提供參考電壓，比較器1A的參考電壓為2/ 3 Vcc，加在同相輸入端，比較器2A的參考電壓為 1 /3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個結(jié)構(gòu)相同的集成運放1A、2A組成。高電平觸發(fā)信號加在1A的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本R--S觸發(fā)器_ DR端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在2A的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本R—S觸發(fā)器_ DS端的輸入信號�；綬--S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器1A、2A的輸出端控制。

由555定時器組成的多諧振蕩器如圖3.4所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖3.5所示。

圖5  由555定時器組成的多諧振蕩器

圖6 　工作波形圖

設(shè)電容的初始電壓Uc＝0，t＝0時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸 發(fā)端THV＝TLV＝0<1 /3Ｖcc，比較器A1輸出為高電平，A2輸出為低電平，即_ RD=1, _SD=0?（1表示高電位，0表示低電位），RS?觸發(fā)器置１，定時器輸出u0=1?此時_ Q=0, 定時器內(nèi)部放電三極管截止，電源Vcc經(jīng)1R，2R向電容Ｃ充電，cu逐漸升高。當uc上升到 1/ 3 Vcc時，A2輸出由0翻轉(zhuǎn)為１，這時_RD=_SD=1，R_S?觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<1 t期間，定時器輸出u0為高電平１。

t=t1時刻，uc上升到2 /3 Vcc，比較器A1的輸出由１變?yōu)?， 這時_RD=0?，_SD=1，R_S觸發(fā)器復(fù)0，定時器輸出u0=0。

t1<t<t2期間，_ Q1=1,放電三極管Ｔ導通，電容Ｃ通過R2放電。uc按指數(shù)規(guī)律下降， 當uc<2 /3 Vcc時比較器A1輸出由0變?yōu)?，Ｒ－Ｓ觸發(fā)器的_RD=_SD=1 ，Ｑ的狀態(tài)不變，u0的狀態(tài)仍為低電平。

t=t2時刻，uc下降到1 /3 Vcc，比較器A2輸出由1變?yōu)?，R---S觸發(fā)器的_RD=1， _SD=0，觸發(fā)器處于1，定時器輸出u0=1?。此時電源再次向電容C放電，重復(fù)上述過程。

通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出u0=1?，電容放電時，u0=0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波,其實質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?

振蕩周期:  由圖7可知，振蕩周期T=T1+T2。T1為電容充電時間，T2為電容放電時間。

充電時間 T1=(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2)C ????                  

放電時間 T2=R2Cln2=0.7R2C?

矩形波的振蕩周期T=T1+T2=ln2(R1+2R2)C=0.7(R1+2R2)C ???

?   因此改變R1、R2和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。

1．總原理圖

圖9   仿真總電路圖

2．電路完整工作過程描述（總體工作原理）

如圖4.1為彩燈控制器電路。其中主要由時鐘信號發(fā)生器555、可逆計數(shù)器74LS190，4-10線譯碼器74HC42、和D觸發(fā)器反饋控制電路組成。

時鐘信號發(fā)生器與NE555構(gòu)成，產(chǎn)生信號頻率為f=1/ 0.7(R4+R2)C1

改變參數(shù)改變可以設(shè)置實驗所需頻率，控制彩燈的流速。時鐘信號發(fā)生器的脈沖作為可逆計數(shù)器74LS190的脈沖源。

Sw2手動，打向左邊、自動開關(guān)為為手動，打向右邊為自動。

Sw1控制燈的流向。打向地時，給U12的5引腳輸入低電平，U12作加法計數(shù)，通過4-10線譯碼器74HC42翻譯成可視信號，控制彩燈正向流動；打向電源時，

給U12（計數(shù)器）的5引腳輸入高電平，U12作減法計數(shù)，通過4-10線譯碼器74HC42翻譯成可視信號，控制彩燈逆向流動。

因調(diào)出555輸出的脈沖周期為T=0.7(R1+2R2)C=0.7*(10K+2*30K)*10*10^-6=.05s

所以10個剛好為5s。然后U13（雙D觸發(fā)器其中的一個觸發(fā)器）在第一個燈亮時（高電平）置0，則Q非輸出高電平給計數(shù)器的U/D端，讓其做減法計數(shù)；U13（雙D觸發(fā)器其中的一個觸發(fā)器）在第十個燈亮時（高電平）時，即來了一個上升沿脈沖，使輸出翻轉(zhuǎn)（Q非連著D）則Q非輸出低電平給計數(shù)器的U/D端，讓其做加法計數(shù)，如此實現(xiàn)5s自動往返。

五、仿真調(diào)試與分析

第二：由電路自動控制led燈的流向。就是通過雙D觸發(fā)器中的一個D觸發(fā)器的反饋電路實現(xiàn)自動控制led燈的流向。

在U/D端用個一刀雙擲開關(guān)控制手動開關(guān)和自動流向（雙D觸發(fā)器中的一個Q非輸出）

（1）如圖：正向流動（圖10—2）（圖10—3）。

                                     圖10—2

圖10—3

（2）如圖：逆向流動（圖10—4）和（圖10—5）

                圖10—4

第三：

因調(diào)555輸出的脈沖周期為T=0.7(R1+2R2)C=0.7*(10K+2*30K)*10*10^-6=.05s

所以10個剛好為5s。然后U13（雙D觸發(fā)器其中的一個觸發(fā)器）在第一個燈亮時（高電平）置0，則Q非輸出高電平給計數(shù)器的U/D端，讓其做減法計數(shù)；U13（雙D觸發(fā)器其中的一個觸發(fā)器）在第十個燈亮時（高電平）時，即來了一個上升沿脈沖，使輸出翻轉(zhuǎn)（Q非連著D）則Q非輸出低電平給計數(shù)器的U/D端，讓其做加法計數(shù)，如此實現(xiàn)5s自動往返。

如下為全圖11

• 結(jié)論與心得
  

時間總是過得那么快的，就這樣就過了一周，一周的時間的確很短，但是我們在這一周中學的還是挺多的。一開始選到了這個題目就感覺沒什么思路的，然后就去查看有關(guān)資料，查到的資料還是比較有用的，有了資料也沒那么容易做到的。畢竟課程設(shè)計不同于實驗課，電路圖的方法和原件都是靠自己去想和去挑選的，還有電路圖都要自己設(shè)計。開始的時候仔細分析題目，再加上自己找到的資料與提示和同組成員一起去分析，心中才有了一點思路。將每個要求根據(jù)不同的功能化分成模塊，再分別進行設(shè)計，逐個攻破，最后再將其整合即可。

其實在開始課程設(shè)計之前就多少有聽聞?wù)f這個實驗的難度，所以在課程設(shè)計到來之前都是帶著一點擔憂的心情，剛開始拿到題目的時候真的一點思路都沒有然后就上網(wǎng)查找相關(guān)的資料以及去圖書館查找相關(guān)的書籍，剛開始查找到的資料很大部分都是通過Multisim這個軟件來完成這個實驗的，在那個時候我就在想要不要去學習這個軟件的運用方法然后在這個軟件里面通過借鑒一些前輩們的做法然后自己做出來，但是感覺這樣子有點花時間而且以后Multisim這個軟件的使用次數(shù)可能會有點少，所以我就想試試看能不能在proteus上面實現(xiàn)課程設(shè)計里面彩燈控制的課程，剛開始是遇到了很多的難題，元器件的不同以及相關(guān)功能的不了解是一個很大的難關(guān)，最主要的原因是之前學的數(shù)字電子技術(shù)的知識遺忘了很多，所以又馬上找出之前的書本查閱了相關(guān)元器件的功能以及用法，網(wǎng)上很多參考文獻的做法都是運用了書本上的內(nèi)容，所以復(fù)習之前學過的知識是很重要的一個環(huán)節(jié)。

通過一個星期的課程設(shè)計我深刻的了解對學過的知識點的及時復(fù)習是非常重要的，因為你不知道你以后是否要運用到你現(xiàn)在學習到的知識，當你運用到的時候你就會感謝之前你的努力學習，在課程設(shè)計中我還明白了一個道理，想要做成功一件事需要沉得住氣，要有耐心，當遇到難題一時半會解不出來的時候，不要給自己太大的壓力，要給自己信心，相信自己可以解決這些難題，團隊合作也是一個很重要的條件，一個人的力量是有限，兩個人的力量肯定是比一個人強得多的，俗話講：三個臭皮匠賽過諸葛亮，所以在課程設(shè)計過程中要多與組員討論，你解決不了的問題有可能組員解決的了，或者實現(xiàn)某一功能的路徑組員有更簡單的方法。在過去的一個星期里面，雖然有苦但是收獲也是很多的

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